DE4427554A1 - Wärmeimpuls-Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeimpuls-Durchflußmesser für Gase und Flüssigkeiten, bei dem als Meßeffekt die Laufzeit ei­ nes dem Meßmedium aufgeprägten, kurzen Wärmeimpulses über eine vorgegebene Wegstrecke ausgenutzt wird.

Das Grundprinzip dieses Meßverfahrens ist bekannt und wird z. B. in der DE 37 41 896 A1 angewendet. Dieses Gerät besitzt diskrete Sender- und Empfängerstrukturen in Form von dünnen Drähten, die in direktem Kontakt mit dem Meßmedium stehen. Aufgrund der mechanischen Empfindlichkeit ist dieses Gerät nur im Laborbetrieb einsetzbar und erfordert einen erheblichen Fertigungsaufwand.

Bei einer anderen Anordnung, die in der DE 41 27 675 A1 be­ schrieben wird, sind Wärmeimpulssender und -empfänger an der Außenseite einer Schlauchleitung angebracht, wodurch die Ein­ kopplung des Wärmeimpulses in das Meßmedium erschwert wird. Das Gerät ist als Strömungswächter für Flüssigkeiten vorgese­ hen.

Eine weitere Anordnung, die in der Europäischen Patentanmel­ dung 0 500 011 A1 beschrieben ist, verzichtet auf den Wärmeim­ pulssender und erfaßt die thermischen Eigenschwankungen des Meßmediums mit hochempfindlichen Thermoelementen. Die Meßsi­ gnale der Thermoelemente werden miteinander korreliert und daraus die örtliche Fließgeschwindigkeit berechnet. Die Reali­ sierung dieser Meßmethode zur Durchflußmessung ist mit sehr hohem Aufwand verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für den indu­ striellen Einsatz geeignetes, kompaktes und robustes, jedoch auch bei kleinen Durchsätzen hinreichend genau arbeitendes Durchflußmeßgerät bereitzustellen. Mit diesem Gerät sollen sowohl flüssige als auch gasförmige Medien gemessen werden, ohne daß ein allzu hoher Aufwand an medienspezifischen Kali­ brierungen betrieben werden muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmeimpuls- Durchflußmeßgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 grundsätzlich gelöst.

Die untergeordneten Ansprüche 2 und 3 kennzeichnen den Sub­ stratwerkstoff und die Technik, in der die Funktionselemente des Sensorteiles des Durchflußmessers realisiert werden.

Anspruch 4 kennzeichnet die zweckmäßige Anordnung der Funk­ tionselemente auf dem Substrat.

Anspruch 5 schließlich kennzeichnet den Blockaufbau der Elek­ tronik zur Aufbereitung der Meßsignale.

Anspruch 6 beinhaltet eine Erweiterung der Meßaufgabe, die mit den in Anspruch 1 aufgeführten Funktionselementen und der in Anspruch 5 beschriebenen Meßsignal-Auswerteelektronik ohne we­ sentlichen Mehraufwand geleistet werden kann.

Weiterhin kennzeichnet der Anspruch 6 das Verfahren zur Auswer­ tung der von den Wärmeimpulsempfängern (3) gelieferten Signale durch Kreuzkorrelation, welche auch bei stark gestörten Meßsi­ gnalen eine zuverlässige Ermittlung der Laufzeit des Wärmeim­ pulses ermöglicht. Schließlich kennzeichnet Anspruch 6 die Vorgehensweise bei der Umrechnung der gemessenen Impulslauf­ zeit in den Volumendurchfluß sowie die Korrektur von strö­ mungstechnischen Einflüssen des zu messenden Mediums.

Testmuster dieses Durchflußmessers wurden gefertigt und Funk­ tionstests in einem flüssigen und in einem gasförmigen Meßme­ dium unterzogen.

Es zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau des Sensorteiles des Durchflußmessers,

Fig. 2 das Ergebnis eines Funktionstests mit Öl,

Fig. 3 das Ergebnis eines Funktionstests mit Stickstoff.

Der schematische Aufbau des vom Meßmedium umströmten Sensor­ teiles des Wärmeimpuls-Durchflußmessers ist in Fig. 1 darge­ stellt. Der Sensor besteht aus einem plattenförmigen Substrat 1 aus einer Keramik mit geringer Wärmeleitfähigkeit, auf dem in Dickschichttechnik die Funktionselemente: Heizwiderstand 2, Wärmeimpulsempfänger 3 und Temperaturmeßfühler 4 aufgebracht sind. Zur zusätzlichen thermischen Isolation der Funktionsele­ mente 2, 3, 4 zum Substrat 1 hin dient eine Zwischenschicht mit geringer Wärmeleitung. Zum Schutz der Funktionselemente 2, 3, 4 sowie der für die Verbindung der Funktionselemente 2, 3, 4 mit der Elektronik erforderlichen Leiterbahnen 5 gegen einen möglichen Korrosionsangriff durch das Meßmedium bzw. durch die umgebende Atmosphäre dient eine dünne, gut wärmeleitende Deck­ schicht. Zwischenschicht und Deckschicht werden ebenfalls in Dickschichttechnik hergestellt.

Das strömungstechnische Grundelement dieses Sensors ist eine überströmte Platte, welche sich in dem vom Meßmedium durch­ strömten Strömungsraum befindet und auf der die Funktionsele­ mente 2, 3, 4 aufgebracht sind.

Der Wärmeimpulssender ist der Heizwiderstand 2, der durch einen oder mehrere definierte Stromimpulse 9 in vorgegebenen zeitlichen Abständen aufgeheizt wird und entsprechende Wär­ meimpulse an das vorbeiströmende Meßmedium überträgt.

Diese Wärmeimpulse werden durch das Meßmedium zu den den Wär­ meimpulsempfängern 3 transportiert, die in einem definierten Abstand hintereinander angeordnet sind und zwei zeitlich zu­ einander versetzte Meßsignale 10 abgeben.

Um an den beiden Wärmeimpulsempfängern 3 möglichst schmale und hohe Wärmeimpulse zu erzeugen, wird die Ausbildung einer hydraulischen, bzw. thermischen Grenzschicht durch eine Unter­ brechung des Substrats 1 in Form von Fenstern 6 gestört. Die Grenzschicht beginnt sich erst hinter der Substratkante im Be­ reich des Wärmeimpulsempfängers 3 zu bilden, was im Vergleich mit einer nicht unterbrochenen Platte einen deutlich besseren Wärmeübergang vom Fluid zu den Wärmeimpulsempfängern 3 be­ wirkt.

Die Meßsignale der Wärmeimpulsempfänger 3 werden in den nach­ geschalteten Vorverstärkern 7 verstärkt und dann der Meßsi­ gnal-Auswerteelektronik zugeführt. Um Störeinflüsse auf die Meßsignale so klein wie möglich zu halten, sind die Vorver­ stärker 7 in unmittelbarer Nähe der Wärmeimpulsempfänger 3 auf dem gemeinsamen Substrat 1 außerhalb des Strömungsraums 8 un­ tergebracht.

Durch eine geeignete Meßelektronik, bestehend aus Verstärkern, Filtern, Analog-Digital-Wandlern und Mikroprozessor wird die Impulslaufzeit zwischen den Wärmeimpulsempfängern 3 ermittelt und auf die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Volumendurchfluß umgerechnet.

Durch die kontinuierliche Messung der Medientemperatur mit dem Temperaturmeßfühler 4 kann der Einfluß der Temperatur auf das Durchflußmeßergebnis korrigiert und der Wärmestrom im Meßme­ dium direkt erfaßt werden.

Fig. 2 und 3 zeigen zwei typische Versuchsergebnisse, die mit dem Sensor für Öl und Stickstoff als Meßmedium erhalten wur­ den. Aufgetragen über der Zeit ist der zeitliche Verlauf des Stromimpulses 9 am Heizwiderstand 2 und die zeitlichen Ver­ läufe der Meßsignale 10 der beiden Wärmeimpulsempfänger 3. Mit einem anstelle des Mikroprozessors angeschlossenen Rechner wurde die Kreuzkorrelationsfunktion 11 der verstärkten, gefil­ terten und digitalisierten Ausgangssignale der Wärmeimpulsem­ pfänger 3 berechnet.

Die Kreuzkorrelationsfunktion zweier Signale stellt ein Maß für den statistischen Zusammenhang dieser Signale dar. Für die größte erreichbare Ähnlichkeit der beiden Signale beim Ver­ schieben der Signale auf der Zeitachse besitzt die Kreuzkorre­ lationsfunktion ein Maximum. Entscheidend für die zeitliche Lage des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion ist also nicht die Signalamplitude, sondern die Ähnlichkeit der korrelierten Signale. Beim Wärmeimpuls-Durchflußmesser wird das Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion bei einer Verschiebung der Signal­ kurven um den Betrag der Laufzeit des Wärmeimpulses erreicht.

In Fig. 3 wird der Vorteil des benutzten Kreuzkorrelations­ verfahrens besonders deutlich. Physikalisch bedingt, weisen die von den Wärmeimpulsempfängern 3 gelieferten Signale bei der Messung von Gasen, in diesem Fall Stickstoff, ein nur sehr kleines Signal/Rauschverhältnis auf. Stochastische Störsignale bewirken zwar eine Vergrößerung der Breite des Korrelationsma­ ximums, aber die für die Ermittlung der Wärmeimpulslaufzeit entscheidende Lage des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion wird dadurch nicht verändert.

Bezugszeichenliste

1 Substrat
2 Heizwiderstand, Wärmeimpulssender
3 Temperaturmeßfühler, Wärmeimpulsempfänger
4 Temperaturmeßfühler für Medientemperatur
5 Leiterbahn
6 Fenster
7 Vorverstärker
8 Strömungsraum
9 zeitlicher Verlauf des Stromimpulses im Heizwiderstand
10 zeitlicher Verlauf der Temperatur an den Wärmeimpulsem­ pfängern
11 Kreuzkorrelationsfunktion
12 Laufzeit des Wärmeimpulses

Claims (6)

1. Wärmeimpuls-Durchflußmesser für Gase und Flüssigkeiten, der als Meßeffekt die Laufzeit eines dem Meßmedium aufgeprägten Wärmeimpulses längs einer definierten Wegstrecke mißt, be­ stehend aus:

• a) einem elektrischen Heizwiderstand (2), der als Wärmeim­ pulssender (2) wirkt,
• b) mindestens zwei in Strömungsrichtung in einem vorgegebe­ nen Abstand hintereinander angeordneten Temperatur­ meßfühlern (3), die als Wärmeimpulsempfänger (3) wirken,
• c) strömungstechnischen Elementen zur Verbesserung des Wär­ meübergangs an den Temperaturmeßfühlern,
• d) einem Temperaturmeßfühler (4) zur Erfassung der Medien­ temperatur sowie
• e) einer Stromimpuls- und Meßsignalauswerte-Elektronik, dadurch gekennzeichnet, daß
• f) der Heizwiderstand (2), die zur Messung der Laufzeit (12) des Wärmeimpulses dienenden Temperaturmeßfühler (3), der Temperaturmeßfühler (4) zur Messung der Medien­ temperatur und die für die Verbindung dieser Bauelemente mit der Elektronik erforderlichen Leiterbahnen (5) als Schichtschaltung auf einem plattenförmigen Substrat (1) als Schaltungsträger aufgebracht sind,
• g) die Schichtschaltung in Dickschichttechnik, durch Aufs­ puttern, Aufdampfen oder andere Schichtabscheideverfah­ ren hergestellt wird,
• h) das Substrat (1) aus einem Werkstoff mit einer kleinen Wärmeleitfähigkeit besteht,
• i) zwischen Substrat (1) einerseits und dem Heizwiderstand (2), den Temperaturmeßfühlern (3), dem Temperaturmeßfüh­ ler (4) und den Leiterbahnen (5) andererseits eine Zwi­ schenschicht mit niedriger Wärmeleitfähigkeit als zu­ sätzliche thermische Isolierung aufgebracht ist,
• j) Heizwiderstand (2), Temperaturmeßfühler (3), Temperatur­ meßfühler (4) und die Leiterbahnen (5) mit einer dünnen, gut wärmeleitenden und chemisch widerstandsfähigen Deck­ schicht versehen sind, die den direkten Kontakt der Funktionselemente (2, 3, 4) mit dem Meßmedium oder mit der umgebenden Atmosphäre und somit einen möglichen Kor­ rosionsangriff auf die Funktionselemente verhindert,
• k) in Strömungsrichtung vor den Temperaturmeßfühlern (3), welche als Wärmeimpulsempfänger (3) dienen, das Substrat (1) durch Fenster (6) unterbrochen ist,
• l) das Substrat (1) durch eine Aussparung in der den Strö­ mungsraum (8) begrenzenden Wand sich nach außen fort­ setzt und in diesem Bereich des Substrats (1) die Vor­ verstärker (7) der Meßsignalauswerte-Elektronik unterge­ bracht sind,
• m) die Dauer der Wärmeimpulse, die durch die Fließgeschwin­ digkeit des Meßmediums bedingte Laufzeit (12) der Wär­ meimpulse und die Ausgleichszeiten beim Wärmeübergang vom Heizwiderstand (2) in das Meßmedium und vom Meßme­ dium zu den Wärmeimpulsempfängern (3) klein sind gegen­ über den Wärmetransportzeiten im Substrat (1).

2. Wärmeimpuls-Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Keramik oder Glas oder Glaskeramik ist.

3. Wärmeimpuls-Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Aluminiumoxid-Keramik ist und die Schichtschaltung mittels Siebdruckverfahren in Dick­ schichttechnik hergestellt ist.

4. Wärmeimpuls-Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturmeßfühler (4) zum Messen der Medientemperatur in Strömungsrichtung hinter den Wärmeimpulsempfängern (3) angeordnet ist, so daß die durch den Heizwiderstand (2) er­ zeugten Wärmeimpulse die Messung der Medientemperatur durch den Temperaturmeßfühler (4) nicht oder allenfalls vernach­ lässigbar beeinflussen.

5. Wärmeimpuls-Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromimpuls- und Meßsignalauswerte-Elektronik aus einem Stromimpulsgenerator, einem Verstärker und Filter für jeden Wärmeimpulsempfänger (3), sowie aus einem Multiplexer, ei­ nem Analog-Digital-Wandler und einem Mikroprozessor zur Auswertung der Meßsignale, zur Steuerung des Meßvorganges sowie zum Datentransfer besteht.

6. Verfahren zur Ermittlung des Durchflusses mit dem Wärmeim­ puls-Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig der Durchfluß des Mediums, die Medientempera­ tur und die Wärmeenergie gemessen wird, ein Wechsel in der Zusammensetzung des Mediums oder ein Phasenwechsel von flüssig aufgasförmig oder umgekehrt de­ tektiert wird, die von den Wärmeimpuls-Empfängern (3) erhaltenen Meßsi­ gnale in der Meßsignal-Auswerteelektronik zu digitalisier­ ten Signalen aufbereitet und im Mikroprozessor einer Kreuz­ korrelation unterzogen werden, woraus die Laufzeit (12) der Wärmeimpulse ermittelt und mit Hilfe von gespeicherten Kor­ rekturfaktoren und der mit dem Temperaturmeßfühler (4) ge­ messenen Medientemperatur eine Umrechnung in den äquiva­ lenten Volumendurchfluß vorgenommen wird,