DE4243573A1

DE4243573A1 - Kalorimetrischer Durchflußmesser

Info

Publication number: DE4243573A1
Application number: DE19924243573
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Klein
Original assignee: Lang Apparatebau GmbH
Current assignee: Ecolab Engineering GmbH
Priority date: 1992-12-22
Filing date: 1992-12-22
Publication date: 1994-06-23
Also published as: WO1994015180A1

Description

Die Erfindung betrifft einen kalorimetrischen Durch flußmesser der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Aus US 2 726 546 ist ein kalorimetrischer Durchfluß messer bekannt, der im Strömungsweg eines Fluides (d. h. eines Gases oder einer Flüssigkeit) hintereinander ein Heizelement und ein Sensorelement aufweist. Das Heiz element gibt Wärme an das Fluid ab und das Sensor element nimmt die Fluidtemperatur an. Das Heizelement und das Sensorelement sind in einer Brückenschaltung enthalten, die bei Temperaturänderungen des Heiz elements aus dem Gleichgewichtszustand gebracht wird. Anhand der bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindig keiten auftretenden unterschiedlichen Wärmeabfuhr vom Heizelement kann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Diese Messung basiert auf der Temperatur differenz, die zwischen Heizelement und Sensorelement auftritt. Diese Temperaturdifferenz ist bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten groß und bei großen Strömungsgeschwindigkeiten klein. Dies hat zur Folge, daß die Eingangsgröße (Strömungsgeschwindigkeit v) und das Meßsignal eine Kennlinie umgekehrter Propor tionalität bilden, die zudem auch noch nicht-linear ist. Es ist daher sehr schwierig, aus dem Ausgangs signal die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln. Dies erfordert einen hohen elektronischen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kalorimetrischen Durchflußmesser zu schaffen, dessen Ausgangssignal der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen Eingangsgröße und Meßsignal besteht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Durchflußmesser wird das Heizelement mit Wechselstrom einer Grundfrequenz f_o beaufschlagt und das Durchflußmengensignal in Ab hängigkeit von der am Sensorelement auftretenden Meß frequenz f erzeugt. Der Heizstrom des Heizelements hat sinusförmigen Verlauf mit einer Grundfrequenz f_o. Da die Heizleistung dem Quadrat des Heizstroms proportional ist, entsteht eine Wärme-(Energie)Infor mation mit der Frequenz 2f_o. Diese Information wird von der Strömungsgeschwindigkeit v stromabwärts zum Sensor element verschleppt und dort detektiert. Wenn das Sensorelement schnell genug ist, also eine entsprechend geringe Wärmekapazität hat, ist die am Sensorelement auftretende Meßfrequenz ebenfalls 2f_o. Zwischen der am Heizelement eingespeisten Information und der am Sensorelement gemessenen Information besteht eine Phasenverschiebung, welche mit der Strömungsge schwindigkeit in Zusammenhang gebracht werden kann. Diese Phasenverschiebung könnte als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit benutzt werden. Die Phasen verschiebung kann und soll jedoch nicht zur Ermittlung der Ausgangsgröße herangezogen werden. Vielmehr sorgt die Steuer- und Meßeinheit dafür, daß die Phasenverschiebung konstant gehalten wird, indem sie die Grundfrequenz f_o entsprechend regelt. Auf diese Weise erhält man die Meßfrequenz f des Heizstromes als Ausgangsgröße, abhängig von der Eingangsgröße, nämlich der Strömungsgeschwindigkeit v. Die Meßfrequenz f ist der Strömungsgeschwindigkeit linear direkt proportional. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit v = 0, ergibt sich die Meßfrequenz zu f = f_o und bei einer maximalen Strömungsgeschwindigkeit v_max ergibt sich die Meßfrequenz zu f = f_max. Im Bereich zwischen diesen beiden Strömungsgeschwindigkeiten besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der Meßfrequenz.

Dieser kalorimetrische Durchflußmesser beruht nicht auf der Messung einer Temperaturdifferenz. Er benötigt daher keinen zweiten Temperatursensor stromauf von der Meßstelle.

Vorzugsweise ist der Wechselstrom, mit dem das Heiz element gespeist wird, sinusförmig. Das Sensorelement - und ggf. auch das Heizelement - kann aus einer dünnen Leiterschicht von geringer Wärmekapazität bestehen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des kalorimetrischen Durchflußmessers und

Fig. 2 ein Diagramm der Eingangsgröße oder Strömungs geschwindigkeit v in Abhängigkeit von der Meßfrequenz f.

Der Durchflußmesser weist in einem Rohr 10, in dem das Fluid, nämlich eine Flüssigkeit oder ein Gas, strömt, ein Heizelement 11 am Ort 1 und stromab von diesem ein Sensorelement 12 am Ort 2 auf. Das Heizelement 11 und das Sensorelement 12 sind an eine Steuer- und Meßeinheit 13 angeschlossen.

Die Steuer- und Meßeinheit 13 versorgt das Heizelement 11 mit sinusförmigen Heizstrom der niederfrequenten Grundfrequenz f_o, die vorzugsweise in der Größenordnung von 1 bis 10 Hz liegt. Das mit einem definierten Ab stand von dem Heizelement 11 angeordnete Sensorelement 12 empfängt die periodischen Temperatursignale, die von dem Heizelement 11 auf das strömende Fluid übertragen werden und setzt diese Temperatursignale in elektrische Signale um, die der Steuer- und Meßeinheit 13 zugeführt werden.

Die Steuer- und Meßeinheit 13 enthält einen Phasen komparator, der die Phasendifferenz ϕ zwischen den Schwingungen an den Orten 1 und 2 feststellt und die Frequenz f = f_o + Δf so regelt, daß die Phasendifferenz ϕ konstant bleibt. Dadurch ändert sich die Frequenz f in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit. Ent sprechend ändert sich auch die Meßfrequenz f = f_o + Δf. Die Meßfrequenz f oder deren Änderung Δf wird gemäß Fig. 2 als Ausgangsgröße der Steuer- und Meßeinheit benutzt. Sie liefert ein Signal, das angezeigt und registriert wird und das der Eingangsgröße, nämlich der Strömungsgeschwindigkeit v, linear proportional ist.

Die Grundfrequenz f_o ist diejenige Frequenz, mit der das Heizelement bei stillstehender Flüssigkeit be trieben wird. Durch Konstanthalten der Phasenver schiebung ϕ der Signale von Heizelement 11 und Sensor element 12 entsteht die Frequenz f, die um einen Differenzbetrag Δf von f_o abweicht. Von der Frequenz f = f_o + Δf kann die Grundfrequenz subtrahiert werden. Der dann verbleibende Wert Δf ist der Strömungsge schwindigkeit v proportional.

Claims

1. Kalorimetrischer Durchflußmesser mit einem Heiz element (11) und einem Temperatur-Sensorelement (12), die entlang des Strömungsweges hinterein ander angeordnet sind, und mit einer elektro nischen Versorgungs- und Meßeinheit (13), die das Heizelement (11) versorgt und am Sensorelement (12) eine Meßgröße detektiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (11) mit Wechselstrom einer Grundfrequenz f_o beaufschlagt wird und daß das Durchflußsignal in Abhängigkeit von der am Sensor element (12) auftretenden Phasenverschiebung (ϕ) in der elektronischen Einheit (13) durch Nach regeln der Frequenz f erzeugt wird, wobei die Phasenverschiebung konstant gehalten wird.

2. Kalorimetrischer Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein einziges Heiz element (11) und ein einziges Temperatur-Sensor element (12) vorhanden sind.

3. Kalorimetrischer Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperatur-Sensorelement (12) und/oder das Heiz element (11) aus einer dünnen Leiterschicht von geringer Wärmekapazität besteht.