DE19623174C1 - Vorrichtung zum Erfassen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, mit einer Temperaturmeßeinrichtung, die ein Thermoelement aufweist, das aus zwei Drähten unterschiedlicher Werkstoffe besteht, die an einem ersten Ende miteinander leitend verbunden sind und mit ihren zweiten Enden an eine Auswerteeinrichtung angeschlossen sind, wobei das erste Ende des Thermoelemen­ tes einen ersten Temperaturmeßpunkt und mindestens ein zweites Ende des Thermoelementes einen zweiten Temperaturmeßpunkt bildet, einem Heizelement, das im wesentlichen in Fließrichtung des Mediums zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturmeßpunkt angeordnet ist, und einer Regelungseinrichtung, die die Energie für das Heizelement auf einen konstanten Wert regelt.

Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise beschrieben in der Abhandlung "Messung kleiner Flüssigkeitsgeschwindigkeiten" von E. Eujen in "ATM Archiv für Technisches Messen", Blatt V 144-1, Januar 1950. Mit einer solchen Vorrichtung ist es möglich festzustellen, ob, in welcher Richtung und mit welcher Geschwindigkeit das Medium fließt. Fließt das Medium beispielsweise in Richtung vom ersten zum zweiten Temperaturmeßpunkt, wird die vom Heizelement erzeugte Wärme zum zweiten Temperaturmeßpunkt transportiert, so daß an diesem die Temperatur entsprechend ansteigt, während am ersten Temperaturmeßpunkt lediglich die Temperatur des Mediums herrscht. Aus dem Anstieg der vom zweiten Temperatur­ meßpunkt gemessenen Temperatur gegenüber der am ersten Temperaturmeßpunkt herrschenden Temperatur kann dann geschlossen werden, daß das Medium vom ersten zum zweiten Temperaturmeßpunkt fließt. Natürlich läßt sich diese Feststellung nur dann treffen, wenn das Heizelement eine Wärme erzeugt, deren Temperatur über der des Mediums liegt. In diesem Fall dient der erste Temperatur­ meßpunkt als Referenztemperaturmeßpunkt gegenüber dem zweiten Temperatur­ meßpunkt. Fließt das Medium anschließend in die entgegengesetzte Richtung, wird der zweite Temperaturmeßpunkt auf die Temperatur des Mediums abgekühlt und erwärmt sich gleichzeitig der erste Temperaturmeßpunkt aufgrund des Einflusses der vom Heizelement erzeugten Wärme, die ja nun zum ersten Temperaturmeßpunkt transportiert wird.

Um die ersten und zweiten Temperaturmeßpunkte zu realisieren, ist ein Thermoele­ ment vorgesehen. Zwischen dem ersten Ende des Thermoelementes, an dem die beiden Drähte leitend miteinander verbunden sind, und den zweiten Enden, die "offen" und an die Auswerteeinrichtung angeschlossen sind, entsteht eine Thermospannung, wenn an dem ersten Ende und an den zweiten Enden ver­ schiedene Temperaturen herrschen. Das Heizelement ist zwischen den ersten und zweiten Enden des Thermoelementes angeordnet, um die zuvor beschriebene Wirkung entfalten zu können. Üblicherweise dienen bei einem Thermoelement die zweiten offenen Enden als Vergleichsstelle, an der eine bekannte externe Referenztemperatur herrscht, und das erste Ende als Meßstelle, an der die zu messende Temperatur in bezug auf die Referenztemperatur ermittelt wird. Bei dieser Vorrichtung ist es jedoch nicht notwendig, eine externe Referenztemperatur an den zweiten Enden anzulegen; vielmehr kann hierzu in Abhängigkeit von der Fließrich­ tung des zu erfassenden Mediums entweder dessen normale, also vom Heizelement unbeeinflußte Temperatur oder die vom Heizelement beeinflußte Temperatur dienen, wobei am ersten Ende des Thermoelementes im ersten Fall die vom Heizelement beeinflußte Temperatur und im zweiten Fall die normale unbeeinflußte Temperatur des Mediums erfaßt wird. Aus dem Vorliegen des Spannungsabfalls zwischen den ersten und zweiten Enden des Thermoelementes läßt sich bei der Vorrichtung auf einfache Weise erkennen, daß das zu erfassende Medium fließt. Aus der Richtung des Spannungsabfalls, also aus der Tatsache, ob der Spannungsabfall zwischen den ersten und zweiten Enden des Thermoelementes positiv oder negativ ist, läßt sich ferner die Fließrichtung des Mediums bestimmen.

Schließlich ist eine Regelungseinrichtung vorgesehen, die die Energie für das Heizelement auf einen konstanten Wert regelt. Somit wird das Heizelement mit einer konstanten Energie versorgt, wodurch sich eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturmeßpunkt einstellt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art bei Änderung der Fließgeschwindigkeit des Mediums den Betrag für die Fließgeschwindigkeit auf einfache Weise zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Auswerteeinrichtung bei Änderung der Fließgeschwindigkeit des Mediums die Zeit, die zwischen Abkühlen des einen Temperaturmeßpunktes und Erwärmen des anderen Temperaturmeßpunktes vergeht, als Indikator für die Fließgeschwindigkeit mißt.

Mit Hilfe der Erfindung ist es also möglich, auf einfache Weise Änderungen der Fließgeschwindigkeit des Mediums zu erfassen. Beginnt beispielsweise nach Stillstand das Medium in Richtung des zweiten Temperaturmeßpunktes zu fließen, kühlt sich der erste Temperaturmeßpunkt ab und erwärmt sich der zweite Temperaturmeßpunkt kurzfristig und bleibt danach auf einem höheren Temperaturni­ veau. Die Zeit, die zwischen dem Abkühlen des ersten Temperaturmeßpunktes und dem Erwärmen des zweiten Temperaturmeßpunktes vergeht, wird dabei erfindungs­ gemäß als Indikator für die Fließgeschwindigkeit und, falls das zu messende Medium durch ein Rohr fließt, bei bekanntem Rohrdurchmesser auch für die Durchflußmenge verwendet. Fließt das Medium später in die entgegengesetzte Richtung, erwärmt sich der erste Temperaturmeßpunkt kurzfristig und bleibt danach auf einem höheren Temperaturniveau, während sich der zweite Temperaturmeß­ punkt abkühlt.

Bei stehendem Medium, wenn das Heizelement eine gewisse Zeit mit konstanter Energie versorgt wird, kann die Aufheizkurve als Indikator für die Materialeigen­ schaften und somit die Qualität des Mediums verwendet werden, da verschiedene Stoffe im allgemeinen auch unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten besitzen. Wird bei stehendem Medium das Heizelement eingeschaltet und dann mit konstanter Energie versorgt, kann die Aufheizkurve als Indikator für die Stoffeigenschaft bzw. die Qualität des Mediums verwendet werden, da im allgemeinen unterschiedliche Stoffe unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten besitzen. Das gleiche gilt natürlich auch für den Fall des Abkühlens nach Abschalten des Heizelementes.

Vorzugsweise sind das Heizelement und die Temperaturmeßpunkte in einer Rohrleitung vorgesehen, durch die das Medium strömt.

Benachbart zum zweiten Temperaturmeßpunkt kann ein dritter Temperaturmeß­ punkt, beispielsweise aus Redundanzgründen, angeordnet sein. Bei dieser Ausführung bietet es sich an, daß das zweite Ende des einen Thermoelement­ drahtes den zweiten Temperaturmeßpunkt und das zweite Ende des anderen Thermoelementdrahtes den dritten Temperaturmeßpunkt bildet.

Bei einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführung ist das Heizelement benachbart zum ersten Temperaturmeßpunkt angeordnet, so daß der Abstand des Heizelementes zum zweiten Temperaturmeßpunkt wesentlich größer als zum ersten Temperaturmeßpunkt ist und sich somit bei stehendem Medium im wesentlichen nur der erste Temperaturmeßpunkt erwärmt. Beginnt anschließend das Medium zu fließen, kühlt sich der erste Temperaturmeßpunkt ab und erwärmt sich der zweite Temperaturmeßpunkt kurzfristig und bleibt danach auf einem höheren Temperaturni­ veau, so daß die Zeit zwischen dem Abkühlen des ersten Temperaturmeßpunktes und dem Erwärmen des zweiten Temperaturmeßpunktes erfindungsgemäß als Indikator für die Fließgeschwindigkeit gemessen wird.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Figur erläutert, in der schematisch das Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Die in der beiliegenden Figur dargestellte Vorrichtung weist eine Rohrleitung 2 auf, durch die das zu messende Medium fließt und innerhalb dessen eine Temperatur­ meßeinrichtung 4 angeordnet ist.

Die Temperaturmeßeinrichtung 4 weist ein Thermoelement 6 auf, das aus zwei Drähten 8, 10 unterschiedlicher Werkstoffe besteht. Beispielsweise kann der eine Draht 8 aus Nickel und der andere Draht 10 aus Nickelchrom bestehen. Die beiden Thermoelementdrähte 8, 10, die dich in Längsrichtung der Rohrleitung erstrecken, sind an ihren - gemäß der Figur rechten - ersten Enden 12 miteinander leitend verbunden, wodurch ein erster Temperaturmeßpunkt P1 gebildet wird. An ihren - gemäß der Figur linken - zweiten Enden 13, 14 sind die beiden Thermoelement­ drähte 8, 10 mit einer elektrischen Anschlußleitung 16 elektrisch leitend verbunden. Über die elektrische Anschlußleitung 16, die im übrigen aus gewöhnlichen Kupfer-Drähten besteht, ist das Thermoelement 6 an eine Auswerte- und Regeleinrichtung 18 angeschlossen. Die zweiten Enden 13, 14 der Thermoelementdrähte 8, 10, welche im Gegensatz zu ihrem ersten Ende 12 nicht miteinander verbunden, sondern "offen" sind, bilden zweite und dritte Temperaturmeßpunkte P2 und P3.

Zwischen den ersten und zweiten Enden 12 und 13, 14 des Thermoelementes 6 ist innerhalb der Rohrleitung ein Heizelement 20 angeordnet. Dabei sitzt im dargestell­ ten Ausführungsbeispiel das Heizelement 20 benachbart zum ersten Ende des Thermoelementes 6 bzw. ersten Temperaturmeßpunkt P1, und zwar derart, daß der Abstand des Heizelementes 20 zu den zweiten Enden 13, 14 des Thermoelementes 6 bzw. zweiten und dritten Temperaturmeßpunkten P2 und P3 größer als der Abstand zum ersten Ende des Thermoelementes 6 bzw. ersten Temperaturmeß­ punkt P1 ist. Das Heizelement 20, das vorzugsweise aus einem Heizdraht oder -widerstand besteht, ist über elektrische Anschlußleitungen 22 an die Auswerte- und Regeleinrichtung 18 angeschlossen.

Nachfolgend wird die Funktion der zuvor beschriebenen Vorrichtung im einzelnen erläutert.

Das Medium in der Rohrleitung 2 besitzt eine gewisse Grundtemperatur. Das Heizelement 20 erwärmt das Medium und den benachbarten Temperaturmeßpunkt P1. Fließt das Medium nun in Richtung des Pfeils F, wird die vom Heizelement 20 erzeugte Wärme zu den zweiten und dritten Temperaturmeßpunkten P2 und P3 transportiert, so daß die dort herrschende Temperatur entsprechend ansteigt. Dabei kühlt sich der erste Temperaturmeßpunkt P1 wieder ab. Durch die Temperaturdiffe­ renz entsteht zwischen dem ersten Ende 12 der beiden Thermoelementdrähte 8, 10 und deren zweiten Enden 13, 14 eine Thermospannung, die über die elektrische Anschlußleitung 16 von der Auswerte- und Regeleinrichtung 18 gemessen wird, wozu eine im einzelnen nicht näher dargestellte Spannungsmeßschaltung in der Auswerte- und Regeleinrichtung 18 vorgesehen ist.

Die Auswerte- und Regeleinrichtung 18 kann eine im einzelnen nicht näher dargestellte Regelungseinrichtung enthalten, die die Energie für das Heizelement 20 auf einen konstanten Wert regelt. In diesem Fall erwärmt sich bei stehendem Medium zunächst nur der erste Temperaturmeßpunkt P1. Fließt dann das Medium in Richtung des Pfeils F, kühlt sich der erste Temperaturmeßpunkt P1 ab und erwärmen sich die zweiten und dritten Temperaturmeßpunkte P2 und P3 und bleiben danach auf einem höheren Temperaturniveau. Die Zeit, die zwischen dem Abkühlen des ersten Temperaturmeßpunktes P1 und dem Erwärmen der zweiten und dritten Temperaturmeßpunkte P2 und P3 vergeht, bildet einen Indikator für die Fließgeschwindigkeit des Mediums und somit bei bekanntem Durchmesser der Rohrleitung 2 einen Indikator für die Durchflußmenge des Mediums. Fließt das -Medium später in die entgegengesetzte Richtung, also entgegengesetzt dem Pfeil F, erwärmt sich die erste Temperaturmeßstelle P1 und bleibt danach auf einem höheren Temperaturniveau, während sich nun die zweiten und dritten Temperatur­ meßpunkte P2 und P3 abkühlen.

Bei stehendem Medium kann das Heizelement 20 für eine gewisse Zeit mit einer konstanten Energie versorgt werden, wobei sich das Medium an den Temperatur­ meßstellen P1 bis P3 entsprechend aufheizt. Die Aufheizkurve kann dann einen Indikator für die Stoffeigenschaften bzw. die Qualität des Mediums bilden, da gewöhnlich unterschiedliche Stoffe unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten und somit Aufheizkurven aufweisen. Wird das Heizelement 20 abgeschaltet, so kühlt sich das Medium an den Temperaturmeßstellen P1 bis P3 entsprechend ab, so daß die gleichen Schlüsse auch aus den Abkühlkurven gezogen werden können.

Mit der beschriebenen Vorrichtung können nicht nur die Tatsache, ob das Medium strömt oder nicht, und die Fließgeschwindigkeit bzw. Durchflußmenge ermittelt werden, sondern auch die Fließrichtung, was sich aus der Polarität der Thermospan­ nung ergibt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Erfassen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums,
mit einer Temperaturmeßeinrichtung (4), die ein Thermoelement (6) aufweist, das aus zwei Drähten (8, 10) unterschiedlicher Werkstoffe besteht, die an einem ersten Ende (12) miteinander leitend verbunden sind und mit ihren zweiten Enden (13, 14) an eine Auswerteeinrichtung (18) angeschlossen sind, wobei das erste Ende (12) des Thermoelementes (6) einen ersten Temperaturmeßpunkt (P1) und mindestens ein zweites Ende (13) des Thermoelementes (6) einen zweiten Temperaturmeß­ punkt (P2) bildet,
einem Heizelement (20), das im wesentlichen in Fließrichtung des Mediums zwi­ schen dem ersten und dem zweiten Temperaturmeßpunkt (P1 und P2) angeordnet ist, und
einer Regelungseinrichtung (18), die die Energie für das Heizelement (20) auf einen konstanten Wert regelt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (18) bei Änderung der Fließgeschwindigkeit des Mediums die Zeit, die zwischen Abkühlen des einen Temperaturmeßpunktes und Erwärmen des anderen Temperaturmeßpunktes vergeht, als Indikator für die Fließgeschwindigkeit mißt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (20) und die Temperaturmeßpunkte (P1 und P2) in einer Rohrleitung (2) vorgesehen sind, durch die das Medium strömt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (18) die Zeit als Indikator für die Durchflußmenge mißt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zum zweiten Temperaturmeßpunkt (P2) ein dritter Temperaturmeßpunkt (P3) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende (13) des einen Thermoelement­ drahtes (8) den zweiten Temperaturmeßpunkt (P2) und das zweite Ende (14) des anderen Thermoelementdrahtes (10) den dritten Temperaturmeßpunkt (P3) bildet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (20) benachbart zum ersten Tempe­ raturmeßpunkt (P1) angeordnet ist, so daß der Abstand des Heizelementes (20) zum zweiten Temperaturmeßpunkt (P2) wesentlich größer als zum ersten Tempera­ turmeßpunkt (P1) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (18) bei stehendem Medium die Aufheizkurve an mindestens einem der Temperaturmeßpunkte (P1, P2, P3) als Indikator für mindestens eine Materialeigenschaft des Mediums mißt.