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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen
durch ein Rohr fließender
Fluidströme,
wie Flüssigkeiten
und Gase, wobei diese Vorrichtung mit einer Wärmequelle arbeitet und eine
Thermosäule
aufweist zum Messen von Temperaturdifferenzen. Die gemessenen Temperaturdifferenzen
sind ein Maß des
Flusses.
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Derartige
Vorrichtungen sind allgemein bekannt. Ein Fluid strömt durch
ein die Wärme
leitendes Rohr, bei dem sich irgendwo um dasselbe herum ein Heizelement
vorgesehen ist. Dann wird die Temperaturdifferenz zwischen zwei
Stellen an der Rohrwand gemessen, und zwar auf beiden Seiten, d.
h. stromaufwärts
und stromabwärts
von dem Heizelement und in gleichen Abständen davon. Wenn das Fluid nicht
strömt,
wird die Kurve, welche die Beziehung zwischen der Temperatur und
der stelle an dem Rohr zeigt, eine im Wesentlichen lineare Beziehung
angeben und gegenüber
dem Heizelement symmetrisch sein, und folglich wird keine Temperaturdifferenz
gemessen. Es wird vorausgesetzt, dass in gleichen Abständen von
dem Heizelement auf der Vorderseite sowie auf der Rückseite
(stromaufwärts
und stromabwärts)
die Temperaturen einander gleich sind. Wenn das Fluid nicht strömt wird
die genannte Kurve stromaufwärts
gegenüber
dem Heizelement, gesehen in der Strömungsrichtung, durchhängen und stromabwärts wird
sie aufwärts
konvex sein. Die gemessene Temperaturdifferenz ist ein Maß der zu messenden
Strömung
(= Volumen oder Gewicht, das je Zeiteinheit vorbei geht).
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Zur
Steigerung der Empfindlichkeit derartiger Messungen und zum Reduzieren
des beanspruchten Raums bietet EP-A 395.126 ein Messverfahren mittels
einer U-förmig
gebogenen Rohrs, durch welches das Fluid strömt, wobei das Heizelement als
eine Spirale um den Steg des "U" liegt. Es ist dann
möglich, mit
Hilfe einer Reihe von Temperatursensoren zu messen, insbesondere
mit einer Thermosäule.
Die Anordnung der Thermosäule
erfordert, dass die Krümmung
des "U" sehr eng ist.
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Ein
Hauptnachteil der Verwendung einer derartigen Messvorrichtung ist
insbesondere, dass sie sich nur schwer reinigen lässt. Es
ist daher u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, und zwar
unter Einhaltung der von der letztgenannten Konstruktion gebotenen
Vorteile, wobei das Rohr U-förmig
gebogen ist und eine Thermosäule
zum Messen von Temperaturdifferenzen vorgesehen ist, Messungen mit einem
geraden Rohr und dadurch mit Hilfe einer leichter zu reinigenden
Vorrichtung zu ermöglichen.
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Es
wurde ebenfalls bereits vorgeschlagen – siehe beispielsweise
US 3181357 ,
12 mit
der dazu gehörigen
Beschreibung, Spalte 5, Zeilen 34–59 – ein Verfahren anzuwenden,
bei dem ein Fluid durch eine Leitung fließt, die zu einem "U" gebogen worden ist, wobei diese Leitung
zwischen den Schenkeln des "U" einen Leitungsteil
hat, durch die keine Strömung
stattfindet. Eine Temperaturdifferenz zwischen einer Stelle auf
der das Fluid transportierenden Leitung und einer Stelle auf dem
genannten Leitungsteil wird gemessen, und ist ein Maß für die je Zeiteinheit
vorbei geführte
Mediummenge.
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Obschon
die Biegung des "U" weniger eng ist,
muss die Bezugsleitung – der
Leitungsteil 88 – zunächst derart
eingestellt werden, dass wenigstens an den Stellen, an denen Messungen
durchgeführt
wurden, die Temperatur, oder die Temperaturkurve, oder aber ein
Teil davon, mit der Kurve der Fluidleitungen zusammenfällt. Eine
derartige Einstellung ist möglich durch
die Wahl der Materialien, die Wahl der Abmessungen usw.
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Ein
Nachteil eines derartigen Verfahrens ist aber, dass die Bezugsleitung – der Leitungsteil – eingestellt
werden muss.
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Die
Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung vermeidet die genannten
Nachteile. Dazu weist sie die Kennzeichen auf, wie in Anspruch 1
beansprucht.
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Im
Vergleich zu der Messung mit Hilfe des zu einem "U" gebogenen
Rohrs könnte
man sagen, dass der zweite Rohrteil des "U" nun
durch einen festen Schenkel ersetzt worden ist. Wenn durch das Rohr
Fluid in der Richtung der Wärmequelle
fließt wird
die an der Rohrwand gemessene Temperatur unveränderlich niedriger sein als
wenn das Fluid nicht strömt.
Die genannte Temperaturkurve – meisten
linear – tritt
in dem Schenkel auf; die Temperaturdifferenz zwischen diesen zwei
wird nun gemessen, und zwar mit Hilfe einer Thermosäule, die
sich zwischen dem Rohr und der Bezugsleitung befindet. Es sei bemerkt,
dass, wenn Messungen durchgeführt werden,
indem die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet
wird, die Empfindlichkeit die Hälfte
ist im Vergleich zu der Empfindlichkeit, wobei das Rohr zu einem "U" gebogen worden ist, was aus den Kurven
hervorgehen dürfte,
welche die Temperaturdifferenzen als eine Funktion des Abstandes von
der Wärmequelle
zeigen.
US 4.107.991 bezieht sich
auf ein Strömungsmessverfahren,
wobei keine Thermosäule
verwendet wird. Stattdessen hat das verwendete Rohr einen elektrischen
Widerstand, der als eine Funktion der Temperatur sich ändert. Durch das
Rohr wird Strom zum Erhitzen desselben geführt. Eine Widerstandsbrücke ist
mit dem Rohr gekoppelt für
Messwiderstandsschwankungen von Abschnitten des Rohrs (siehe Anspruch
1).
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US 4.107.991 zeigt mehrere
Leitungsformen: U-förmig
(
3); gekrümmte
(nicht gerade) (
4); α-förmig (
6 und
7).
Nur in
5 ist ein Paar gerader Leitungen
dargestellt, wobei Fluid durch nur eine derselben fließt. Dabei
gibt es keine Lehre, obschon der Zwischenraum zwischen den Leitungen
des Paares so klein gemacht werden kann, dass eine Thermosäule mit
jeder der Leitungen in thermischen Konrakt gebracht werden könnte.
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Wenn
relativ große
Ströme
gemessen werden, wie beispielsweise ein Wasserstrom von 55 × 10–6 kg/s
(200 g/Stunde) kann es von Vorteil sein, dass Wärmeleitung zwischen der Außenwand
und der Bezugsleitung, beispielsweise dadurch stattfindet, dass
wärmeleitende
Materialien und/oder Konstruktionen verwendet werden, die zwischen
den zwei vorgesehen sind.
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In
der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird die Wärme mit
Hilfe der Rohrwand dem Fluid zugeführt. An den von der Wärmequelle
angewandten Enden haben die Rohrwand und die Bezugsleitung die gleiche
Temperatur, was beispielsweise dadurch erreicht wird, die beiden
Enden zu ein und demselben die Wärme
leitenden Körper
zusammenfließen.
Sie können
auch auf einfache Art und Weise miteinander verbunden werden. Wie
oben bereits erwähnt,
ist die zwischen der Rohrwand und einer Leitung vorhandene Messvorrichtung
für die Temperatur
eine Thermosäule.
Als Wärmequelle
wird vorzugsweise eine Heizspirale verwendet.
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Zur
Förderung
der Wärmeübertragung
von der Rohrwand zu dem Fluid, ist die Anwendung einer "Einfügung" möglich. Eine
derartige Einfügung
besteht dann beispielsweise aus einem zylinderförmigen Körper mit einer Länge, die
beispielsweise der Länge
des Rohrs entspricht und mit einem Durchmesser, der kleiner ist
als der Durchmesser des Rohrs. Der Zylinder befindet sich konzentrisch
in dem Rohr und das Fluid strömt
dann als Film längs
der Innenwand des Rohrs.
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Es
sei bemerkt, dass die Empfindlichkeit der Vorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung dadurch gesteigert werden kann, dass es durch zwei (oder
mehr) parallele Rohre eine Fluidströmung gibt, wobei die Bezugsleitung
dann zwischen den genannten zwei Rohren liegt und die Temperaturdifferenzen unveränderlich
zwischen den Rohrteilen und der zentralen Leitung gemessen wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden
Fall näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 und 2 eine
schematische Darstellung bekannter Verfahren und Vorrichtungen zum Messen
von Strömungen;
und
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3 eine
Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
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In 1 fließt die Fluidströmung 1 in
der angegebenen Richtung durch das Rohr 2. Das Rohr 2 wird
mit Hilfe einer Heizspirale 3 erhitzt, wobei die erzeugte
Wärme mit
Hilfe der leitenden Wand des Rohrs 2 stromaufwärts und
stromabwärts
sich fortpflanzt.
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Wenn
durch das Rohr 2 kein Fluid strömt, ist die Temperaturkurve,
gemessen an der Rohrwand, wie durch 4 dargestellt: eine
im Wesentlichen lineare Kurve stromaufwärts und stromabwärts.
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Wenn
durch das Rohr ein Fluid strömt,
ist die Temperaturkurve, gemessen an der Rohrwand, wie durch die
Kurve 5 dargestellt: "durchhängend" (konkav) stromaufwärts und
konvex stromabwärts.
Das Ausmaß,
in dem die Temperaturkurve von der im Wesentlichen linearen Situation
abweicht, ist ein Maß für die Strömung. Wenn
beispielsweise die Temperaturen bei 6 und 7 gemessen
werden – Stellen
auf der Rohrwand, die in einem derartigen Abstand von der Wärmequelle
liegen, dass die Abweichung der Temperatur von der in der linearen
Situation wesentlich ist – ist
die auftretende Temperaturdifferenz ΔT das Maß, worauf Bezug genommen wird.
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2 zeigt,
wie mit Hilfe desselben Prinzips wie das nach 1,
eine Strömung
gemessen werden kann, folglich mit einer viel geringeren Raumbeanspruchung.
Das Rohr 8, durch das der Fluidstrom 9 hindurch
fließt,
ist vergleichbar mit dem Rohr 2 nach 1,
diesmal zu einem "U" gebogen. Der wärmeleitende
Körper 10 sorgt
dafür,
dass die Temperaturen der Rohrenden, die den Enden der Schenkel des "U" entsprechen, einander gleich sind. 11 ist
eine Thermosäule
zwischen den zwei Schenkeln des "U", mit der über die
ganze Länge
der Rohrwände
die Temperaturdifferenzen gemessen werden und in integrierter Form
präsentiert
werden können.
Die Stromaufwärts-
und die Stromabwärtstemperaturkurven
sind durch 12 bzw. 13 bezeichnet; im Falle einer integrierten
Messung mit Hilfe einer Thermosäule 11 ist
die Oberfläche 14 zwischen
den Kurven 12 und 13 das gewünschte Maß des Fluidstroms.
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Die
Vorrichtung nach 3 – eine Vorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung – ermöglicht das
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung. Auch in diesem Fall gibt
es wieder einen Fluidstrom 15, der durch ein Rohr 16 mit
einer leitenden Wand 17 fließt. Bei 18 wird das
Rohr 16, und dadurch das Fluid, erhitzt. Mit Hilfe der
Thermosäule 19 wird
die Temperaturdifferenz zwischen der Rohrwand 17 und einem
festen Bezugsschenkel 20 gemessen. Der genannte Schenkel 20 erstreckt
sich zwischen dem erhitzten Teil 18 des Rohrs 16 und
der Stelle 21, wo das Rohr 16 und der Schenkel 20 miteinander
in Wärmekontakt
sind. Auf gleiche Weise wie in 2 angegeben,
ist die Größe der Oberfläche 22 – die Temperaturdifferenz
zwischen der Rohrwand 17 und dem Bezugsschenkel 20 – über die
ganze Länge,
an der zwischen den beiden eine Temperaturdifferenz auftritt, integriert.
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Ein
Vergleich der genannten Oberfläche 22 mit
der Oberfläche 14,
wie in 2 angegeben, zeigt, dass die Messempfindlichkeit
die Hälfte
beträgt,
wenn Messungen nur an einer Seite der Wärmequelle an dem Strom durchgeführt werden.
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Die
Oberfläche 22 und
folglich das zu messende Signal nimmt mit einem zunehmenden Fluidstrom
nacheinander zu. Außerdem
ist das genannte Signal von der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur
an der Stelle, wo die Wärmequelle
liegt und der Temperatur an der Stelle, wo Rohrwand und Bezugsschenkel
eine gleiche Temperatur haben: dem Messbereich, abhängig.