DE8511911U1 - Meßfühler - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler zur elektrischen Erfassung von Wärmeverlusten des MeOsystems in einem strömenden Medium, gefertigt aus einem in eine Wandung einschraubbaren Meßgehäuse, welches einen einteilig stirnseitig in die Strömung hineinragenden Meßtei.l aufweist, dessen Funktion auf einer Tempe raturmessung beruht, wobei ein Temperaturmeßelement die Mediumstemperatur, das andere Element die Temperatur des durch eine Wärmequelle aufgeheizten Mediums mißt und bei welchem die Meßelemente mit Wärmequelle innerhalb des Meßteils angeordnet sind.

Der eingangs beschriebene MeGfühlfir wird u.a. aiinh in sogenannten kalorimetrischen Strömungswächtern angewendet, wie sie z.B. in den Schriften DE 2447617, DE-OS 4016758 oder DE-OS 3105876 niedergelegt sind. Diese bekannten Lösungen der Wärmetransportmessung gehen davon aus, daß die für dieses Meßprinzip erforderliche Differenztemperaturmessung auch die Anwendung von zwei einzelnen Meßstiften erfordert. Durch diese Systemtrennung soll verhindert werden, daß eine Verfälschung der Vergleichstemperatur durch Wärmeübertritt aus dem beheizten in das unbeheizte System auftritt. Diese Auffassung führt konsequent dazu, daß zwei Meßstifte oder in Glasstäbe eingeschmolzene Meßwiderstände gleicher Wärmekapazität in das strömende Medium eingebracht werden. Ein Stift wird zusätzlich direkt oder indirekt beheizt. Um den Wärmeübergang am Ort der Stiftbefestigung am Meßgehäuse zu unterbinden, werden die Stifte in einem Kunststoffteil geringer Wärmeleitfähigkeit befestigt, oder es wird eine Glasdurchführung gewählt. Dieser Durchführungsteil ist seinerseits fest mit dem Meßgehäuse verbunden. Herstellungstechnisch sind diese Verfahren sehr aufwendig. Insbesondere das Bohren von zwei stirnseitigen Löchern und das Einsetzen von einzelnen Stiften in das Meßgehäuse verbietet eine einfache Automatenfertigung. Durch die Anwendung \on Kunststoff zur Systemtrennung ergeben sich zusätzlich thermische und mechanische Stabilitätsprobleme.

Eine andere Lösung dieses mechanischen Problems ist in der Schrift DE-OS 3213902 aufgezeigt. Hier wird nur ein rotationssymmetrischer Meßstift verwendet. Innerhalb dieses Meßstiftes sind übereinander in Stiftrichtung zwei Meßsysteme angeordnet. Das etirnseitige MeQ-system wird zusätzlich beheizt. Für den dynamischen Meßvorgang werden bei diesem Konzept die wirksamen Wärmekapazitäten der Heizseite und der Mediumstemperatur-Meßseite dadurch aneinander ange-

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glichen, daO das stirnseitige Meßelement innerhalb des Meßstiftes zwischen der inneren Stiftwandung und dem Heizelement in der weise verschoben ist, daß sich identische effektive Wärmekapazitäten für beide Meßsysteme ergeben. Obwohl bei diesem System das mechanische Konzept voll gelöst ist, ergeben sich Probleme, wenn sich die Temperatur des Meßmediums schnell ändert. Infolge der geometrischen Anordnung ergeben sich nämlich verschiedene Ubergangswä-rmewiderstände für beide Meßsysteme. Dies hat zur Folge, daß Fehlschaltungen auftreten, wenn das Meßmedium seine Temperatur schnell ändert.

Ziel der Erfindung war es daher, Konstruktionsparameter für einen ganzteilig aus einem homogenen Material gefertigten Meßfühler anzugeben, der die elektrische Meßfunktion auch dann aufrecht erhält, wenn sich die Temperatur des zu überwachenden Mediums sprunghaft ändert.

Die Lösung dieser Problemstellung geschieht dadurch, daß in einem ersten Schritt die Wärmeleitungs-Problemstellung auf ein elektrisches Modell übertragen wird und anschließend die mechanischen Parameter des Meßfühlers festgelegt und optimiert werden.

Abb. 6 zeigt schematisch die wärmetechnische Anordnung im Schnitt. Ein Metallkörper (61) ist von einem wärmeableitenden Medium (62) umgeben. Der Metallkörper wird in seinem Inneren an dem Ort A aufgeheizt. Es soll die Differenztemperatur zwischen den Orten A und B innerhalb des Metallkörpers bestimmt werden. Hier spielen die Wärmeübergangswiderstände eine große Rolle, die Widerstände Ri und Rj (schematisch dargestellt) beschreiben die Wärmeübertragung entlang des Netallkörpers vom Ort A zum Ort B an das umgebende. . Medium (62). Die Wärmewiderstände Rk beschreiben den Wärmetransport innerhalb des Metallkörpers von A nach B. Die Widerstände R 1 und R 2 beschreiben die Wärmekopplung der Meßsysteme selbst an das umgebende Medium. Die Übertragung dieses Schemas auf ein elektrisches Modell zeigt Abb. 7. Zu dieser Beschreibung sind in erster Näherung drei Vierpole erforderlich. Der Vierpol (ABCD) beschreibt d^s Temperatur-Meßsystem, das gleichzeitig aufgeheizt ist. Die Temperatur des den Meßfühler umgebenden Mediums ist durch die Spannungsquelle U 1 dargestellt, den Wärmeübergangswiderstand dieses Meßsystems zum Außenmedium beschreibt der

Widerstand R 1. Die Wärmekapazität dieser Meßsrvite wird durch die Kapazität des Kondensators C 1 erfaßt; Die sich über dem Kondensator C 1 ausbildende Spannung (UA) ist eine für die Auswertung wichtige GrbOe. Die MeGspannung UA wird zusätzlich beeinflußt duroh eine Spannungsquelle UH und deren Serienwiderstand RH. UH ist größer als U 1. RH ist ein veränderlicher Widerstand und beschreibt den Wärmeabtransport durch das umgebende Medium. Ist die Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Mediums gleich Null, so wird RH gleich 1 gesetzt, geht die Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Mediums gegen unendlich, so konvergiert RH gegen einen Zahlenwert, der wesentlich größer als 1 ist. Die an den Klemmen CD des Heiz-Uierpols anliegende Spannung wird über den Kopplungs-Vierpol (EFGH) übertragen. Wesentliche Merkmale dieses Vierpols sind die Längswiderstände RL, der Querwiderstand RQ und die dem Kopplungs-Vierpol eigene Wärmekapazität CQ. Der Vierpol der Mediumstemperaturmeßseite (IJKL) weist einen identischen Aufbau wie der Vierpol (ABCD) auf, jedoch fehlt hier die zusätzliche Heizquelle, dargestellt durch die Spannungsquelle UH. Bei diesem Vierpol stellt U 2 die Temperatur des umgebenden Mediums dar.

Anhand dieses elektrischen Modells kann die Funktion der eingangs beschriebenen kalorimetrischen Strömungswächter einfach beschrieben werden. Für die übliche Zweistifttechnik kann der Übertragungs-Vierpol vernachlässigt werden, d.h. RL ist sehr groß, RQ sehr klein. Die Spannungen U 1 und U Z können gleich gesetzt werden, weil beide Stifte in das identische Medium hineinragen. Die gewünschte Differenzspannung UA minus UB ist dann völlig unabhängig von schnellen Temperaturänderungen des Umgebungsmediums entsprechend einer schnellen Spannungsänderung U 1, U 2, wenn gilt: R 1 = R 2 und Cl= C 2. Die Zweistifttechnik kann daher optimal ausgelegt werden. Die wesentliche, oben beschriebene Stabilitätsbedingung, R 1 = R 2 und C 1 = C 2 kann in der Einstifttechnik nicht erreicht werden, weil der Meßstift an einer Seite immer mit dem Meßgehäuse verbunden ist, was mit einer er-

! höhten Wärmekapazität C 2 gleichzusetzen ist, auch weist diese

Seite in der Regel einen höheren Wärmeübergangswiderstand R 2 auf.

j Es ist jedoch durch konstruktive Maßnahmen möglich, im statischer. Fall R 1 und R 2 aneinander anzunähern. Für langsame Temperaturänderungen, d.h. für den stationären Zustand, spielen die Kapa-

zitäten C 1 und C 2 keine Rolle, daher ist es möglich, auch Einstift-MeOs^sterne mit einer sicheren Funktion aufzubauen. Bei schnellen Temperatursprüngon kommt es aber deshalb zu Fehlmessungen, weil sich die Spannungen über den Kondensatoren C 1 und C Z nicht gleichzeitig aufbauen können. Die Differenzspannung UA und UB ist daher nicht nur sine Funktion dos 'Wärmeabtransportwiderstandes R 4, sondern auch eine Funktiqn der Aufladezeiten der Kondensatoren C 1 und C Z.

Das gewählte elektrische Modell läßt jedoch auch noch eine weitere Problemlösung zu. Der Kopplungs-Vierpol kann beliebig symmetrisch aufgebaut sein. Für die Meßfunktion gilt dann: UA - UB = K'f (RH), wobei K kleiner als 1 ist. Dies bedeutet, daß sich bei einer solchen Anordnung eine Differenzmeßspannung ergibt, die zwar gegenüber der Doppelsätifttechnik im Absolutbetrag kleiner ist, aber wegen der Linearität des Kopplungs-Vierpols ohne Einbuße an Meßgenauigkeit elektrisch verstärkt werden kann.

Die Lehre dieser Erfindung nutzt daher die Modellerkenntnisse in der Weise, daß zwei Meßsysteme, je bestehend aus einem Temperatur-Meßelement und einem Heizelement - es wird jedoch nur ein System geheizt -, die als Einheit in Zylinderform kompakt zusammengefaßt sind, in je eine Bohrung eines Stahl- oder Kunststoffteils eingebracht werden. Die Bohrungen sind dicht an der Außenwandung des Stahlteils positioniert und rotationssymmetrisch angeordnet. Nach der Lehre dieser Erfindung kann daher der Meßfühler einteilig aus einem homogenen Material gefertigt werden und erlaubt daher eine ausschließlich spanabhebende Bearbeitung in einem Arbeitsgang. Durch eine präzise mechanische Bearbeitung des Meßfühlers können aber erst die hohen Symmetrieanforderungen, wie sie für die gestellte Aufgabe Voraussetzung sind, erfüllt werden. Nach der Lehre der Erfindung sind zwei Parameter, Homogenität (bezüglich Wärmeübergangs-Widerstand und Wärmekapazität) und Rotationssymmetrie von entscheidender Bedeutung und werden durch eine präzise mechanische Ausführung beherrscht. Durch die gewählte Konstruktion wird auch die gängige Auffassung widerlegt, daß eine metallische Verbindung in der Ebene beider Meßsysteme den Meßeffekt aufheben würde, und daß es daher erforderlich sei, zwischen beiden Meßsystemen einen Wärmewiderstand Null (weitgehende Systemtrennung, d.h. zwei Einzelfühler) oder Unendlich (Einfügen einer Wärme-

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isolationsschicht zwischen zwei Fühlern) einzufügen. Die z.S. metallische Kopplung beider MeGsysteme hat aber nach dieser Erfindung lediglich einen konstanten Einfluß auf die zur Verfügung stehende maximale Meßspannung und geht daher nur als konstanter Faktor in die Meßspannung ein. Dies kann auch durch eine einfache elektrische Verstärkung kompensiert werden. In einigen An-Wendungen ist sogar eine kleine Maximalspannung sehr erwünscht, denn ein kleiner Spannungshub ist korreliert mit einer geringeren Erwärmung des geheizten Systems. Nichtlineare Temperaturmeßfühler können aber gerade für kleine Temperaturbereiche hervorragend linearisiert werden, sodaß oft ein großer Temperaturbereich unerwünscht ist.

Im Prinzip kann jedoch auch bei diesem konstruktiven Konzept die maximal erreichbare Spannung dadurch erhöht werden, daß symmetrische Bohrungen in dem Meßfühler angebracht werden. Dies ist equivalent mit einer Vergrößerung des Kopplungsfaktors K des Kopplungs-Vierpols im elektrischen Modell.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Der Meßfühler (1) ist einteilig aus Edelstahl hergestellt. Er ist einschraubbar (16) ausgebildet. Der zylindrische Querschnitt an seinem Schraubteil geht in einen rechteckigen Querschnitt an seinem Stirnteil (4) über.Auf der großen Fläche dieses Rechteckquerschnittes ist eine Durchgangs-Langlochbohrung (15) angebracht. Im Innern des Meßfühlers sind zwei Sacklöcher randnah angebracht (2). Die Wandungsstärken des verbleibenden Gehäusematerials in der Ebene des Meßfühlers (11) ist in Länge- und Querrichtung (5) gleich, bezogen auf die Verbindungslinie beider Bohrungsmittelpunkte. In die Bohrungen sind zwei identische Meßsysteme eingebracht, die aus einer Aluminiumscheibe (6), einem Temperatur-Meßelement (7) und einer Heizspule (8) bestehen. Eine Heizspule (IZ) ist nicht heizbar. Die Resthohlräume der Bohrungen für die MeG-fühler (2) sind gießharzaufgefüllt.

Zusätzliche Ausführungsmöglichkeiten sind in den aAtnSprüchen aufgezeigt.

Claims (9)

HeQfühler ^n s ρ r ü c h e

1. MeQfühler zur elektrischen Erfassung von Wärmeverlusten in einem strömenden Medium, gefertigt aus einem in eirte Wandung einschraubbaren MeQgehäuse, welches einen einteilig, stirnseitig in eine Strömung hineinragenden Meßteil aufweist, dessen Funktion auf einer Differenztemperaturmessung beruht, wobei ein TemperaturmeQelement die Mediumstemperatur, das andere Element die Temperatur des durch eine Wärmequelle aufgeheizten Mediums mißt und bei welchem die Meßelemente mit Wärmequelle innerhalb des Meßteils angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem aus nur einem homogenen Werkstoff gefertigten MeQteil (1) zwei Sackbohrungen (2) oder Ausnehmungen angebracht sind, die an die AuQenwandung des Meßteils verlagert sind (2) und in die die TemperaturmeQelemente (7) mit Heizsystem (8) in der Weise einschiebbar sind, daß sie im MeQteil stirnseitig in einer Ebene (11) positioniert sind.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßteil voll aus Stahl oder Kunststoff gefertigt ist.

3. MeQfühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der MeQteil einen kreisförmigen Querschnitt (3) aufweist und zwei wandungsnah verlaufende Zylinderbohrungen, deren Mittelpunkte (2) auf einem Kreisradiusstrahl liegen, besitzt.

4. MeQfühler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßteil einen rechteckigen Querschnitt (4) hat, in der Weise, daß zwei Bohrungen (2) gleiche Wandungsstärken (5) in radialer wie in dazu senkrechter Richtung aufweisen.

5. MeQfühler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das System zur Messung der Mediumstemperatur allein ein nicht geheiztes Heizsystem (12) aufweist.

6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das

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;| System zur Messung der Mediumstemperatur allein ein der Wärmelf kapazität und dem Wärmeleitwiderstand des Heizsystems equi- ? valentes Teil (12) enthält.

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7. Meßfühler nacTh Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß !;■ der Meßteil eine oder mehrere Bohrungen aufweist, die als ein I oder mehrere Sacklöcher (13) oder- als Durchgangslöcher (14) I ausgebildet sind.

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8. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ;^: mehrere Löcher zu einem Langloch (15) zusammengefaßt sind.

9. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnec, daß der Meßteil ein Gewinde (16) aufweist.

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