DE7245666U - Kalorimetrischer Strömungsmesser - Google Patents

Description

PATENTANWALT WELMUT GÖRTZ

6 Frankfurt am Main 70
r. 27-M.617079

y* liuij. Vy ff Gzs/ρη

Ingenieurbüro Meinhardt & Kluge, 6096 Eaunheim,

Heinrich-Heine~3traße

Kalorimetrischer Strömungsmesser

Die Neuerung betrifft einen kalorimetrischen Strömungsmesser mit zv/ei in der zu überT»"achenden Strörrrng eiiius iiecliuiii:; angeordneten temperaturabhängigen Mesüv/iderstäüdon. die in einer elektrischen Brückenschaltung angeordnet sind, wobei dem einen Messwiderstand Wärmeenergie zugeführt ν;.Irti.

Aus der DT-OS 1 698 053 ist ein kalorimetrischer Strömungswächter bekannt, der mittels zweier in der Strömung angeordneter temperaturabhängiger Widerstände (Widerstände mit negativem oder positivem Temperaturkoeffizienten, NTC bzw. PTC) arbeitet. Die Wider stände sind in einer B. ückenanox-dnung geschaltet, wobei die Brückenspannung über einen Transistorverstärker ein Signal abgibt, wenn ein bestimmter Stromun^swert überschritten wird. Einer der beiden Messwiderstände wird durch einen erhöhten Brückenzweigstrom direkt beheizt.

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stand auf deren Temperatur gebracht, während der beheizte Widerstand um einen von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Wert abgekühlt -.vird. Der noch vorhandene Temperaturunterschied zwischen den beiden Widerständen ergibt die Brückenmessspannung.

Line solche Anordnung kann auch dazu verwendet werden, oir.e Druckmessung vorzunehmen, indem die druckabhängige Austrittsströmungsgeschwindigkeit von z.B. Druckluft gemessen wird (DT-OS 1 947 211).

Nachteilig ist bei diesen bekannten Einrichtungen, daß bei direkter Beheizung der Messwiderstünde diesen nur eine geringe V/ürmuönOi'i^iö iöügö iüliit wBi'Clon liäTi'ü _t uü SiG HUI" C-iHG begrenzte Verlustleistung ertragen, ohne durchzubrennen. Infolgedessen ist nur ein sehr kleine*- Messbereich ku erfassen,, da bei höherer Strömungsgeschwindigkeit der beheizte Widerstand praktisch auf die Temperatur des Mediums abgekühlt, wird und kein messbarer Unterschied zur Temperatur des unbeheizten Widerstandes mehr vorhanden ist. Diese Einrichtungen erlauben daher im wesentlichen nur die Feststellung:, daß ein bestimmter (kleiner) Strömungswert überschritten ist oder nicht; sie dienen also als Schwellwertschalter.

Von Rachteil ist außerdem, daß die verwendeten Messwiderstände in Glaskörpern gefasst und so direkt dem Medium ausgesetzt

/oder sind. Da die zu überwachenden flüssigen / gasförmigen Medien oft harte Bestandteile anderer Stoffe mit sich führen - z.B. beim Transport von Pulver oder Granulat mittels

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Druckluft - sind diese Glaskörper und somit Ίΐβ stände einer harten mechanischen Belastung unterworfen, durch die sie meist zerstört v/erden. Das gilt insbesondere für hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Auch bei hohen Umgebungsdrücken werden derartige glasgefasste Messwiderstände zerstört. Derartige Drücke (100 bis 400 atü) treten beispielsweise in Schraicriidttelkreisläufen auf.

Ferner ändern direkt beheizte NTC-Widerstände durch die hohe elektrische Belastung ständig die Stromverteilung im Messkristall, was zu laufender Änderung des V/iderstandswertes führt.

Es ist Aufgabe der !federung einen kalorimetrischen Strömung: messer zu schaffen, dor auch fl'r rauhe Betriebsbedingungen geeignet ist und zu-dem es ermöglicht., einen weiten Strömungsmessoeroich zu erfassen.

Die Aufgabe wird neuerungegemäß dadurch gelöst, daß die Wärmeenergie diesem Messwiderstand über eine vom Mess-

/konstante widerstand elektrisch unabhängige'Wärmequelle zugeführt wird, und daß Wärmequelle und Messwiderstand in einem gemeinsamen Schutzgehäuse untergebracht sind. Das hat den Vorteil, daß die Wärmequelle eine wesentlich höhere Wärmeleistung liefern kann und daß damit auch hohe Strömungsgeschwindigkeiten und/oder stark wärmeableitende Medien gemessen werden können. Ein weiterer Vorteil ist die Beständigkeit der Anordnung gegen rauhen Betrieb.

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Besonders einfach ist die Heizung zu betreiben, wenn geiaäß einer günstigen Ausführungsform die Wärmequelle eine elektrische Heizeinrichtung ist, die mit dem Messwiderstand in dem gemeinsamen Gehäuse derart angeordnet ist₁₍ daß eine gute Wärmeleitung zwischen Medium, Wärmequelle und Messv/iderstand gegeben ist.

Der Messbereich wird besonders groß, wenn gemäß einer anderen · vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung die Wärmeleistung der Wärmequelle zur Einstellung des Strömungsmossbereiches

und zur Anpassung an das Medium veränderbar, jedoch während des Meßvorgangs konstant ist.

Eine bequeme und einfache Montage ergibt si<^u, wenn nach | einer anderen Weiterbildung die beiden Messwiderstände auf ! einem gemr-einsamen Sockel angeordnet sind.

Das Verhalten der Anordnung gegenüber insbesondere sprunghaften Temperaturveränderungen wird verbessert_? wenn nach einer anderen Weiterbildung der Neuerung der nicht beheizte

/massegleichen Messwiderstand ebenfalls mit einer Heizeinrichtung versehen ist, die aber nicht betrieben wird.

Besonders hohe Ansprechempfindlichkeit und -geschwindigkeit ergeben sich nach einer anderen Ausführungsform der Neuerung dadurch, daß das Gehäuse ein Metallgehäuse ist, daß die Heizeinrichtung aus einer auf einem Metallrohr gewickelten Heizdrahtspirale besteht, daß der Messwiderstand mit dem freien Ende des Metallrohres verbunden ist und daß die Zwischenräume im Gehäuse mit einem elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigem Füllmaterial angefüllt sind.

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Günstiges Meßverhalten und eine kurze Ansprechzeit werden erreicht, v/cnn das Gehäuse zylindrisch ist und einen Durchmesser von 2 - 5 mm und eine Länge von 5-20 ip.m aufweist.

Die Messanordnung wird besonders unenipfiudlicL gegenüber Fremdspannungen - insbesondere bei Fernüberwachung - wenn nach noch einer anderen Ausführungsform der Brückenschaltunii der Messwiderstände ein Verstärker nachgeschaltet ist, der mit den MesswiUerständen eine Einheit in Form eines Messkopfes bildet.

V/eitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmög] i chkeiten der Neuerung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus «V r folgenden Beschreibung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines orfindungsgemäßen kalorimetrischen Strömim^smeasers,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Messfühlerelercent^s gemäß einer Ausführungsform der Neuerung

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Messfühlerelementes gejnäß einer anderen Ausführungsforra der Neuerung mit nachgeschaltetem Messignalverstärker, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer besonders günstigen Anordnung der Meßfühler in einem Rohr.

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In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiei wird die in einem Rohr 1 von rechts nach links fließende Luftströmung gemessen. Natürlich kann das strömende Medium 2 auch ein anderes Gas oder eine Flüssigkeit sein und im Gas oder in der Flüssigkeit können auch feste Körper mitgeführt werden, z.B. Pulver oder Granulat.

Zwei Messfühler 3, 4 sind innerhalb der Strömung 2 angeordnet. Ihr Abstand sollte mindestens so groß sein, daß kein \vesent-] i eher Wärmefluss von dem einen Fühler 3 zum anderen Fühler 4, z.B. durch Wärmestrahlung oder Wärmeleitung, stattfinden kann. Andererseits seilte ihr Abstand auch nicht so groß gemacht werden, daß sich unterschiedliche Strönmngs- oder sonstige Urngebungsverhältnisse ergeben. Meistens v;ird es zweckmäßig sein, beide Fühler 3, 4 nuf einem Sockel (nicht gezeigt) zu vereinigen und durch eine öffnung im Rohr 1 einzuführen und z.B. mittels Schraubgewinde (nicht gezeigt) zu befestigen.

Besonders günstig ist eine Anordnung, bei der die Verbindungslinie zwischen den Fühlern 3, 4 senkrecht zur Strömungsrichtung liegt (Fig. 4).

Die Messfühler 3, 4 besitzen im wesentlichen identische Widerstände 5, 6, deren Widerstandswert temperaturabhängig ist. Die Widerstände 5, 6 sind mit v/eiteren Widerständen EU einer Messbrücke gescha'tet, die durch eine Einstelleinrichtung an einem der weiteren Widerstände 8 so abgeglichen werden kann, daß die Brücke unter bestimmten Bedingungen (z.B. bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit) abgeglichen ist. Die Brücke wird durch eine Brückenspeisung mit Gleich- oder Wechselspannung versorgt, während die j

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Brückenspaunung einein Verstärker 10 mit nachgeschalteten Messinstrument zugeführt wird. Falls ausreichende Brückenspannung zur Verfügung steht, kann ein Messgerät auch ohne Verstärker verwendet ΛνβιαΘη. Die Brückenspannung kann natürlich auch dazu verwendet werden, irgendwelche Reüais zu betätigen oder z.B. auch als Regelgröße der Durchflußgeschv/in digkcit. Die Ströme duich die Widerstände 5, 0 in den Fühlern sollten jedoch so klein bleiben, daß keine mcrkliclie Erwärmung auftritt.

Für einen Fühler ist außerdem eine Wärmequelle 12 vorgesehen, die 1 ier aus einer oberhalb des Fühlcsrwiderstatjcjes angeordneten Hoizv/Cndel besteht, die mittels einer Ileizstrojnquexle 13 einstellbar betrieben wird. V/ärmequellc 3.2 und Fühler-widerstand 5 sine! in einer gemeinsamen SchutEumhüllung 14 un^ei-^ebracht. Die Wärmequelle 12 muß in gut wärmeleitender Verbindung sowohl mit dem zu messendun Medium 2 als auch mit dem Fühlerwiderstand 5 stehen. Das Schutzgehäuse H sollte also dünnwandig und aus gut wärmeleitendem Material bestehen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Messfühlers. Auf einem Metallrohr oder -stab 20 zur Wärmeleitung zum Messwiderstand 5 ist eine Widerstandsheizung 12 angeordnet. Am Ende des Metallrohrerj 20 ist in direktem Kontakt der Messwiderstand (NTC-Y/iderstand) montiert. Widerstandsheizung 12 und Messwiderstand 5 sind von einem Metallschutzgehäuse H umgeben, die an einem Ende.offen ist, um die Zuleitungsdrähte 22, 24 für Messwiderstand 5 und Widerstandsheizung 12

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herausführen zu können. Die Zwischenräume innerhalb des Schutzgehäuses 14 sind mit einem elektrisch isolierenden, aber '.αϊ wärmeleitendem Füllmaterial 26 angefüllt· Durch diese Anordnung ist ein schneller Wärmeaustausch zwischen Wärmequelle, zu überwachendem oder zu messendem Medium und Messfühler sichergestellt. In einer praktischen Au.s führungsforia betrug der Durchmesser d der Hülse 3 4 mm und ihre Länge 1 10 - 12 mm.

Die Wärmequelle kann in ihrer Leistungsabgabe der maximal zu messenden Strömungsgeschwindigkeit sowie dem Medium angepasst werden. Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit erfordert auch höhere Leistung. Ebenso erfordert ein I.iediuiri mit hoher Wärmeablextfähigkeit (z.B. Wasser) eine höhere Leistung als ein Medium mit niedriger Wärrieatieitfähigkeit (z.B. Luft). Die von der Wärmequelle m?xi:.ial lieferbare Wärmeleistung muß mindestens so groß sein, wie die bei maximal zu messender Strömungsgeschwindigkeit und noch messbarer Temperaturdifferenz abgeführte V/ärmeleistun

g.

Um auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten noch geringe Veränderungen in der Geschwindigkeit messen zu können, sollte zwischen Wärmequelle und Medium ein möglichst kleiner Wärmeübergangswiderstand liegen. Erreicht wird dies durch die Füllmasse 26, die das Schutzgehäuse 14 des Fühlers und die Widerstandsheizung 12 direkt "berührt.

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Die gesamte Anordnung des Messfühlers sollte andererseits eine möglichst kleine Wärmekapazität haben, um auch schnelle Veränderungen der Strömung noch erfassen zu können. Der Wärmefühler muß also möglichst klein gemacht werden. Der nicht beheizte Messfühler 4 soll möglichst identisch aufgebaut sein und insbesondere gleiche Yiürmekapazität und Wärmeleitfähigkeit zwischen Messelement und Medium haben, wie der beheizte Messfühler 4. Wenn das nicht beachtet v.v.rd, ergeben sich während einer TeKperaturänderung des Mediums Abweichungen. Zweckraäßigerwoise wird man also auch für den nicht beheizten Messfühler einen Messfühler mit der gleichen Iieiz-Vvicklung verwenden, diese aber üicht an eine Stromquelle i often.

Das Metallschutzgehäuse schützt Heizwicklung und Messwiderstand vor mechanischen Beschädigungen. Bei Verwendung von V4A-Stahl ist der Messfühler nahezu "bei allen agreseiven Medien anwendbar, ohne daß Materialfraß entsteht.

Bei besonders hohen Anforderungen an die Messempfindlichkeit wird man das Schutzgehäuse des Messfühlers jedoch aus einem besonders gut wärmeleitenden Material herstellen, wie z»B, Kupier, Edelmetall oder besondere Legierungen. In den |

meisten Fällen ist jedoch die Wärmeleitfähigkeit von Stahl ausreichend.

Werden beide Messfühler 4, 5 auf einem Sockel montiert, muß darauf geachtet werden, daß zwar beim beheizten Messfühler ein schneller V/ärmeaustausch zwischen Wärmequelle, Medium

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und Messwiderstand erfolgen kann, daß aber andererseits der Wärmeübergang zum zweiten unbeheizten Messfühler möglichst unterbunden wird, z.B. durch gute Wärmeisolation und ausreichendem Abstand.

Fig. 3 zeigt eine andere Aueführungsform der Erfindting, die besonders für Fernmessung geeignet ist. Wie aus der Figur zu erkennen ist, ragt hier im wesentlichen nur die Widerstandsheizung i2 mit dem Wärmeleitrohr 20 und Schutzgehäuse 14 in das Medium hinein. Dadurch kann u.U. die Wärmekapazität und damit di^: Trägheit der Messanordnung verkleinert werden, da Füllmaterial und umhüllung für den Bereich des Messwiderstandes entfallen bzw. wärmemäßig vom Messwiderstand isoliert sind. Die beiden Messfühler sind in Isoliermaterial 26 eingesetzt, das wiederum vom Messkopf 28 gehalten wird. In den Messkopf ist auch ein Miniaturverstärker 30 angeordnet, der das Brückensignal verstärkt und über eine Anschlußleitung 34 zum (analogen) Messgerät oder zu einem (digitalen) Schaltglied (nicht gezeigt) führt. Die erforderlichen Betriebsspannungen für Messbrücke, Heizung und Verstärker werden über eine Zuleitung 32 zugeführt. Mit Hilfe des Verstärkers gulingt es, das Messignal auch über große Entfernungen zu leiten, ohne daß Störspannungen das Messignal verfälschen.

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Claims (8)

S chut zansprticlre

1. Kalorimetrischer Strömungsmesser mit zwei in der zu überwachenden Strömung eines Mediums angeordneten teiaperaturabhängigen Messwiderständen, die in einer elektrischen Brückenschaltung angeordnet sind, wobei dem einen Messwiderstand Wärmeenergie zugeführt wird, dadurch gekonnzeichnet, daß die Wärmeenergie diesem Messwiderstand (5) über eine vom Messwiderstand (5) elektrisch unabhängige Wärmequelle (12) zugeführt wird, und daß Wärmequelle (12) und Messwiderstand (5) in einem gemeinsamen Schutzgehäuse (14) untergebracht sind.

2. Kalorimetrischer Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (12) eine elektrische Heizeinrichtung ist, die mit dem Messwiderstand (5) in de« gemeinsamen Gehäuse (14) derart angeordnet ist, daß eine gute Wärmeleitung zwischen Medium (2), Wärmequelle (12) und Messwiderstand (5) gegeben ist.

3. Kalorimetrischer Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleistung der Wärmequelle (12) zur Einstellung des Strömungsraessbereiches und zur Anpassung an das Medium (2) veränderbar, jedoch während der Messung konstant ist.

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4. Kalorimetrischer Strömungsmesser nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurcn gekennzeichnet, daß beide Messwiderstände (5, 6) auf einem gemeinsamen Sockel angeordnet sind.

5. Kalorimetrischer Strömungsmesser nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht beheizte Messwiderstand (6) ebenfalls mit einer Heizeinrichtung versehen ist, die aber nicht betrieben wird.

6. Kalorimetrischer Strömungsmesser nach den Ansprüchen 2 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) ein Metallge-

/einer

häuse ist, daß die Heizeinrichtung aus auf einem Metallrohr (20) gewickelten Heizdrahtspirale besteht, daß der Messwiderstand (5) mit dem freien Ende des Metallrohres (20) verbunden ist und daß die Zwischenräume im Gehäuse (14) mit einem elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigem Füllmaterial (26) angefüllt sind.

7. Kalorimetrischer Strömungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) zylindrisch ist und einen Durchmesser von 2-5 mm und eine Länge von 5 - 20 mm aufweist.

8. Kalorimetrischer Strömungsmesser nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenschaltung der Messwiderstände (5, 6) 3ia Verstärker nachgeschaltet ist, der mit den Messwiderständen eine Einheit in Form eines Mesükopfes (28) bildet.

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