DE19913968A1 - Thermischer Durchflußsensor und Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids - Google Patents
Thermischer Durchflußsensor und Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines FluidsInfo
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Abstract
Ein thermischer Durchflußsensor hat einen Strömungssensor (3) und eine Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle (4). Der Strömungssensor (3) weist eine erste Heizeinrichtung und einen auf die Temperatur der ersten Heizeinrichtung reagierenden ersten Temperaturfühler auf und ist einem strömenden Fluid, dessen Durchfluß zu bestimmen ist, aussetzbar. Die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle (4) weist ein Meßzellengehäuse (42), eine zweite Heizeinrichtung und einen auf die Temperatur der zweiten Heizeinrichtung reagierenden zweiten Temperaturfühler auf. Das Meßzellengehäuse (42) hat mindestens eine zum Eintreten des Fluids in das Meßzellengehäuse (42) eingerichtete Öffnung (46).
Description
Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchflußsensor sowie
ein Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids.
Es ist bekannt, den Durchfluß eines Fluids (d. h. einer Flüssig
keit oder eines Gases) zum Beispiel durch eine Rohrleitung mit
Hilfe eines thermischen Strömungssensors zu bestimmen. Ein
derartiger Strömungssensor weist eine Heizeinrichtung und einen
auf die Temperatur der Heizeinrichtung reagierenden Temperatur
fühler auf. Zum Bestimmen des Durchflusses wird der Kühleffekt
ausgenutzt, den das auf den Strömungssensor einströmende Fluid
bewirkt. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit und damit der
Durchfluß des Fluids ist, um so größer ist die pro Zeiteinheit
durch Wärmeübertragung und Konvektion über das Fluid von dem
Strömungssensor weggeführte Wärmemenge. Wenn also zum Beispiel
der Heizeinrichtung eine konstante Heizleistung zugeführt wird,
ist die von dem Temperaturfühler erfaßte Temperatur bei hohem
Durchfluß geringer als bei niedrigem Durchfluß. Wenn die
Heizleistung so geregelt wird, daß der Strömungssensor auf einer
konstanten Temperatur liegt, ist entsprechend bei einem größeren
Durchfluß eine höhere Heizleistung erforderlich als bei einem
kleineren Durchfluß. Um mit einem derartigen Strömungssensor
absolute Durchflußmengen messen zu können, ist eine Kalibrierung
erforderlich. Dadurch werden zum Beispiel Einflüsse von der
Geometrie des Strömungssensors und den Materialeigenschaften des
Fluids, die das Wärmeabführvermögen wesentlich mitbestimmen,
berücksichtigt. So hängt das Wärmeabführvermögen des Fluids zum
Beispiel von dessen Zusammensetzung ab.
Die Durchflußmessung mit Hilfe derartiger thermischer Strömungs
sensoren wird zum Beispiel in den Lehrbüchern von O. Fiedler,
"Strömungs- und Durchflußmeßtechnik" (Oldenbourg-Verlag 1992),
und H. Eckelmann, "Einführung in die Strömungsmeßtechnik"
(Teubner-Verlag 1997), beschrieben.
Um einen Strömungssensor der erläuterten Art einsetzen zu können,
darf die Zusammensetzung des Fluids, dessen Durchfluß zu
bestimmen ist, nicht oder nur innerhalb sehr geringer Grenzen
variieren. Eine andere Fluidzusammensetzung könnte nämlich zu
einem veränderten Wärmeabführvermögen führen, so daß Änderungen
in der Temperatur oder bei der Heizleistung des Strömungssensors
nicht notwendig auf Durchflußänderungen zurückführbar sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen thermischen Durchflußsensor
sowie ein Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids
unter Benutzung eines thermischen Durchflußsensors zu schaffen,
die auch eine Durchflußmessung an einem Fluid ermöglichen, dessen
Zusammensetzung variabel ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen thermischen Durchflußsensor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum
Bestimmen des Durchflusses eines Fluids mit den Merkmalen des
Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
Der erfindungsgemäße thermische Durchflußsensor weist einen
Strömungssensor mit einer ersten Heizeinrichtung und einem auf
die Temperatur der ersten Heizeinrichtung reagierenden ersten
Temperaturfühler auf und ist einem strömenden Fluid, dessen
Durchfluß zu bestimmen ist, aussetzbar. Dieser Strömungssensor
ist ein thermischer Strömungssensor, der auf dem oben erläuterten
Prinzip beruht. Zusätzlich hat der thermische Durchflußsensor
eine Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle, die ein Meßzellengehäuse, eine
zweite Heizeinrichtung und einen auf die Temperatur der zweiten
Heizeinrichtung reagierenden zweiten Temperaturfühler aufweist,
wobei das Meßzellengehäuse mindestens eine zum Eintreten des
Fluids in das Meßzellengehäuse eingerichtete Öffnung hat.
Über die Öffnung kann ein Teil des Fluids in die Wärmeleitfähig
keitsmeßzelle eintreten. Innerhalb der Wärmeleitfähigkeitsmeß
zelle findet praktisch kein Wärmetransport durch Konvektion
statt, da diese Meßzelle zum Messen der Wärmeleitfähigkeit eines
in ihr enthaltenen Fluids ausgelegt ist und ihr Innenraum daher
vor Störungen durch Fluidströmungen weitgehend geschützt ist. Mit
Hilfe der zweiten Heizeinrichtung und dem auf die Temperatur der
zweiten Heizeinrichtung reagierenden zweiten Temperaturfühler
läßt sich die Wärmeleitfähigkeit des Fluids ermitteln. Das grund
legende Meßprinzip der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle ist ähnlich
wie bei dem thermischen Strömungssensor, aber da innerhalb des
Meßzellengehäuses keine Konvektion stattfindet, wird die von dem
Fluid von der zweiten Heizeinrichtung weggeführte Wärme im
wesentlichen durch Wärmeleitung transportiert. Durch Wahl einer
geeigneten Geometrie (vor allem einen geringen Abstand zwischen
der zweiten Heizeinrichtung und der Innenseite des Meßzel
lengehäuses) und einem geeigneten Temperaturbereich für die
zweite Heizeinrichtung (vorteilhaft sind relativ niedrige
Temperaturen) läßt sich der Anteil der Strahlung am Wärmetrans
port gering halten. Derartige Wärmeleitfähigkeitsmeßzellen als
solche und das dabei zum Einsatz kommende Meßprinzip sind
bekannt. Mit Hilfe der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle läßt sich also
die Wärmeleitfähigkeit des Fluids bestimmen.
Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß für die Zusammensetzung des
Fluids. Wenn das Fluid zwei Komponenten mit unterschiedlichen
Wärmeleitfähigkeiten hat, lassen sich die Anteile der Komponenten
an dem Fluid mit Hilfe einer Messung der Wärmeleitfähigkeit des
Fluids ermitteln. Der erfindungsgemäße thermische Durchflußsensor
kann aber auch für Fluide mit mehr als zwei Komponenten vor
teilhaft eingesetzt werden, wie das folgende Beispiel zeigt: Wenn
z. B. das Fluid eine Mischung aus Luft und den Kohlenwasserstoffen
Propan und Butan ist, besteht es hinsichtlich seiner Wärmeleitfä
higkeit im wesentlichen aus zwei Komponenten, nämlich Luft und
Kohlenwasserstoff. Denn Propan und Butan unterscheiden sich im
Vergleich zu Luft hinsichtlich ihrer Wärmeleitungseigenschaften
nur geringfügig und haben auch ein ähnliches Wärmeabführvermögen
im Hinblick auf den Strömungssensor. Mit Hilfe der Wärmeleitfä
higkeitsmeßzelle läßt sich zum Beispiel bei diesem Fluid die
Konzentration von Kohlenwasserstoff in Luft im Bereich von 0%
bis 100% mit einer Genauigkeit von besser als 5% bestimmen.
Damit kennt man die Zusammensetzung des Fluids hinreichend genau,
um sie beim Verhalten des Strömungssensors zu berücksichtigen.
Die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle ermöglicht es also auf einfache
Weise, die Zusammensetzung des Fluids zu ermitteln oder zumindest
soweit abzuschätzen, daß zusammensetzungsabhängige Unterschiede
im Wärmeabführvermögen des Fluids beim Betrieb des Strömungs
sensors berücksichtigt werden können, um eine zuverlässige
Durchflußmessung zu erzielen. Da der erfindungsgemäße thermische
Durchflußsensor sowohl den Strömungssensor als auch die Wärme
leitfähigkeitsmeßzelle aufweist, ist sichergestellt, daß alle
Messungen immer an demselben Fluid erfolgen.
Vorzugsweise weist der thermische Durchflußsensor eine Steuer-
und Auswerteeinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, mittels
der der zweiten Heizeinrichtung zugeführten Heizleistung und der
Temperatur des zweiten Temperaturfühlers ein das Wärmeabführver
mögen des Fluids charakterisierendes erstes Meßsignal zu erzeugen
sowie mittels der der ersten Heizeinrichtung zugeführten
Heizleistung, der Temperatur des ersten Temperaturfühlers und des
ersten Meßsignals ein den Durchfluß des Fluids charakterisieren
des zweites Meßsignal zu erzeugen. Dabei ist das erste Meßsignal
vorzugsweise der Zusammensetzung des Fluids zugeordnet. Die
Steuer- und Auswerteeinrichtung ermöglicht einen vorzugsweise
vollautomatischen Betrieb des Strömungssensors und der Wärmeleit
fähigkeitsmeßzelle unter den oben erläuterten Umständen. In einer
bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteein
richtung dazu eingerichtet, mittels bei Kalibrierungsmessungen
bestimmter Parameter und dem zweiten Meßsignal den Durchfluß des
Fluids zu bestimmen. Mit Hilfe solcher Kalibrierungsmessungen
unter Verwendung vorgegebener Fluide bei vorgegebenen Bedingungen
lassen sich die in die Auswertung der Meßergebnisse eingehenden
Größen ermitteln, wie bereits oben erwähnt, so daß es prinzipiell
möglich ist, aus der Steuer- und Auswerteeinrichtung direkt den
Durchflußwert eines strömenden Fluids auszugeben, zum Beispiel
auf eine Anzeige oder in einen Speicher.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der thermische
Durchflußsensor einen dritten Temperaturfühler auf, der zum
Messen der Umgebungstemperatur eingerichtet ist. Die Genauigkeit
des thermischen Durchflußsensors steigt mit der Genauigkeit, mit
der die Umgebungstemperatur bekannt ist. So geht zum Beispiel in
die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit die Differenz der Tempera
tur der zweiten Heizeinrichtung und der weitgehend mit der
Umgebungstemperatur übereinstimmenden Temperatur des Meßzel
lengehäuses ein.
Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu
eingerichtet, die Heizleistung der ersten Heizeinrichtung so zu
regeln, daß die Temperatur des ersten Temperaturfühlers um einen
vorgegebenen Wert oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Die
Steuer- und Auswerteeinrichtung kann auch dazu eingerichtet sein,
die Heizleistung der zweiten Heizeinrichtung so zu regeln, daß
die Temperatur des zweiten Temperaturfühlers um einen vor
gegebenen Wert oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. So läßt
sich zum Beispiel die Temperatur der ersten Heizeinrichtung und
der zweiten Heizeinrichtung durch Regeln der jeweiligen Heizlei
stungen um 50 K über der Umgebungstemperatur halten. Die
momentane Heizleistung ist dann ein unmittelbares Maß für die von
dem Strömungssensor von dem Fluid abgeführte Wärmemenge pro
Zeiteinheit bzw. für die in der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle pro
Zeiteinheit durch Wärmeleitung wegtransportierte Wärmemenge.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Meßzellengehäuse
einen porösen Sinterkörper auf, der für das Fluid durchlässig
ist. Der Sinterkörper bildet so viele kleine Öffnungen, über die
das Fluid aus einem Bereich, in dem es unter Umständen mit hoher
Geschwindigkeit strömt, in das Innere des Meßzellengehäuses
eintreten kann, wo es nicht strömen darf, weil sonst die Messung
der Wärmeleitfähigkeit durch einen Konvektionsanteil verfälscht
würde. Vorzugsweise weist das Meßzellengehäuse entfernt von dem
Sinterkörper eine weitere Öffnung auf. Das Meßzellengehäuse kann
eine zylindrische Grundform haben, wobei der Sinterkörper an
einer Stirnseite, die weitere Öffnung an der Mantelfläche der
zylindrischen Grundform und die zweite Heizeinrichtung sowie der
zweite Temperaturfühler im Bereich um die Längsachse der
zylindrischen Grundform angeordnet sind. Bei einer derartigen
Anordnung wird durch das außerhalb des Meßzellengehäuses an der
weiteren Öffnung vorbeiströmende Fluid innerhalb des Meßzel
lengehäuses ein Unterdruck erzeugt, der Fluid durch den Sinter
körper in das Meßzellengehäuse einsaugt. Dadurch ist gewähr
leistet, daß das Fluid ständig ohne störende Konvektionsbewegun
gen aus dem Meßzellengehäuse ausgetauscht wird und somit in
seiner Zusammensetzung mit dem an dem Strömungssensor vor
beiströmenden Fluid übereinstimmt.
Die erste Heizeinrichtung sowie der erste Temperaturfühler sind
vorzugsweise in thermischem Kontakt in einer ersten Kapsel
angeordnet; Entsprechendes kann auch für die zweite Heizeinrich
tung sowie den zweiten Temperaturfühler gelten. Bei dieser
Ausgestaltung nimmt der erste bzw. zweite Temperaturfühler die
Temperatur der jeweiligen Heizeinrichtung direkt an, was die
Meßgenauigkeit erhöht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmeleitfähig
keitsmeßzelle im Strömungsschatten angeordnet, zum Beispiel im
Strömungsschatten des Strömungssensors oder im Strömungsschatten
des dritten Temperaturfühlers. Durch eine derartige Anordnung
lassen sich Verschmutzungen des Sinterkörpers durch Schmutz
partikel, die in der Fluidströmung mitgeführt werden, weitgehend
verhindern.
Die erste Heizeinrichtung und/oder die zweite Heizeinrichtung
können einen Heizwiderstand aufweisen, der im Arbeitsbereich
einen positiven Temperaturkoeffizienten hat. Ein derartiger PTC-
Heizwiderstand bildet eine zuverlässige Sicherung gegen Überhit
zung, was zum Beispiel wichtig ist, wenn das Fluid ein ex
plosionsfähiges Gas ist. Wenn durch einen Fehler bei der
Steuerung oder Regelung der dem jeweiligen Heizwiderstand
zugeführten Heizleistung die Temperatur des Heizwiderstandes
ansteigen würde, würde der resultierende höhere Widerstandswert
bei einer von der Spannungsversorgung vorgegebenen oberen
Spannungsgrenze zu einem Absinken des Heizstroms führen, so daß
die Temperatur sinkt. Das System ist also in sich ohne zusätz
liche Sicherheitseinrichtungen stabil.
Vorzugsweise sind der Strömungssensor und die Wärmeleitfähig
keitsmeßzelle an einem gemeinsamen Sockel montiert und über ein
an einer Rohrleitung für das strömende Fluid vorgesehenem T-Stück
mit dem Fluid in Kontakt bringbar. Eine derartige Bauform ist
übersichtlich, kostengünstig und ermöglicht es, auf einfache
Weise Wartungsarbeiten durchzuführen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen thermi
schen Durchflußsensor, der in einem T-Stück montiert
ist, das in einer Rohrleitung mit strömendem Fluid
eingebaut sein kann,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch die Anordnung aus
Fig. 1 in Höhe der Linie II-II aus Fig. 1,
Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch Teile des ther
mischen Durchflußsensors entsprechend Fig. 1 entlang
der abgewinkelten Linie A-A aus Fig. 2 und
Fig. 4 einen Längsschnitt, der den inneren Aufbau einer bei
dem thermischen Durchflußsensor gemäß Fig. 1 ver
wendeten Kapsel verdeutlicht.
In Fig. 1 ist ein thermischer Durchflußsensor 1 in einem in
einer Rohrleitung eingebauten Zustand dargestellt. Durch die
Rohrleitung strömt ein Fluid (im Ausführungsbeispiel ein Gemisch
aus Luft und Propan- und Butangas), dessen Durchfluß bestimmt
werden soll.
Der thermische Durchflußsensor 1 hat einen Sockel 2 aus Metall,
an dem ein Strömungssensor 3 und eine Wärmeleitfähigkeitsmeß
zelle 4 angebracht sind. Mit dem Sockel 2 ist ein Rohransatz 5
verschraubt, an dessen oberem Ende eine Kabelverschraubung 6
sitzt. Mit Hilfe des Rohransatzes 5 und der Kabelverschraubung 6
sind die elektrischen Zuleitungskabel befestigt, die zu dem
Strömungssensor 3, der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 und einem
separaten Temperatursensor (siehe unten) führen. Das andere Ende
der elektrischen Zuleitungskabel ist mit einer separaten Steuer-
und Auswerteeinrichtung verbunden, die eine weitere Komponente
des thermischen Durchflußsensors 1 ist, aber in den Figuren nicht
dargestellt ist.
In Fig. 1 ist ersichtlich, wie der thermische Durchflußsensor 1
in einem T-Stück 10 sitzt. Dabei sind der Sockel 2 und der
Rohransatz 5 von einer Verschraubung 12 gehalten. Weitere
Verschraubungen 14 und 15, die in Fig. 1 mit zugehörigen
Schneidringen 16 und 17 in Explosionsansicht dargestellt sind,
dienen zum Verbinden des T-Stücks 10 mit einem Rohrleitungs
system. Mit Hilfe des T-Stücks 10 kann der thermische Durch
flußsensor 1 auf einfache Weise in eine Rohrleitung eingefügt und
bei Bedarf schnell ausgetauscht werden.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Anordnung aus Fig. 1
in Höhe der Linie II-II. Die Strömungsrichtung des durch die
Rohrleitung fließenden Fluids ist in Fig. 2 durch den Pfeil S
gekennzeichnet. Man erkennt im Querschnitt den Strömungssensor 3
und die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 sowie den bereits erwähnten
Temperatursensor, der in Fig. 2 mit 18 bezeichnet ist. Der
Temperatursensor 18 hat ähnliche äußere Abmessungen wie der
Strömungssensor 3 und ragt ebenso wie der Strömungssensor 3 und
die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 in das strömende Fluid. Ferner
ist in Fig. 2 die Wandung 19 des T-Stücks 10 zu erkennen.
In bezug auf die Lage des Strömungssensors 3 und der Wärmeleitfä
higkeitsmeßzelle 4 ist die Schnittebene in Fig. 1 nicht präzise
definiert. Im Unterschied dazu gibt Fig. 2 die Anordnung des
Strömungssensors 3, der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 und des
Temperatursensors 18 in dem Sockel 2 genau wieder und ver
deutlicht mit Hilfe der Linie A-A die Schnittebenen der Längs
schnittdarstellung in Fig. 3. Im folgenden wird der thermische
Durchflußsensor 1 insbesondere anhand der Fig. 3 und 4 im
einzelnen erläutert.
Wie Fig. 3 erkennen läßt, ist der Sockel 2 so ausgeformt, daß
er die Innenseite der Wandung des T-Stücks 10 ergänzt, ohne daß
störende Vorsprünge oder Vertiefungen entstehen, die zu un
erwünschten Turbulenzen bei der Fluidströmung führen könnten. Der
Sockel 2 hat eine Basis 20, die nach oben in einen Zylinder
ansatz 22 übergeht, von dem mehrere radiale Vorsprünge 23
ausgehen. Die Vorsprünge 23 sind auf entsprechende Nuten in dem
T-Stück 10 abgestimmt und sorgen für einen wohldefinierten Sitz
der Basis 20 in azimutaler Richtung. Der obere Endbereich des
Zylinderansatzes 22 ist mit einem Außengewinde 24 versehen, an
dem ein darauf abgestimmtes Innengewinde des Rohransatzes 5
angreifen kann.
Durch die Basis 20 führt eine dreistufige Bohrung 25 mit einem
unteren Bereich 26, einem mittleren Bereich 27 und einem oberen
Bereich 28. Der untere Bereich 26 hat einen größeren Durchmesser
als der mittlere Bereich 27 und der obere Bereich 28 einen
kleineren Durchmesser. In die dreistufige Bohrung 25 ist der
Strömungssensor 3 eingesetzt. Eine ähnliche dreistufige Boh
rung 29 trägt die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 und ist auf deren
Abmessungen abgestimmt. Schließlich weist der Sockel 2 noch eine
weitere Bohrung für den Temperatursensor 18 auf.
Der Strömungssensor 3 hat ein Gehäuse in Form einer Kapsel 30,
die im Ausführungsbeispiel aus einem dünnwandigen Metallröhrchen
mit einem geschlossenen, konisch geformten Endbereich besteht.
Wie in Fig. 4 zu sehen, befinden sich im Innenraum der Kapsel 30
eine erste Heizeinrichtung 32 und ein erster Temperaturfühler 34,
die über eine Vergußmasse 36 in engem thermischem Kontakt
untereinander und mit der Wandung der Kapsel 30 stehen. Über die
andere Stirnseite der Kapsel 30, die offen steht, sind Zuleitun
gen 38 zu der ersten Heizeinrichtung 32 und dem ersten Tempera
turfühler 34 ins Innere der Kapsel 30 geführt. Im Ausführungsbei
spiel ist die Heizeinrichtung 32 ein PTC-Widerstand, also ein
Heizwiderstand, dessen Widerstandswert im Arbeitsbereich mit der
Temperatur zunimmt. Der erste Temperaturfühler 34 ist im
Ausführungsbeispiel ein Platin-Meßwiderstand.
Wie Fig. 3 zeigt, besteht nur im mittleren Bereich 27 der
dreistufigen Bohrung 25 ein direkter thermischer Kontakt zwischen
der Basis 20 und der Kapsel 30, während der durch den unteren
Bereich 26 der dreistufigen Bohrung 25 geschaffene Zwischenraum
dafür sorgt, daß sich im Betrieb des thermischen Durchflußsen
sors 1 an der ersten Heizeinrichtung 32 eine Temperatur ein
stellen kann, die unabhängig von der Temperatur des Sockels 2
ist, also unabhängig von der Umgebungstemperatur.
Die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 enthält eine Kapsel 40, die so
konstruiert ist wie die Kapsel 30 und in ihrem Innenraum eine
zweite Heizeinrichtung und einen zweiten Temperaturfühler trägt,
die über eine Vergußmasse in thermischem Kontakt mit dem unteren
Bereich der Wandung der Kapsel 40 stehen, ähnlich wie bei dem
Strömungssensor 3. Auch die entsprechenden Zuleitungen sind in
vergleichbarer Weise geführt. Die Kapsel 40 ist von einem
Meßzellengehäuse 42 von zylindrischer Grundform umgeben, wie in
Fig. 3 dargestellt. Das Meßzellengehäuse 42 hat eine Stirnsei
te 44, in die als Öffnung ein Sinterkörper 46 eingesetzt ist. In
dem in Fig. 3 gezeigten montierten Zustand der Wärmeleitfähig
keitsmeßzelle 4 wird durch das Meßzellengehäuse 42 eine ge
schlossene Wandung geschaffen, die die Kapsel 40 in einem Abstand
umgibt und so einen Innenraum schafft, der nur über den Sinter
körper 46 und eine kleine weitere Öffnung 48 an der Mantelfläche
des Meßzellengehäuses 42 zugänglich ist. Durch den Sinterkör
per 46 kann Fluid in den genannten Innenraum eintreten. Dies
geschieht im wesentlichen durch Diffusion, denn der Sinterkörper
hat eine derartig geringe Porengröße, daß praktisch keine
makroskopischen Strömungen vorkommen. Im Betrieb der Wärmeleit
fähigkeitsmeßzelle 4 findet daher ein Wärmetransport zwischen der
Kapsel 40 und dem Meßzellengehäuse 42, das sich praktisch auf
Umgebungstemperatur befindet, im wesentlichen nur durch Wärmelei
tung statt, weshalb die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 eine
Messung der Wärmeleitfähigkeit des Fluids ermöglicht. Wenn Fluid
durch das T-Stück 10 außen an der weiteren Öffnung 48 entlang
strömt, entsteht im Innenraum des Meßzellengehäuses 42 ein
geringfügiger Unterdruck, über den ständig frisches Fluid durch
den Sinterkörper 46 nachgesaugt wird. Daher ist gewährleistet,
daß die Zusammensetzung des Fluids innerhalb des Meßzellengehäu
ses 42 mit der des in dem T-Stück 10 strömenden Fluid überein
stimmt.
Auch der Temperatursensor 18 weist eine Kapsel auf, die so
aufgebaut ist wie die Kapsel 30. In deren Innenraum befindet sich
lediglich ein Temperaturfühler, der über eine Vergußmasse in
thermischem Kontakt mit der Kapsel steht, aber keine Heiz
einrichtung.
Die Zuleitungen zu dem Strömungssensor 3, der Wärmeleitfähig
keitsmeßzelle 4 und dem Temperatursensor 18 sind alle mit der
Steuer- und Auswerteeinrichtung verbunden, wie bereits erwähnt.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung regelt die Heizleistung der
ersten Heizeinrichtung 32, deren Temperatur von dem ersten
Temperaturfühler 34 erfaßt wird, die Heizleistung der zweiten
Heizeinrichtung, deren Temperatur von dem zweiten Temperaturfüh
ler gemessen wird (Kapsel 40), betreibt diese Temperaturfühler
sowie den Temperatursensor 18 und führt im Ausführungsbeispiel
einen vollautomatischen Meßablauf durch, dessen Ergebnis, nämlich
der Durchfluß des Fluids durch das T-Stück 10, an der Steuer- und
Auswerteeinrichtung abgelesen werden kann. Wie der Strömungs
sensor 3, die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 und der Temperatur
sensor 18 als solche betrieben werden, ist einem Fachmann klar.
Für das Folgende reicht es daher, die wesentlichen Punkte sowie
die Bedeutung der Wärmeleitfähigkeitsmessung im Ablauf her
auszustellen.
Im Ausführungsbeispiel werden die erste Heizeinrichtung 32
(Kapsel 30) und die zweite Heizeinrichtung (Kapsel 40) in der
Heizleistung so geregelt, daß die jeweilige Heizeinrichtung eine
Temperatur hat, die um 50 K über der von dem Temperatursensor 18
erfaßten Umgebungstemperatur liegt. Die dafür erforderliche
Heizleistung wird ständig gemessen.
Fluid, das durch das T-Stück 10 strömt, führt Wärme von dem
Strömungssensor 3 ab, die von der ersten Heizeinrichtung 32
ständig nachgeliefert werden muß, um die von dem ersten Tempera
turfühler 34 gemessene Temperatur konstant um 50 K über der
Umgebungstemperatur zu halten. Je größer der Durchfluß ist, um
so mehr Wärme wird abgeführt. Die Heizleistung der ersten
Heizeinrichtung 32 ist also ein Maß für den zu bestimmenden
Durchfluß. Da das Wärmeabführvermögen des Fluids jedoch auch von
dessen Zusammensetzung abhängt, sind Informationen hierüber
erforderlich.
Die benötigten Informationen werden mit Hilfe der Wärmeleitfähig
keitsmeßzelle 4 gewonnen. Die Zusammensetzung des Fluids läßt
sich nämlich empirisch aus der Wärmeleitfähigkeit ermitteln. Wie
die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 betrieben wird, wurde bereits
erläutert. Weitere Größen, die zur Auswertung der Meßergebnisse
und damit zur Bestimmung des Durchflusses erforderlich sind,
können durch separate Kalibrierungsmessungen gewonnen und von der
Steuer- und Auswerteeinrichtung als Parameter benutzt werden.
Anschaulich gesehen, verwendet die Steuer- und Auswerteein
richtung eine Kurvenschar, die die Heizleistung der ersten
Heizeinrichtung 32 als Funktion des zu bestimmenden Durchflusses
angibt. Welche Kurve dieser Kurvenschar zu einem gegebenen
Zeitpunkt eingesetzt werden muß, hängt von der Zusammensetzung
des Fluids zu diesem Zeitpunkt ab, also von dessen Wärmeleitver
mögen oder dem hierfür maßgeblichen Meßwert, nämlich der der
zweiten Heizeinrichtung zugeführten Heizleistung. Die Steuer- und
Auswerteeinrichtung kann daher in Reaktion auf diese Heizleistung
ein Meßsignal erzeugen, mit dem die geeignete Kurve aus der
Kurvenschar ausgewählt wird, um den Durchfluß zu bestimmen und
gegebenenfalls anzuzeigen.
Claims (20)
1. Thermischer Durchflußsensor,
- - mit einem Strömungssensor (3), der eine erste Heizeinrich tung (32) und einen auf die Temperatur der ersten Heizein richtung (32) reagierenden ersten Temperaturfühler (34) aufweist und der einem strömenden Fluid, dessen Durchfluß zu bestimmen ist, aussetzbar ist, und
- - mit einer Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle (4), die ein Meßzel lengehäuse (42), eine zweite Heizeinrichtung und einen auf die Temperatur der zweiten Heizeinrichtung reagierenden zweiten Temperaturfühler aufweist, wobei das Meßzellengehäu se (42) mindestens eine zum Eintreten des Fluids in das Meßzellengehäuse (42) eingerichtete Öffnung (46) hat.
2. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die dazu einge
richtet ist, mittels der der zweiten Heizeinrichtung zuge
führten Heizleistung und der Temperatur des zweiten Tempe
raturfühlers ein das Wärmeabführvermögen des Fluids charak
terisierendes erstes Meßsignal zu erzeugen sowie mittels der
der ersten Heizeinrichtung (32) zugeführten Heizleistung,
der Temperatur des ersten Temperaturfühlers (34) und des
ersten Meßsignals ein den Durchfluß des Fluids charakteri
sierendes zweites Meßsignal zu erzeugen.
3. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das erste Meßsignal der Zusammensetzung des
Fluids zugeordnet ist.
4. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu
eingerichtet ist, mittels bei Kalibrierungsmessungen
bestimmter Parameter und dem zweiten Meßsignal den Durchfluß
des Fluids zu bestimmen.
5. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
4, gekennzeichnet durch einen dritten Temperaturfühler (18),
der zum Messen der Umgebungstemperatur eingerichtet ist.
6. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 2 und 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu
eingerichtet ist, die Heizleistung der ersten Heizeinrich
tung (32) so zu regeln, daß die Temperatur des ersten Tempe
raturfühlers (34) um einen vorgegebenen Wert oberhalb der
Umgebungstemperatur liegt und/oder daß die Steuer- und Aus
werteeinrichtung dazu eingerichtet ist, die Heizleistung der
zweiten Heizeinrichtung so zu regeln, daß die Temperatur des
zweiten Temperaturfühlers um einen vorgegebenen Wert ober
halb der Umgebungstemperatur liegt.
7. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßzellengehäuse (42)
einen porösen Sinterkörper (46) aufweist, der für das Fluid
durchlässig ist.
8. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Meßzellengehäuse (42) entfernt von dem
Sinterkörper (46) eine weitere Öffnung (48) aufweist.
9. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Meßzellengehäuse (42) eine zylindrische
Grundform hat, wobei der Sinterkörper (46) an einer Stirn
seite (44), die weitere Öffnung (48) an der Mantelfläche der
zylindrischen Grundform und die zweite Heizeinrichtung sowie
der zweite Temperaturfühler im Bereich um die Längsachse der
zylindrischen Grundform angeordnet sind.
10. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Heizeinrich
tung (32) sowie der erste Temperaturfühler (34) in ther
mischem Kontakt in einer ersten Kapsel (30) angeordnet sind
und/oder daß die zweite Heizeinrichtung sowie der zweite
Temperaturfühler in thermischem Kontakt in einer zweiten
Kapsel (40) angeordnet sind.
11. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeitsmeß
zelle (4) im Strömungsschatten angeordnet ist, vorzugsweise
im Strömungsschatten des Strömungssensors (3).
12. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Heizeinrich
tung (32) einen Heizwiderstand aufweist, der im Arbeitsbe
reich einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, und/oder
daß die zweite Heizeinrichtung einen Heizwiderstand auf
weist, der im Arbeitsbereich einen positiven Temperaturko
effizienten hat.
13. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungssensor (3) und
die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle (4) an einem gemeinsamen
Sockel (2) montiert sind und über ein an einer Rohrleitung
für das strömende Fluid vorgesehenem T-Stück (10) mit dem
Fluid in Kontakt bringbar sind.
14. Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids,
- - bei dem das Fluid an einem Strömungssensor (3) vorbei strömt, der eine erste Heizeinrichtung (32) und einen auf die Temperatur der ersten Heizeinrichtung (32) reagierenden ersten Temperaturfühler (34) aufweist,
- - bei dem ein Teil des Fluids in eine Wärmeleitfähigkeits meßzelle (4) eintritt, die ein Meßzellengehäuse (42), eine zweite Heizeinrichtung und einen auf die Temperatur der zweiten Heizeinrichtung reagierenden zweiten Temperaturfüh ler aufweist, wobei das Meßzellengehäuse (42) mindestens eine zum Eintreten des Fluids in das Meßzellengehäuse (42) eingerichtete Öffnung (46) hat, und
- - bei dem mittels der der zweiten Heizeinrichtung zugeführ ten Heizleistung und der Temperatur des zweiten Temperatur fühlers ein das Wärmeabführvermögen des Fluids charakteri sierendes erstes Meßsignal erzeugt wird sowie mittels der der ersten Heizeinrichtung (32) zugeführten Heizleistung, der Temperatur des ersten Temperaturfühlers (34) und des ersten Meßsignals ein den Durchfluß des Fluids charakteri sierendes zweites Meßsignal erzeugt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
mittels eines dritten Temperaturfühlers (18) die Umgebungs
temperatur gemessen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Heizleistung der ersten Heizeinrichtung (32) so geregelt
wird, daß die Temperatur des ersten Temperaturfühlers (34)
um einen vorgegebenen Wert oberhalb der Umgebungstemperatur
liegt und/oder daß die Heizleistung der zweiten Heizeinrich
tung so geregelt wird, daß die Temperatur des zweiten Tempe
raturfühlers um einen vorgegebenen Wert oberhalb der Umge
bungstemperatur liegt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge
kennzeichnet, daß das erste Meßsignal der Zusammensetzung
des Fluids zugeordnet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Durchfluß des Fluids aus dem zweiten
Meßsignal und bei Kalibrierungsmessungen bestimmten Parame
tern bestimmt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Meßzellengehäuse (42) einen porösen
Sinterkörper (46) aufweist, der für das Fluid durchlässig
ist, daß das Meßzellengehäuse (42) entfernt von dem Sinter
körper (46) eine weitere Öffnung (48) aufweist, und daß
durch das außerhalb des Meßzellengehäuses (42) an der weite
ren Öffnung (48) vorbeiströmende Fluid innerhalb des Meßzel
lengehäuses (42) ein Unterdruck erzeugt wird, der Fluid
durch den Sinterkörper (46) in das Meßzellengehäuse (42)
einsaugt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Durchfluß eines aus Luft und aus Koh
lenwasserstoffen mit bis zu vier Kohlenstoffatomen bestehen
den Gemisches bestimmt wird.
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