DE2311103C2

DE2311103C2 - Einrichtung zur Messung der Durchflußrate eines Strömungsmittels

Info

Publication number: DE2311103C2
Application number: DE19732311103
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Chem. 8000 München Ulrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-03-06
Filing date: 1973-03-06
Publication date: 1984-01-12
Also published as: DE2311103A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Durchflußrate eines Strömungsmittels, mit zwei in Strömungsrichtung unmittelbar hintereinander angeordneten temperaturabhängigen Widerständen in dem die zu untersuchende Strömungsmittelströmung führenden Strömungskanal, die jeweils einer auf konstante Temperatur des betreffenden Widerstandes regelnden Drückenschaltung zugeordnet sind, sowie mit einer Subtraktionsschaltung, welche die an den Brükkenschaltungen anstehenden Spannungen zur Durchflußmessung voneinander subtrahiert (älteres Recht gemäß Patent 22 09 413).

Zum besseren Verständnis sei hier auf die F i g. 1 bis 3d der Zeichnungen eingegangen, welche zur Erläuterung der physikalischen Vorgänge bei Einrichtungen der hier angegebenen Art dienen. In Fig. 1 ist die Abhängigkeit der Brückenspannung der einem einzigen temperaturabhängigen Widerstand in Gestalt einer Heißleiterperle zugeordneten Brückenschaltung in Abhängigkeit von der Gasströmung als Eichkurve aufgetragen, wobei die Heißleiterperle beispielsweise einen Durchmesser von 0,3 mm hat und in einem Meß-Strömungskanal von 1 mm Durchmesser angeordnet ist. Die Eichkurve folgt etwa einer Parabel. Man erkennt, daß erst oberhalb einer als Beispiel gewählten Luftströmung von 1 ml/min bis 2 ml/min die Durchflußrate gemessen werden kann, ohne daß eine Information bezüglich der Strömungsrichtung erhalten wird. Für die etwa parabolische Gestalt der Eichkurve nach F i g. 1 derart, daß in Nullpunktnähe bei geringen Gasströmungsgeschwindigkeiten nahezu kein Meßwertausgang erhalten wird, läßt sich anhand der Fig.3a und 3b folgende Erklärung geben:

Der erhitzte temperaturabhängige Widerstand erwärmt das Gas in seiner Umgebung, solange keine Strömung auftritt, derart, daß die Isothermen die Gestalt zueinander konzentrischer Kugeln um die hier als Beispiel gewählte Heißleiterperle herum besitzen. Die Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung in dem umgebenden Gas kann auch als Diffusionsgeschwindigkeit des wärmeren Gases entsprechend der Temperaturleitzahl betrachtet werden.

Tritt nun eine sehr geringe Gasströmung hinzu, so tritt diese Gasströmung mit der Diffusionsgeschwindigkeit der erwärmten Gasmoleküle in Konkurrenz, wobei im Falle geringer Strömungsgeschwindigkeiten die heißen Gasmoleküle gegen die Strömung andiffundieren können. Es ergibt sich dann gegenüber der Darstellung nach Fig. 3a eine exzentrische Verschie-

bung der kugelförmig bleibenden Isothermen, wie in F i g. 3b gezeigt ist Die exzentrische Verschiebung der kugelförmig bleibenden Isothermen gemäß Fig.3b bewirkt keine wesentliche Veränderung der Wärmeabfuhr vom temperaturabhängigen Widerstand, da einer Vergrößerung des Temperaturgradient en entgegen der Strömung eine Verkleinerung des Temperaturgradienten in Strömungsrichtung gegenübersteht, während quer zur Strömungsrichtung die Temperaturgradienien im wesentlichen gleich bleiben. ι ο

Verwendet man jedoch eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art mit zwei in Strömungsrichtung unmittelbar hintereinander angeordneten temperaturabhängigen Widerständen (bekannt auch aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 18 76 734), so ergibt sich is als Eichkurve der Brückenspannungsdifferenz in Abhängigkeit von der Gasströmung der in F i g. 2 gezeigte Kurvenverlauf. Die Eichkurve geht geradlinig durch den Nullpunkt und verläuft im Bereich von etwa ±10m)/min nahezu linear. Durchfluöraten von 0,01 ml/min lassen sich auch ohne Schwierigkeiten messen. Eine Information über die Strömungsrichtung erhält man aus dem Vorzeichen der Brückenspannungsdifferenz.

Ist keine Gasströmung vorhanden, so haben die Isothermen um die im Strömungskanal unmittelbar hintereinander angeordneten temperaturabhängigen Widerstände, beispielsweise die Heißleiterperlen, herum die in Fig.3c gezeigte symmetrische Gestalt, während beim Auftreten einer Gasströmung gemäß F i g. 3d die Isothermen etwa Birnenform erhalten. Man erkennt, daß an einer Heißleiterperle, nämlich der von der Gasströmung zuerst getroffenen Heißleiterperle, bezogen auf einen verhältnismäßig großen Raumwinkel eine Vergrößerung des Temperaturgradienten stattfindet, während an der anderen Heißleiterperle, ebenfalls innerhalb eines großen Raumwinkels, eine Verringerung der Temperaturgradienten stattfindet. Es findet also ein Wärmetransport von einem Meßwiderstand zum anderen statt. Die Differenz beider Wärmeabfuhren hängt in der Polarität von der Strömungsrichtung ab und demgemäß Hefen die Eichkurve nach F i g. 2 durch das Spannungsvorzeichen die Information über die Strömungsrichtung.

Die Bildung der Brückenspannungsdifferenz als Meßgröße zur Bestimmung der Durchflußrate hat den zusätzlichen Vorteil, daß Einflüsse auf das Meßergebnis aufgrund der Wärmeableitung über Anschlußdrähte der temperaturabhängigen Widerstände, aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Meßwiderstand und Umgebungstemperatur und aufgrund des Temperaturgradienten zu einer umgebenden Kanalwand, ausgeschaltet werden.·

Einen wesentlichen Einfluß auf das Meßergebnis hat jedoch die Wärmeleitfähigkeit des Gases oder Gasgemisches, dessen Durchflußrate bestimmt werden soll. Dieser Einfluß der Wärmeleitfähigkeit ist schon zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit selbst in Meßeinrichtungen ausgewertet worden, bei denen eine Brückenschaltung einem in der Strömungsmittelströmung angeordneten temperaturabhängigen Widerstand und eine weitere Brückenschaltung einem weiteren temperaturabhängigen Widerstand zugeordnet ist, der sich in einem von der Strömungsmittelströmung abgeschirmten Volumen des betreffenden Gases oder Gasgemisches befindet. Eine der Wärmeleitfähigkeit entsprechende Spannung wird durch Differenzbildung der Brückenspannungen erhalten (US-Patentschrift 29 47 938).

Schließlich ist es auch bekannt, den Einfluß der Wärmeleitfähigkeit auf das mittels einer Heißleiterperle innerhalb eines Strömungskanals gebildete Ergebnis einer Durchflußmessung unter Verwendung eines weiteren Heißleiters zu kompensieren, der in einem von der zu untersuchenden Strömung abgeschirmten Volumen des betreffenden Gases oder Gasgemisches untergebracht ist (deutsche Offenlegungsschrift 20 28 863).

Ausgehend von diesem Stande der Technik soll durch die Erfindung die Aufgabe gelöst werden, die Durchflußrate eines Strömungsmittels unabhängig von seiner Wärmeleitfähigkeit bestimmen zu können, ohne auf die Vorteile einer Anordnung unmittelbar in Strömungsrichtung hintereinander angeordneter temperaturabhängiger Widerstände verzichten zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch die im anliegenden Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst

Der vom Vergleichsmedium umgebene temperaturabhängige Widerstand kann sich auch in einem evakuierten Volumen befinden oder in einer Kammer angeordnet sein, in der sich das Vergleichsmedium befindet, ohne durch diese Kammer zu strömen.

Für die anhand der F i g. 3c und 3d in Verbindung mit Fig.2 erläuterten Vorgänge, insbesondere für die Verformung der Isothermen in Abweichung von der symmetrischen Gestalt gemäß F i g. 3d sind bei einer bestimmten Strömungsmittelströmung die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärme des betreffenden Strömungsmittels bestimmend. Für eine eindeutige Ermittlung der Durchflußrate in der hier vorgeschriebenen Weise ist es daher notwendig, das betreffende Strömungsmittel zu identifizieren, was unter Verwendung der hier angegebenen Einrichtung durch Bestimmung der spezifischen Wärme geschehen kann, wie im anliegenden Anspruch 4 vorgeschlagen ist.

Im übrigen sind zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der oben kurz beschriebenen Einrichtung Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7, auf die hier zur Vereinfachung der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird. Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der F i g. 4 bis 6 beschrieben, nachdem auf die F i g. 1 bis 3d oben schon eingegangen wurde. Es zeigt

F i g. 4 eine Einrichtung zur Messung der Durchflußrate und zur Wärmeleitfähigkeitsmessung sowie zur Ermittlung der spezifischen Wärme einer zu untersuchenden Gasströmung,

F i g. 5 ein schematisches Schaltbild einer Verstärkeranoidnung und einer Subtraktionsschaltung für die hier vorgeschlagene Einrichtung zur Messung der Durchflußrate und

Fig.6 eine Einrichtung zur Sauerstoff-Durchflußmessung, wobei einer Strömung des zu untersuchenden Gases eine Wechselströmung des Sauerstoffs durch Ausnützen der paramagnetischen Eigenschaft des Sauerstoffs überlagert wird.

F i g. 4 zeigt den Aufbau einer Meßeinrichtung, die es gestattet, mittels zweier Paare von temperaturabhängigen Widerständen die Durchflußrate unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit zu ermitteln. Die Strömung eines Vergleichsmediums wird durch einen Kanal 38 geleitet, während eine Strömung zu untersuchenden Strömungsmittels durch den Kanal 39 zustande kommt. Der Kanal 39 enthält ein Paar temperaturabhängiger Widerstände 40 entsprechend dem in den F i g. 3c und 3d schematisch gezeigten Prinzip. Außerdem ist ein weiteres Paar temDeraturabhäneieer Widerstände 41

jeweils in Nischen der Strömungskanäle 38 und 39 angeordnet. Das Widerstandspaar 40 liefert nach Verstärkung und Differenzbildung der jeweils zugehörigen Brückenspannungen der den Widerständen jeweils zugeordneten Brückenschaltungen innerhalb der Schaltung 44 eine Information über die Durchflußrate des zu untersuchenden Strömungsmittels.

Das Paar temperaturabhängiger Widerstände 41 liefert nach Verstärkung und Differenzbildung der betreffenden Brückenbetriebsspannungen in der Schal- ^|0 tung 46 die Information über die Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Strömungsmittels gegenüber einem Vergleichsströmungsmittel oder Vergleichsmedium.

Wird das Ausgangssignal der Schaltung 46, nämlich das Meßergebnis entsprechend der Wärmeleitfähigkeit, ¹^ von dem Ausgangssignal der Schaltung 44, nämlich dem Meßergebnis entsprechend der Durchflußrate, subtrahiert, was in einer Schaltung 47 geschieht, so kann an einem Anzeigegerät 48 ein Ergebnis entsprechend der Durchflußrate, von Einflüssen der Wärmeleitfähigkeit des betreffenden Strömungsmittels bereinigt, abgelesen werden.

Die Subtraktion eines von der Wärmeleitfähigkeit des Strömungsmittels abhängigen Signals von dem von der Durchflußrate abhängigen Signal führt bei der hier -⁵ vorgeschlagenen Einrichtung mit der Anordnung zweier temperaturabhängiger Widerstände im Strömungskanal unmittelbar hintereinander entsprechend den F i g. 3c und 3d zu einem vom Einfluß der Wärmeleitfähigkeit bereinigten Meßergebnis bezüglich der Durchflußrate, da bei der genannten Anordnung der temperaturabhängigen Widerstände sich die Wirkung der Strömung und die Wirkung der Wärmeleitfähigkeit des Strömungsmittels auf die Wärmeabfuhr von den temperaturabhängigen Widerständen im Ausgangssignal der Schaltung 44 gleichsinnig überlagern.

Soli gleichzeitig die spezifische Wärme des zu untersuchenden. Strömungsmittels zu dessen Identifizierung unter Verwendung der gezeigten Anordnung bestimmt werden, so wird eine Modulation der zu untersuchenden Gasströmung mit bekannter Amplitude entsprechend einer Wechselströmung vorgenommen. Hierzu enthält der Strömungskanal 39 einen Abzweig 42 und in diesem einen mit bekanntem Hub und bekannter Frequenz auf- und niederbewegbaren KoI- *5 ben 43, welcher bewirkt, daß der durch den Kanal 39 geleiteten Strömung des zu untersuchenden Gases eine Wechselströmung bekannter Amplitude überlagert wird. Nachdem vom Widerstandspaar 40 nach VerstärDer Widerstand R\ ist einstellbar ausgeführt, um Fertigungsunsymmetrien zu kompensieren. Durch Verändern des Summanden U3/R3 kann eine genaue Nullpunkteinstellung vorgenommen werden. Weitere Ausdrücke wjRa, U₅IR₅, U₆ZRt usw. dienen zur Kompensation weiterer meßwertverfälschender Einflüsse.

Unter Bezugnahme auf Fig.6 sei kurz noch die Möglichkeit beschrieben, den Durchfluß einer Sauerstoffkomponente eines Strömungsmittels unter Ausnützung der paramagnetischen Eigenschaft des Sauerstoffs dadurch zu bestimmen, daß mittels eines durch einen Magneten 59 erzeugten magnetischen Wechselfeldes der Strömungsmittelströmung ein Sauerstoff-Wechselstrom überlagert wird, der an den den Heißleiterperlen 60 zugeordneten Meßschaltungen zusätzlich zu den kung und Differenzbildung der jeweils zugehörigen Brückenbetriebsspannungen in der Schaltung 44 eine Information über die Durchflußrate des zu untersuchenden Strömungsmittels abgeleitet werden kann, kann bei Betrachtung der Schwankungen des Meßergebnisses aufgrund der erwähnten überlagerten Wechselströmung allein außerdem eine Information über die spezifische Wärme des betreffenden Strömungsmittels erhalten werden, wobei diese Information an dem Anzeigegerät 45 zur Verfügung steht.

Wird der Ausgang der Schaltung 44, nämlich das Meßergebnis entsprechend der Durchflußrate, durch den Ausgang der Schaltung 46, nämlich das Meßergebnis entsprechend der Wärmeleitfähigkeit, dividiert, was in der Schaltung 49 durchgeführt werden kann, so erhält man an einem weiteren Anzeigegerät 50 ein Ergebnis entsprechend der Durchflußrate einer gesuchten Komponente einer Strömungsmittelmischung unabhängig von Gesamtdurchflußschwankungen und unabhängig von prozentualen Schwankungen der gesuchten Komponente, da die relative Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Strömungsmittels bezogen auf das Vergleichsmedium entsprechend der Konzentration der interessierenden Strömungsmittelkomponente als Maßstabsfaktor den Wärmeabtransport von dem Widerstandspaar 40 beeinflußt.

F i g. 5 zeigt das Beispiel für einen Meßverstärker mit Brückenschaltungen 51 und 52, welche jeweils in einem Zweig, z. B. in dem Zweig 53 und 54, den temperaturabhängigen Widerstand eines Meßwiderstandspaares enthalten. Regeleinrichtungen 55 bzw. 56 bewirken eine Konstanthaltung der Temperatur an den temperaturabhängigen Widerständen 53 und 54 durch entsprechende Regulierung der Brückenbetriebsspannungen u₂ bzw. u\. Man erkennt, daß die Brückenschaltungen und zugehörigen Regelschaltungen innerhalb der Schaltung 44 nach F i g. 4 enthalten sind. Die Brückenspannung u₂ wird in einer Inverterschaltung 57 invertiert und dann werden die Spannungen einem Summenverstärker 58 zugeführt Der Ausgang des Summenverstärkers liefert also zunächst eine Spannung

u_A = - R_F (- u,/R, + U₂ZR₂).

Zum Zwecke der Korrektur bzw. der Kompensation können in den Summenverstärker weitere Spannungen eingegeben werden, die sich in dem obigen Ausdruck als weitere Summanden in der Klammer bemerkbar machen, so daß die Ausgangsspannung des Summenverstärkers folgendermaßen lautet:

■ ■■)

durch die Gesamtströmung erzeugten Spannungen bei der Auswertung in einer Schaltung etwa nach F i g. 5

eine Differenz-Wechselspannung erzeugt, deren Amplitude vom Sauerstoffgehalt der zu untersuchenden Strömung abhängig ist Im Strömungskanal angeordnete Erweiterungen 61 und 62 ermöglichen die Anregung der Wechselströmung innerhalb des Hauptströmungskanals. Außer den in den Fig.4 und 6 gezeigten Möglichkeiten zur Erzeugung einer relativen Wechselbewegung zwischen dem Paar temperaturabhängiger Widerstände und dem umgebenden Strömungsmittel besteht auch noch die Möglichkeit der Bewegung des Meßwiderstandspaares z.B. in Form einer Vibration oder Schwingung oder einer Erzeugung von Schallwellen in Richtung von einem Meßwiderstand zum anderen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung der Durchflußrate eines Strömungsmittels, mit zwei in Strömungsrichtung unmittelbar hintereinander angeordneten, temperaturabhängigen Widerständen in dem die zu untersuchende Strömungsmittelströmung führenden Strömungskanal, die jeweils einer auf konstante Temperatur des betreffenden Widerstandes regelnden Brückenschaltung zugeordnet sind, sowie mit i» einer Subtraktionsschaltung, welche die an den Brückenschaltungen anstehenden Spannungen zur Durchflußmessung voneinander subtrahiert, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem ein Vergleichsmedium enthaltenden Raum (38) und in einer Nische eines die zu untersuchende Strömungsmittelströmung führenden Strömungskanals (39) je ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand (41) zur Wärmeleitfähigkeitsmessung befindet, die jeweils einer auf konstante Temperatur des betreffenden weiteren Widerstands regelnden weiteren Brückenschaltung zugeordnet sind, daß eine weitere Subtraktionsschaltung die an den weiteren Brückenschaltungen anstehenden Spannungen voneinander subtrahiert und daß die von dem zweitgenannten Widerstandspaar (41) abgeleitete Spannungsdifferenz von der von dem erstgenannten Widerstandspaar (40) abgeleiteten Spannungsdifferenz zur Ermittlung eines von der Wärmeleitfähigkeit unabhängigen Signals für den J< > Durchfluß abziehbar (47) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sich der eine in einem ein Vergleichsmedium enthaltenden Raum angeordnete weitere temperaturabhängige Widerstand in einer Nische i^r> eines die Strömung des Vergleichsmediums führenden Strömungskanals (38) befindet.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem an erster Stelle genannten Paar temperaturabhängiger Widerstände (40) abge- ^4(l leitete Differenzspannung durch die von dem an zweiter Stelle genannten Paar temperaturabhängiger Widerstände (41) abgeleitete Differenzspannung dividierbar (49) ist, um einen Durchflußwert einer gesuchten Mischungskomponente eines Strömungsmittelgemisches unabhängig von Gesamt-Durchflußschwankungen und unabhängig von Schwankungen des Prozentsatzes der gesuchten Mischungskomponente zu ermitteln.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- ^5f) zeichnet, daß an den in Strömungsrichtung innerhalb des die zu untersuchende Strömungsmittelströmung führenden Strömungskanal (39) unmittelbar hintereinander angeordneten temperaturabhängigen Widerständen (40) eine zur zu messenden Strömung ^r>5 zusätzliche Relativbewegung bekannter Geschwindigkeit zum umgebenden Strömungsmittel erzeugbar (42, 43) ist, um zur Identifizierung des betreffenden Strömungsmittels oder einer Komponenten desselben dessen bzw. deren spezifische ^b" Wärme zu bestimmen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem zu untersuchenden Strömungsmittelstrom eine Wechselströmung bekannter Amplitude des zu untersuchenden Strömungsmittels ^b5 bzw. einer Komponenten desselben übcrlagerbar (42,43) ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die zu untersuchende Strömung führende Strömungskanal (39) zur Überlagerung der Wechselströmung einen Abzweig (42) aufweist, der einen hin- und hergehenden Kolben (43) oder eine Membran enthält

7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die zu untersuchende Strömung führende Strömungskanal (39) Mittel (59) zur Erzeugung eines im Bereich einer der temperaturabhängigen Widerstände wirksamen, stark inhomogenen Magnetfeldes enthält, durch welches mindestens im Bereich dieses einen temperaturabhängigen Widerstandes aufgrund der paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs eine Wechselströmung bekannter Amplitude des Sauerstoffanteils der zu untersuchenden Strömung erzeugbar ist.