Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem thermischen
Durchflußmesser, insbesondere einem thermischen
Durchflußmesser, der beim Erfassen einer kleinen Menge eines
Flüssigkeitsstromes eine hohe Leistungsauflösung besitzt und welcher
auch in der Lage ist, eine umgekehrte Strömung zu erfassen.
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Während ein zu messendes Fluid als laminarer oder turbulenter
Strom durch ein Strömungsrohr fließt, bildet sich entlang der
inneren Wandfläche des Strömungsrohrs eine
Strömungsgrenzschicht. Wenn das Strömungsrohr durch einen um es gewundenen,
wärmeempfindlichen Widerstandsdraht erwärmt wird, überträgt
sich die Wärme durch Wärmeleitung durch die Wand des
Strömungsrohrs und durch die Grenzschicht des Fluidstromes auf
das Fluid. Die Wärmeleitfähigkeit des Strömungsrohrs bestimmt
sich als ein variabler Wert, der von der Zusammensetzung
ihres Materials und von der durch ihre Oberfläche übertragenen
Wärmemenge abhängt, und die Wärmeleitfähigkeit der
Grenzschicht des Fluidstromes bestimmt sich als ein Wert, der mit
der spezifischen Wärmemenge in dem zu messenden Fluid
zusammenhängt.
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Dementsprechend wird die Wärmeleitfähigkeit des
Strömungsrohrs aus Daten über ihren Aufbau (d. h. dem Material, aus
dem sie besteht), dem Rohrdurchmesser usw. errechnet. Auf der
anderen Seite bestimmt sich die Wärmeleitfähigkeit des Fluids
durch seine Dichte und Fließgeschwindigkeit. Der thermische
Durchflußmesser kann als einfacher Massen-Durchflußmesser
verwendet werden, welcher, beruhend auf dem oben genannten
Funktionsprinzip, den Massendurchfluß eines in seiner Art
bekannten Fluids bestimmen kann, ohne das Fluid beim Fließen zu
behindern.
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Ein herkömmlicher thermischer Durchflußmesser besitzt ein
wärmeleitfähiges Strömungsrohr, das mit einem stromaufwärts
und einem stromabwärts liegenden Temperatur-Fühlelement
ausgestattet ist, die jeweils Widerstandsdrähte besitzen, die in
einem bestimmten Abstand voneinander um das Rohr gewickelt
sind, um sicherzustellen, daß zwischen ihnen keine thermische
Beeinflussung stattfindet, und Steuermittel zum Steuern einer
Brückenschaltung, die jeweils eine geerdete Stelle an dem
einen Ende und eine Anschlußstelle an dem anderen Ende jedes
der Temperatur-Fühlelemente besitzt, um die
Temperaturdifferenz zwischen dem stromaufwärts und dem stromabwärts
liegenden Temperatur-Fühlelement auf konstantem Niveau zu halten,
und die einen Massenfluß des Fluids aus dem an der
stromabwärts liegenden Anschlußstelle gemessenen Spannungswert
bestimmen. Der oben beschriebene, herkömmliche thermische
Durchflußmesser besitzt jedoch eine nicht-lineare Beziehung
zwischen der Durchflußgeschwindigkeit und dem Sensor-Ausgang,
welche eine kleine Steigung und einen Wendepunkt im Bereich
kleinen Durchflusses hat, in welchem sich die
Durchflußgeschwindigkeit Null nähert, wodurch sich die abfallende
Empfindlichkeit des Sensor-Ausgangssignals im kleinen Bereich
anzeigt.
Gegenstand der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
thermischen Durchflußmesser zu schaffen, der auch im Bereich
kleiner Durchflußmessungen hochempfindlich ist und der in der
Lage ist, über den gesamten Bereich der Durchflußmessung ein
hohes Sensor-Ausgangssignal ohne Wendepunkt zu liefern.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen thermischen Durchflußmesser zu schaffen, der in der
Lage ist, einen umgekehrten Durchfluß durch Erfassen einer
Veränderung im Sensor-Ausgangssignal aufzudecken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt den Aufbau eines herkömmlichen
thermischen Durchflußmessers;
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Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild des in
Fig. 1 dargestellten herkömmlichen
thermischen Durchflußmessers;
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Fig. 3 zeigt eine Kurve der
Durchfluß-Ausgangssignal-Charakteristik eines herkömmlichen
thermischen Durchflußmessers;
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Fig. 4 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen
thermischen Durchflußmessers;
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Fig. 5 zeigt ein schematisches Schaltbild des in
Fig. 4 gezeigten thermischen
Durchflußmessers;
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Fig. 6 zeigt eine Kurve der
Durchfluß-Ausgangssignal-Charakteristik des
erfindungsgemäßen thermischen Durchflußmessers.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Fig. 1 zeigt den Aufbau eines herkömmlichen thermischen
Durchflußmessers. in Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 11 ein
wärmeleitfähiges Strömungsrohr kleinen Durchmessers, das
gewöhnlich aus rostfreiem Stahl besteht, gekennzeichnet, durch
welches ein zu messendes Fluid in der durch einen Pfeil
angezeigten Richtung fließt. Das Strömungsrohr 11 besitzt ein
stromaufwärts liegendes Temperatur-Fühlelement 21 und ein
stromabwärts liegendes Temperatur-Fühlelement 31, die aus
Nickellegierung oder Platin hergestellte, wärmeempfindliche
Widerstandsdrähte S&sub1;&sub1; und S&sub1;&sub2; sind. Die beiden
Widerstandsdrähte sind um das Strömungsrohr gewickelt und in einem
bestimmten Abstand voneinander so angeordnet, daß zwischen
ihnen keine thermische Beeinflussung auftreten kann. Der
Widerstand S&sub1;&sub1; des stromaufwärts liegenden Temperatur-Fühlelements
21 entspricht einem Wert, der ungefähr eine Größenordnung
höher liegt als der Widerstand S&sub1;&sub2; des stromabwärts liegenden
Temperatur-Fühlelements 31. Daher wird dem stromabwärts
liegenden Temperatur-Fühlelement 31 ein größerer Strom zum
Erwärmen des Fluids zugeführt.
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Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild des oben
beschriebenen, herkömmlichen thermischen Durchflußmessers. Die
Widerstände S&sub1;&sub1; und S&sub1;&sub2; sind aktive Widerstände, die zwei Arme
einer Brückenschaltung bilden, Anschlußteile 19, 19&sub1; und ein
geerdetes Ende 172 besitzen. Die Brückenschaltung schließt
weitere Widerstände R&sub1;&sub1;, R&sub1;&sub2; und R&sub1;&sub3; ein. Der Widerstand R&sub1;&sub3;
besitzt einen Wert, der dem stromaufwärts liegenden
Temperatur-Fühlelement 31 eine bestimmte Temperaturdifferenz bezüglich
des stromabwärts liegenden Temperatur-Fühlelements 21
verleiht. Die Brückenschaltung besteht aus einer Verbindung der
in Reihe geschalteten Widerstände R&sub1;&sub1;, R&sub1;&sub3;, S&sub1;&sub1; und der in
Reihe geschalteten Widerstände R&sub1;&sub2;, S&sub1;&sub2;. Die Anschlußteile 19
und 19&sub1; sind an einen invertierenden Eingangsschaltkreis bzw.
einen nicht-invertierenden Eingangsschaltkreis eines
Verstärkers 15 angeschlossen. Das Bezugszeichen 16 kennzeichnet
einen NPN-Transistor, dessen Kollektor mit dem Anschluß 17,
dessen Emitter mit dem spannungsquellenseitigen Anschlußpunkt
17&sub1; der Brückenschaltung und dessen Basis mit der
Ausgangsseite des Verstärkers 15 verbunden ist. Auf der Basis der
Spannung an dem Anschlußpunkt 19 wird ein der
Massen-Durchflußgeschwindigkeit proportionales Sensorsignal erzeugt und
über einen Anschluß 193 abgegeben. Der oben beschriebene
Schaltkreis dient dazu, einen Teil des Signals an den
Verstärker 15 und den Transistor 16 zuzurückzukoppeln, so daß
die Potentialdifferenz zwischen den Anschlußteilen 19 und 19&sub1;
ungefähr Null wird, womit die Temperaturdifferenz zwischen
dem stromaufwärts liegenden Temperatur-Fühlelement 21 und dem
stromabwärts liegenden Temperatur-Fühlelement 31 entsprechend
dem Widerstand R&sub1;&sub3; auf konstantem Niveau gehalten werden kann.
Da die Spannung an beiden Anschlüssen des Widerstands S&sub1;&sub2;
proportional der zur Erwärmung des Fluidstroms verwendeten Wärme
ist, um eine konstante Temperaturdifferenz zu erhalten,
besteht eine Beziehung zwischen dem Sensor-Ausgangssignal am
Anschluß 193 und dem Massendurchfluß des Fluids.
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Fig. 3 zeigt eine charakteristische Kurve, die eine
nicht-lineare Beziehung zwischen der Durchflußgeschwindigkeit und dem
ensor-Ausgangssignal bei einem herkömmlichen thermischen
Durchflußmesser darstellt.
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in Fig. 3 ist eine charakteristische, den Zusammenhang
zwischen Durchflußgeschwindigkeit und Sensor-Ausgangssignal
darstellende Kurve gezeigt, die eine kleine Steigung und einen
Wendepunkt in dem kleinen Durchflußbereich aufweist, in
welchem sich die Durchflußgeschwindigkeit Null nähert, wodurch
sich die verringerte Empfindlichkeit des
Sensor-Ausgangssignals in diesem Bereich andeutet. Dies kann wie folgt erklärt
werden: Während dem stromabwärts liegenden
Temperatur-Fühlelement 31 Strom zugeführt wird, um die Temperaturdifferenz
zum stromaufwärts liegenden Temperatur-Fühlelement 21 auf
einem konstanten Wert zu halten, fällt mit abnehmender
Durchflußgeschwindigkeit des Fluids die durch den Fluidstrom
übertragene Wärme ab, was dazu führt, daß die Temperatur im
stromabwärts liegenden Bereich ansteigt, dadurch das Erwärmen
infolge des durch den Widerstand S&sub1;&sub2; fließenden Stromes
zunimmt und zur gleichen Zeit auch die Temperatur im
stromaufwärts liegenden Bereich des Strömungsrohrs durch Wärmeleitung
von dem stromabwärts liegenden Temperatur-Fühlelement 31
erhöht wird. Als Folge davon wurde das Fluid, das in den
Rohrabschnitt
fließt, welcher durch das stromabwärts liegende
Temperatur-Fühlelement 31 erwärmt wird, durch Wärmeleitung
beeinflußt und die Heizleistung des stromabwärts liegenden
Temperatur-Fühlelements 31 wird verringert, was dazu führt,
daß die Temperaturänderung des stromabwärts liegenden
Temperatur-Fühlelements 31 infolge der Wärmeübertragung von diesem
Element 31 auf den Fluidstrom verringert wird.
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Angesichts des oben Gesagten wurde die vorliegende Erfindung
getätigt, um einen thermischen Durchflußmesser zu schaffen,
der auch im Bereich kleiner Durchflußmessungen
hochempfindlich ist, also in der Lage ist, ein hohes
Sensor-Ausgangssignal über den gesamten Bereich der Durchflußmessung ohne
Wendepunkt zu liefern, und welcher ein wärmeleitfähiges
Strömungsrohr, das mit einem stromaufwärts und einem stromabwärts
liegenden Temperatur-Fühlelement versehen ist, die
Widerstandsdrähte aufweisen, die um das Rohr in einem bestimmten
Abstand zueinander gewickelt sind, um sicherzustellen, daß
zwischen ihnen keine thermische Beeinflussung stattfindet,
sowie Steuermittel zum Steuern einer Brückenschaltung
besitzt, die jeweils eine geerdete Stelle an dem einen Ende und
eine Anschlußstelle an dem anderen Ende jedes der Temperatur-
Fühlelemente aufweist, um die Temperaturdifferenz zwischen
dem stromaufwärts und dem stromabwärts liegenden Temperatur-
Fühlelement auf konstantem Niveau zu halten und den
Massenfluß des Fluids aus dem an der Anschlußstelle des
stromabwärts liegenden Temperatur-Meßelements gemessenen
Spannungswert zu bestimmen, und welcher weiterhin einen zusätzlichen,
in seiner Temperatur einstellbaren Heizkörper besitzt, der
von der stromabwärts liegenden Seite her nahe dem
stromabwärts liegenden Temperatur-Fühlelements auf dem Strömungsrohr
angeordnet ist.
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Fig. 4 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen thermischen
Durchflußmessers. in Fig. 4 bezeichnet 1 ein wärmeleitfähiges
Strömungsrohr, welches gewöhnlich ein aus rostfreiem Stahl
hergestelltes Rohr kleinen Durchmessers ist, 2 bezeichnet ein
stromaufwärts liegendes Temperatur-Fühlelement, welches aus
einem aus Nickellegierung oder Platin hergestellten,
wärmeempfindlichen, dünnen Draht besteht, der als ein Widerstand
S&sub1; wirkt und um den stromaufwärts liegenden Bereich des
Strömungsrohrs 1 gewickelt ist. 3 bezeichnet ein stromabwärts
liegendes Temperatur-Fühlelement, das ein aus Nickellegierung
oder Platin hergestellter, wärmeempfindlicher, dünner Draht
ist, welcher als ein Widerstand S&sub2; wirkt und um den
stromabwärts liegenden Bereich des Strömungsrohrs 1 gewickelt ist,
wobei er von dem stromaufwärts liegenden
Temperatur-Fühlelement 2 durch einen ausreichenden Abstand getrennt ist, um
sicherzustellen, daß keine thermische Beeinflussung des
stromaufwärts liegenden Elements 2 stattfindet. 4 bezeichnet
einen zusätzlichen Heizkörper, der aus einem
wärmeempfindlichen, dünnen Draht besteht, als ein Widerstand H wirkt und an
der stromabwärts liegenden Seite in der Nähe des stromabwärts
liegenden Temperatur-Fühlelements 3 um das Strömungsrohr
gewickelt ist. Der Widerstand S&sub1; des stromaufwärts liegenden
Temperatur-Fühlelements liegt ungefähr eine Größenordnung
höher als der Widerstand S&sub2; des stromabwärts liegenden
Temperatur-Fühlelements 2, und demzufolge kann der meiste
elektrische Strom zum Erwärmen des Fluids durch das stromabwärts
liegende Temperatur-Fühlelement 3 fließen.
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ln Fig. 5 ist ein schematisches Schaltbild des
erfindungsgemäßen, thermischen Durchflußmessers gezeigt, in welchem die
Widerstände S&sub1; und S&sub2; an einem Ende mit einer geerdeten Stelle
72 und am anderen Ende mit einer Reihe von Widerständen R&sub3;, R&sub1;
(für den Widerstand S&sub1;) bzw. einem Widerstand R&sub2; (für den
Widerstand S&sub2;) verbunden sind, wodurch eine Brückenschaltung
entsteht, in deren Armen die Widerstände R&sub1;, R&sub3; und S&sub1; bzw. R&sub2;
und S&sub2; enthalten sind, wobei die Widerstände S&sub1; und S&sub2; als
aktive Widerstände verwendet werden. Diese Widerstände dienen
dazu, dem stromabwärts liegenden Temperatur-Fühlelement 3 in
bezug auf das stromaufwärts liegende Temperatur-Fühlelement 2
eine konstante Temperaturdifferenz zu verleihen. Ein
Verstärker 5 besitzt zwei Eingangsanschlüsse 9 und 9&sub1;, die einen
invertierenden bzw. einen nicht-invertierenden Eingang
darstellen. Ein NPN-Transistor 6 besitzt einen Kollektor, der mit
einem Stromversorgungsanschluß 7 verbunden ist, einen
Emitter, der mit einem Anschlußpunkt 7&sub1; der Stromquelle an der
Brückenschaltung verbunden ist, und eine Basis, die an die
Ausgangsseite des Verstärkers 5 angeschlossen ist. Zum
Einstellen des dem zusätzlichen Heizkörper 4 zugeführten
Heizstromes wird ein Regelwiderstand VR verwendet, der an einen
Anschluß 8 für die Heizstromversorgung angeschlossen ist. Ein
Sensor-Ausgangsanschluß 10 ist zum Abgreifen eines Wertes an
dem Anschlußteil 9 vorgesehen. Dieser Wert repräsentiert den
Massendurchfluß, der proportional dem elektrischen Strom zum
Beheizen des stromabwärts liegenden Temperatur-Fühlelements
ist. Wie aus dem oben beschriebenen Schaltbild ersichtlich
ist, wird entsprechend dem Widerstand R&sub3; eine
Temperaturdifferenz zwischen dem stromaufwärts liegenden
Temperatur-Fühlelement 2 und dem stromabwärts liegenden
Temperatur-Fühlelement 3 durch Steuern des Transistors in solcher Weise auf
einem konstanten Wert gehalten, daß die Eingangsspannungen des
Verstärkers 5 über die Anschlußpunkte 9 und 9&sub1; der
Brückenschaltung nahezu gleich zueinander sein können, und weiterhin
kann, wenn die Durchflußgeschwindigkeit klein und nahe Null
ist, d. h. in einem kleinen Bereich der Druchflußmessung, der
Regelwiderstand zum Einstellen der Heizleistung des
zusätzlichen Heizkörpers 4 verwendet werden, so daß das
Sensor-Ausgangssignal auf das Minimum verringert wird. Das Beheizen des
zusätzlichen Heizkörpers 4 verringert die dem stromabwärts
liegenden Temperatur-Fühlelement 3 zugeführte elektrische
Leistung, d. h. der stromaufwärts liegende Teil des
stromabwärtsseitigen Temperatur-Fühlelements 3 auf dem Strömungsrohr
wird nicht beheizt, wodurch die Möglichkeit des
Temperaturanstiegs
am Element 3 infolge der von der stromaufwärts
liegenden Seite bei einer kleinen Durchflußgeschwindigkeit
übertragenen Wärme ausgeschlossen wird und im Gegenteil die
Temperatur des Elements 3 wegen der Wärmeaufnahme des fließenden
Fluids verringert wird. In einem solchen Zustand wirkt die
Brückenschaltung steigernd auf den zuzuführenden elektrischen
Strom, uni dadurch den Sensor-Ausgang zu erhöhen.
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Fig. 6 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Durchfluß und dem
Sensor-Ausgang eines erfindungsgemäßen, thermischen
Durchflußmessers. Die erhaltene Kennlinie zeigt, daß der Ausgang
gleichmäßig und kontinuierlich (ohne Wendepunkt) ansteigt,
wenn der Durchfluß des Fluids wächst.
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Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen zusätzlichen
Heizkörpers 4 wird es auch möglich, einen umgekehrten Fluß des
Fluids zu erfassen. Wenn nämlich das Fluid in umgekehrter
Richtung fließt, wird die durch den zusätzlichen Heizkörper
4, der in Fig. 4 gezeigt ist, erzeugte Wärme auf das
stromabwärts liegende Temperatur-Fühlelement 3 übertragen, wodurch
die Temperatur des Elements 3 ansteigt und die
Eingangsspannung der Brückenschaltung durch die ausgleichende Wirkung der
Schaltung herabgesetzt wird. Dadurch wird das
Sensor-Ausgangssignal verkleinert. Der umgekehrt Fluß des Fluids kann
durch Erfassen einer Anderung in dem Sensor-Ausgangssignal
ermittelt werden.
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Wie aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich wird, dient
der erfindungsgemäße thermische Durchflußmesser dazu, ein
Ausgangssignal zu erhalten, das charakteristischerweise
kontinuierlich über den Bereich von einem kleineren zu einem
größeren Durchfluß ansteigt, mit einer bemerkenswerten
Verbesserung im Bereich kleinen Durchflusses. Dementsprechend
kann die Messung des Durchflußbereichs effektiv erweitert
werden, und die Korrektur für die Linearität wird
vereinfacht.
Bei dem erfindungsgemäßen thermischen Durchflußmesser
wird außerdem durch den Einsatz solch einfacher Mittel, wie
einer zusätzlichen Heizung mit einem um das Strömungsrohr
gewickelten Draht das Ermitteln eines umgekehrten Flusses durch
Erfassen einer Veränderung im Sensor-Ausgangssignal
ermöglicht.