NL8900474A

NL8900474A - Massa-debietmeter met temperatuursensoren.

Info

Publication number: NL8900474A
Application number: NL8900474A
Authority: NL
Original assignee: Bronkhorst High Tech Bv
Priority date: 1989-02-24
Filing date: 1989-02-24
Publication date: 1990-09-17
Also published as: EP0395126B1; DK0395126T3; DE69005884D1; JP2892419B2; ATE100195T1; ES2047818T3; JPH02262015A; DE69005884T2; US5036701A; EP0395126A1

Description

Massa-debietmeter met tem^eratuursensorBiQ

De uitvinding heeft betrekking op een massa-debietmeter met temperatuur sensoren» bestemd voor het meten van massa-debieten van vloeistoffen dan wel gassen» die een warmtegeleidende buis bevat waardoor het te meten massa-debiet plaats vindt en waarvan het begin en het einde op dezelfde temperatuur worden gehouden» alsmede één of meer middelen om de temperatuur van de massa in de buis te verhogen en middelen om de temperatuur van de massa in de buis op meerdere plaatsen te meten.

hen dergeiijke massa-debietmeter is bijvoorbeeld bekend uit het Amerikaanse octrooischrift no. A100801. Het principe waarop de werking van deze bekende massa-debietmeter berust is als volgt. Het gas of de vloeistof (het medium) waarvan het massadebiet moet worden gemeten» stroomt door een metalen warmtegeleidende buis» waarvan begin en eind op dezelfde temperatuur worden gehouden. In het midden van de buis is. uit- of inwendig, een verwarmingselement aangebracht, waardoor het medium en de buis worden verwarmd. Aan weerszijden van het verwarmingselement zijn symmetrisch ten opzichte daarvan op de buis temperatuur-sensoren aangebracht.

Wanneer het medium in de buis niet stroomt ontstaat bij opwarming door middel van het verwarmingselement een temperatuurprofiel langs de buis, zodanig dat in het midden van het verwarmingselement de temperatuur maximaal is. bonder warmteverlies naar de omgeving daalt de buis-temperatuur lineair als functie van de afstand tot genoemd midden, bonder warmteverlies, of bij een warmteverlies naar de omgeving dat symmetrisch is ten opzichte van genoemd midden, is het temperatuurprofiel langs de buis symmetrisch ten opzichte van genoemd midden.

De symmetrisch ten opzichte van het verwarmingselement aangebrachte temperatuursensoren geven in geval van verwarming bij een stilstaand medium in theorie een temperatuurverschil gelijk nul aan.

Wanneer het medium in de buis wel stroomt zal bij verwarming op ae hier boven aangegeven wijze een sensor stroomopwaarts ten opzichte van het verwarmingselement een lagere temperatuur aangeven dan een sensor die symmetrisch aan de eerste stroomafwaarts ten opzichte van het verwarmingselement is geplaatst. Het verschil in de door beide sensoren gemeten temperatuur is een maat voor de stroomsnelheid van het medium, en dus voor het massadebiet door de buis.

nan de massa-debietmeter met temperatuursensoren voigens het bekende hierboven aangeduide principe kleeft een aantal bezwaren.

Luchtstromingen aan de buitenzijde van de buis kunnen het temperatuurprofiel langs de buiswand verstoren, en hiermee de nauwkeurigheio en de reproduceerbaarheid van een meting negatief beïnvloeden. Het verschijnsel van luchtstromingen die tot een gewijzigd temperatuurprofiel aanleiding geven wordt wel externe convectie genoemd. Externe convectie kan worden tegengegaan door de buis thermisch te isoleren, bijvoorbeeld door deze in een kunststof-schuim in te pakken.

Een ander bezwaar is het optreden van interne convectie in de vorir van zwaartekracht-geïnduceerde convectiestromen in het medium zelf, die kunnen optreden wanneer de gedeelten van de buis ter weerszijden van het verwarmingselement niet symmetrisch ten opzichte van de richting van de zwaartekracht georiënteerd (kunnen» worden. Ook interne convectie geeft aanleiding tot extra temperatuurgradienten langs het buisop-pervia»·, en daarmee tot extra onnauwkeurigheid in öe bepaling van het massaaebiet. Dit probleem, dat zich met name voordoet bij toepassing van oe massa-debietmeter met temperatuursensoren in de ruimtevaart, »ar worden ondervangen aoor in de buis een lusvormig traject aan te brengen waaraoor het medium wordt gedwongen minstens eenmaal van stroomrichting om te keren, ten beschrijving van een massa-debietmeter met iusvormige duis wordt gegeven in het hier eerder genoemde AmeriKaanse octrooi-scnriTt hIGUBOI.

z.owei interne als externe convectie manifesteren zich m het optreden van zogeheten nul-offset, waarmee wordt bedoeld het verschijnse. dat bij verwarming van de buis bij een stilstaand medium, in afwijking van wat men theoretisch mag verwachten, symmetrisch ten opzichte van het verwarmingselement aangebracht temperatuursensoren een temperatuurverschil ongeiljk aan nul aangeven. Interne en externe convectie zijn niet de enige oorzaken van het optreden van een nui-offset.

Andere oorzaken van het optreden van een nul-offset zijn onder andere het met exact gelijk zijn van de temperatuur van begin en eind van de buis bij een overigens exacte symmetrie van temperatuursensoren ten opzichte van het verwarmingselement, een niet exact symmetrische plaatsing van de temperatuursensoren ten opzichte van het midden van de buis, een niet exacte plaatsing in het midden van de buis van het verwarmingselement en inhomogeniteiten in de wand van de buis.

in de bekende uitvoeringen van de massa-debietmeter met tempera- tuursensoren, wordt het probleem van optredende nul-offset ontweken door de nul-offset op elektronische wijze te compenseren. Het nadeel hiervan is de inherente noodzaak van kostenverhogende additionele elektronische apparatuur en/of componenten ten behoeve van de uitlezing van de temperatuur-sensoren.

Doel van de huidige uitvinding is een massa-debietmeter met tempe-ratuursensoren te verschaffen, waarbij de zogeheten nul-offset op fysische wijze kan worden geëlimineerd. Dit doel wordt overeenkomstig de uitvinding bereikt door het aanbrengen van één of meer voorzieningen in, aan of op de buis, waarmee het temperatuurprofiel langs de buis zodanig kan worden gereguleerd dat bij verwarming van de buis bij een stilstaand medium symmetrisch ten opzichte van het verwarmingselement aangebrachte temperatuursensoren een temperatuurverschil gelijk aan nul aangeven.

Deze voorzieningen kunnen bestaan uit extra verwarmingselementen waarmee de temperatuur van het begin of het eind van de buis ingesteid kan worden, uit één of meer tegen de buis geplaatste koellichamen (zogeheten Peltier-eiementen) of uit een mechanische constructie tegen de bui5wand aan waarmee het effect van een in de lengterichting van de buis variërende wanddikte kan worden gesimuleerd. Een voorbeeld van een dergelijke mechanische constructie is een rail tegen de buiswand aan, waarlangs een metalen warmtegeleider kan worden voortbewogen en kan worden gefixeerd.

In een voorkeursuitvoering van een massa-debietmeter volgens de uitvinding bestaat de voorziening ter regulering van het temperatuui— profiel langs de buis uit een verwarmingselement in het midden van de buis dat uit twee afzonderlijk aan te sturen delen bestaat, welke delen zich respectievelijk ter weerszijden stroomopwaarts en -afwaarts van het midden bevinden, met andere woorden een verwarmingselement dat dubbel is uitgevoerd. Door gebruik te maken van een dubbel uitgevoerd verwarmingselement in het midden van de buis in plaats van een enkel verwarmingselement hoeft niet meer te worden voldaan aan de, construc-tietechnisch zeer hoge, eis van een zeer nauwkeurige plaatsing van het verwarmingselement in het midden van de buis. Toepassing van een dubbel uitgevoerd verwarmingselement werkt bovendien nauwelijks kostenverhogend ten opzichte van een enkel verwarmingselement, omdat het laatste veelal bestaat uit een om de buis gewikkelde weerstandsdraad, terwijl men om dubbel uitgevoerde verwarmingselement te vervaardigen de . , *7 / genoemde weerstandsdraad slechts van een extra stroomtoevoerdraao in het midden hoeft te voorzien.

ten dubbel uitgevoerd verwarmingselement in massa-debietmeters volgens de uitvinding onderscheidt zich van eerder toegepaste dubbel uitgevoerde verwarmingslementen in massa-debietmeters waarvan de werking berust op een schakeling waarin de verwarmingselementen tevens fungeren als temperatuursensor> doordat voor beide functies gebruik gemaakt wordt van dezelfde temperatuurgevoelige weerstandsdraden, zoals beschreven m het Amerikaanse octrooischrift 448706S, juist omdat bij massa-debietmeters volgens het aldaar beschreven type inherent de mogelijkheid afwezig is het optreden van een eventuele nul-offset met het dubbei uitgevoerde verwarmingselement op tysische wijze te compenseren. ten verder onderscheid tussen een dubbel uitgevoerd verwarmingselement m een massa-debietmeter volgens de uitvinding en in die in het Hmerixaanse octrooischrift 4<+Β7ϋό£ beschreven type» is gelegen in ae piaats en de uitvoering van het verwarmingselement, ten dubbei uitge-vDero verwarmingselement volgens de uitvinding dient vanwege het meet-prmcipe in of zeer nabij het midden van de buis te worden aangebracht» bij het type volgens het Amerikaanse octrooischrift is een plaatsing op substantiële afstand van het midden van de buis een noDdzakelijxe voorwaarde voor de werking van het overigens principieel verschillende meetprincipe.

De gevoeligheid van een massa-debietmeter voigens de uitvinding wordt bepaald door de gevoeligheid van de temperatuursensoren, waarvoor men m bekende massa-debietmeters temperatuur-afhankelijk weerstandsdraad gebruikt. Des te meer warmte er door net verwarmingselement wordt gedissipeerd, des te groter wordt het door de temperatuursensoren gemeten temperatuurverschil» en daarmee de gevoeligheid van de massa-debietmeter.

In de praktijk gebruikte bekende massa-debietmeters zijn soms dusdanig gedimensioneerd dat de door het verwarmingselement in het midden van de buis geïnduceerde temperatuur in het medium tot meer dan 100°C boven de omgevingstemperatuur kan stijgen. Dit kan de volgende nadelen hebben. Vluchtige vloeistoffen kunnen gaan koken, waarmee een meting ónmogelijk wordt. Sommige vloeistoffen en gassen kunnen bij een temperatuurstijging van genoemde grootte-orde dissociëren. De meet-nauwkeurigheid kan negatief worden beïnvloed wanneer de soortelijke waarmte van het te meten medium sterk temperatuur-afhankelijk is. Bij zeer lage debieten treedt als gevolg van de uitzetting van het medium stroming op* het zogeheten thermosyfon-effect. Indien de orde van grootte van deze stroming gelijk is aan die van het te meten debiet, wordt de meetfout onacceptabel groot. Eliminatie van al deze nadelen is alleen mogelijk door een drastische verlaging van de door het verwarmingselement geïnduceerde temperatuur in het medium, en dientengevolge een verlaging van het door de temperatuui—sensoren gemeten temperatuurverschil .

De toepassingsmogelijkheden van een massa-debietmeter die volgens de uitvinding is uitgerust met een dubbel uitgevoerd verwarmingselement in het midden van de buis worden aanmerkelijk verruimd wanneer de tem-peratuursensoren bestaan uit thermokoppels of meer in het bijzonder een thermozuil. Een thermozuil bestaat uit een groot aantal in serie geschakelde thermokoppels die zodanig om een houder zijn gewikkeld dat alle ’warme' kanten van de thermokoppels zich aan de ene zijde van de houder bevinden, en alle ’koude·' kanten van de thermokoppels 2ich aan de andere zijde van de houder bevinden.

Bij gebruik van thermokoppels in plaats van temperatuurafhanke-iijk-weerstandsdraad als temperatuursensoren kan worden volstaan met een aanzienlijk lagere temperatuurstijging van het medium in het midden van de buis, wordt een voldoende lineariteit van het sensorsignaal over een ruim bereik van massa-debietwaarden gerealiseerd, wordt voldoenoe gevoeligheid van de temperatuursensoren verkregen en is de gevoeligheid voor de invloed van de temperatuur van de omgeving van de buis van een aanvaardbaar laag niveau.

De voordelen van een thermozuil worden nog vergroot wanneer met de warme kant van de zuil de temperatuur van de buis stroomafwaarts van het in het midden geplaatste verwarmingselement wordt gemeten, en met de koude kant van de zuil de temperatuur van de buis stroomopwaarts wordt gemeten. Een dergelijke sensorconfiguratie is mogelijk met een U-VDrmige buis, waarbij het dubbel uitgevoerde verwarmingselement midden in de boog van de U-vorm om de buis is aangebracht, en waarvan de afstand tussen de beide benen juist gelijk is aan de afstand tussen het warme en het koude gedeelte van de thermozuil, zodat de thermozuil tussen de beide benen van de U-vormige buis kan worden ingeklemd.

In een voorbeeld van een massa-debietmeter volgens de uitvinding, met U-vormige buis, dubbel uitgevoerd verwarmingselement en thermozuil heeft de toegepaste thermozuil als kenmerk dat de warme en koude kanten «t L 7 /.

een onderlinge afstand van ca. 2,5 mm bezitten, Beide benen van de ü-vormige buis lopen parallel» met een onderlinge afstand van 2,5 mm. Tussen de benen is over de gehele lengte of een deel daarvan een thei— mozuii aangebracht. Met deze configuratie wordt telkens het temperatuurverschil tussen twee punten van de buis in een symmetrische positie stroomomwaarts en -afwaarts ten opzichte van het in het midden van de buis aangebrachte verwarmingselement gemeten. Alle gemeten temperatuurverschillen worden, inherent aan het gebruik van een thermozuil, gesommeerd, waarmee een zo hoog mogelijk signaal wordt verkregen. Begin en eind van de buis, de beide 'voeten’, zijn uit een massief stuk metaal geconstrueerd met het doel de temperaturen van begin en eind van de buis zo goed mogelijk gelijk te houden. Het voornoemde massieve stuk metaal is thermisch hecht gekoppeld aan een metalen doos welke de buitenmantel van de isolatie vormt. Hiermee wordt bereikt dat de temperatuur van begin en eind van de buis zo goed mogelijk gelijk wordt aan de omgevingstemperatuur. Beide benen van de U-vormige buis zijn symmetrisch gemonteerd binnen de metalen doos, de overige ruimte daarin is gevuld met isolerend materiaal. Boven in de benen is symmetrisch om de top een dubbel uitgevoerd verwarmingselement aangebracht.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin

Fig.l een schematische voorstelling van de massa-debietmeter volgens de uitvinding geeft;

Fig.2 een grafische voorstelling geeft van het ideale verloop van de temperatuur van het meoium in de buis in Fig.l, zowei voor de situatie waarin het medium stil staat als waarin het stroomt;

Fig.3 een grafische voorstelling geeft van een mogelijk verloop van de temperatuur van het medium in de buis in Fig.l voor het geval dat het medium stil staat en de situatie niet conform het theoretische ideaalbeeld is;

Fig.*t een zijaanzicht van een voorkeursuitvoering toont van een massa-debietmeter met U-vormige buis, dubbel uitgevoerd verwarmingselement en thermozuil.

Fig.l toont de metalen warmtegeleidende U-vormige buis 1, waardoor het te meten vloeibaar of gasvormig medium stroomt en de metalen buitenmantel 2 van de massa-debietmeter. Begin 3 en eind 4 van de buis, de ’voeten', zijn thermisch gekoppeld aan de metalen buitenmantel E. Rond het midden M van de buis is een dubbel uitgevoerd verwarmingselement aangebracht in de vorm van een om de buis gewikkelde weerstandsdraaö met drie aansluitpunten voor de stroomdoorvoer, zodat het linker en het rechter gedeelte» respectievelijk 5 en 6 van het verwarmingselement afzonderlijk van elkaar aangestuurd kunnen worden. De temperatuur van de buitenzijde van de buis wordt ’stroomopwaarts’ en ’stroomafwaarts’ door twee symmetrisch ten opzichte van het midden M aangebrachte tem-peratuursensoren 7 respectievelijk 8 gemeten. De pijlen in begin en eind van de buis geven de stromingsrichting van het medium aan.

Wanneer het medium niet stroomt en er zijn geen warmteverliezen van het medium naar de omgeving» dan ontstaat bij verwarming ter plekke H in de theoretisch ideale situatie een temperatuurprofiel in de buis-wand zoals aangegeven door de gestreepte rechte lijnstukken in Hg.2. Bij een exact symmetrische plaatsing van de sensoren 7 en 8 zal de -cem-peratuur op beide plaatsen dezelfde zijn.

Wanneer het medium stroomt zal onder overigens gelijke (ideale) omstandigheden het temperatuurprofiel in de buiswand verlopen conform de ononderbroken curve in Fig.2. Op eenvoudige en bekende wijze valt ai te leiden dat de stroomsnelheid van het medium evenredig is met het temperatuurverschil T’8-T’7.

In Hg.3 is het temperatuurprofiel in de buiswand geschetst bij een stilstaand medium voor het geval dat om welke reden dan ook oe temperatuur aan het eind van de buis b lager is dan aan het begin 3, of dat het rechterbeen korter zou zijn of lijken (bijvoorbeeld door het niet exact in het midden geplaatst zijn van het verwarmingselement) dan het linkerbeen. Duidelijk is dat in deze situatie de temperaturen eer plekke van de sensoren 7 en 8 niet meer gelijk zijn» maar dat er een zogenoemde nul-offset T7-T"8 is ontstaan. Deze nul-offset beïnvloedt de nauwkeurigheid van de meting op ontoelaatbaar negatieve wijze.

Door nu in het rechter gedeelte 6 van het dubbel uitgevoerde verwarmingselement meer warmte te dissiperen dan in het linker gedeelte 5, kan men het ideale temperatuurprofiel (linker gedeelte ongewijzigd, rechter gedeelte gestreepte lijnstuk in Fig.3) herstellen en dus de nul-offset T7-T"B elimineren. Gemakkelijk valt in te zien dat ook voor andere niet-ideale temperatuurprofielen dan die uit het voorbeeld in Fig.3 op dezelfde eenvoudige wijze met behulp van het dubbel uitgevoerde verwarmingselement kan worden gecorrigeerd.

Fig.n toont een voorbeeld van een massa-debietmeter volgens de uitvinding met U-vormige aluminium buis 1 en een dubbel uitgevoerd verwarmingselement met delen 5 en ó in zijaanzicht. Tussen de benen van de buis is over de gehele lengte of een deel daarvan een thermozuil 9 aangebracht. Met deze configuratie wordt telkens het temperatuurverschil tussen twee punten van de buis in een symmetrische positie stroomomwaarts en -afwaarts ten opzichte van de in het midden van de buis aangebrachte verwarmingselement gemeten. Alle gemeten temperatuurverschillen worden, inherent aan het gebruik van een thermozuil, gesommeerd* waarmee een zo hoog mogelijk signaal wordt verkregen. Begin 3 en eind b van de buis, de beide ’voeten’, zijn uit een massief stuk aluminium geconstrueerd met het doel de temperaturen van begin en eind van de buis zo goed mogelijk gelijk te houden. Het voornoemde massieve stuk aluminium is thermisch hecht gekoppeld aan een aluminium doos (waarvan alleen de bodem 13 in de Figuur is getoond) welke de buitenmantel van de isolatie vormt. Hiermee wordt bereikt dat de temperatuur van begin en eind van de buis zo goed mogelijk gelijk wordt aan de omgevingstemperatuur, Beide benen van de U-vormige buis zijn symmetrisch gemonteerd binnen de metalen doos, de overige ruimte daarin is gevuld met isolerend materiaal. Beven in de benen is symmetrisch om de top een duböei uitgevoerd verwarmingselement met de delen 5 en ó aangebracht.

Claims

1. Massa-debietmeter met temperatuursensoren» bestemd voor het meten van massa-debieten van vloeistoffen dan wel gassen» die een warmtegeleidende buis bevat waaardoor het te meten massa-debiet plaats vindt en waarvan het begin en het einde op dezelfde temperatuur worden gehouden» alsmede één of meer middelen om de temperatuur van de massa in de buis te verhogen en middelen om de temperatuur van de massa in de buis op meerdere plaatsen te meten, met het kenmerk, dat in, aan of op de buis één of meer voorzieningen zijn aangebracht waarmee het temperatuurprofiel langs de buis zodanig kan worden gereguleerd dat bij verwarming van de buis bij een stilstaand medium symmetrisch ten opzichte van het verwarmingselement aangebrachte temperatuursensoren een temperatuurverschil gei ijk aan nul aangeven.

2. Massa-debietmeter volgens conclusie 1, met het kenmerk» dat de voorziening bestaat uit een verwarmingselement in het midden van de buis dat uit twee afzonderlijk aan te sturen delen bestaat, welke delen zich respectievelijk ter weerszijden stroomopwaarts en -afwaarts van het midden bevinden.

3. Massa-debietmeter volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de temperatuursensoren bestaan uit thermokoppels of meer in het bijzonder een thermozuil.

4. Massa-debietmeter volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de warmtegeleidende buis een U-vorm heeft, waarbij het verwarmingselement ongeveer midden in de boog van de U-vorm om de buis is aangebracht, en waarvan de afstand tussen de beide benen juist gelijk is aan de afstand tussen het warme en het koude gedeelte van de thermozuil, en waarbij de thermozuil tussen de beide benen van de U-vormige buis is ingeklemd.

5. Massa-debietmeter volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat de warme en koude kanten van de thermozuil een onderlinge afstand van ca. 2,5 mm bezitten.

6. Massa-debietmeter volgens conclusie 5, met het k§D£Dt£i<J dat de beide benen van de U-vormige buis parallel lopen met een onderlinge afstand van ca. 2,5 mm.