DE2350848B2 - Thermischer Durchflußmesser - Google Patents
Thermischer DurchflußmesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchflußmesser zum Bestimmen der Strömungsrate eines Fluids
in einem Meßkanal, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruches.
Ein Durchflußmesser dieser Art ist aus der DE-PS 8 76 484 bekannt, der an sich wegen der unmittelbaren
Anordnung der beiden beheizten Spulen auf der Außenseite des Meßkanales sehr genau arbeitet und
insbesondere auch schnell auf Änderungen des Fluid-Durchstromes anspricht. Da die Spulen durch elektrische
Widerstandserhitzung erwärmt werden, ist eine Ansprechbarkeit praktisch ohne Zeitverzögerung gewährleistet.
Man kann mit einem derartigen Durchflußmesser Messungen innerhalb eines weiten Temperaturbereiches
durchführen, jedoch besteht der Nachteil, daß Voraussetzungen für genaue Messungen ist, daß die
Spulen stets in der Lage bleiben, in welcher der Brückenkreis abgeglichen ist, denn wenn man den
Meßkanal kippt oder sonstwie bewegt, so daß beispielsweise die eine Spule höher als die andere liegt,
kann von der unteren Spule abgestrahlte Wärme die obere Spule beeinflussen, so daß sich deren Widerstand
verändert und der Brückenkreis aus dem Gleichgewicht gerät. Dieser Nachteil kann auch bei feststehendem
Meßkanal auftreten, wenn über diesen ein Luftstrom hinweg streicht, der konvektiv abgestrahlte Wärme
einer Spule der anderen Spule zuführt.
Es sind zwar thermische Strömungsmesser bekannt, bei denen eine die Meßergebnisse verfälschende
thermische Beeinflussung der beiden Meßspulen verhindert wird, jedoch handelt es sich hierbei um verhältnismäßig
aufwendige und bezüglich ihrer Meßwirksamkeit nachteilige Strömungsmesser. So ist beispielsweise aus
dem DE-GBM 19 20 597 ein thermischer Strömungsmesser bekannt, bei dem zwei durch elektrische
Widerstandsheizung zu erwärmende Spulen eines Brückenkreises im Abstand voneinander innerhalb eines
Meßrohres angeordnet sind und dementsprechend die Abkühlung der Spulen aufgrund des durchströmenden
Fluids gemessen wird. Da die Meßspulen im Fluidstrom ι liegen, erzeugen sie Turbulenzen des sie passierenden
Fluids, welche die Messung verfälschen können. Bei einem anderen bekannten thermischen Durchflußmesser
(US-PS 25 86 060) sind die auf der Außenseite eines Meßkanales hintereinander angeordneten Meßspulen in
id einem Gehäuse gekapselt, so daß Luftströmungen die Messungen nicht beeinflussen können. Hingegen würden
auch bei dieser aufwendigen Anordnung Änderungen der Lage des Durchflußmessers eine gegenseitige
thermische Beeinflussung der beiden Spulen bewirken.
υ Andere bekannte thermische Durchflußmesser (DE-AS
14 73 158, DT-OS 16 48 008, US-PS 27 29 976, 29 53 022
und 30 56 295) weisen zwar eine thermische gegenseitige Isolierung der Meßspulen auf, sind jedoch sehr
aufwendig und weisen eine separate Heizung mit zwei Temperaturdifferenzfühlern auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem aus der DE-PS 8 76 484 bekannten Stand der
Technik einen thermischen Durchflußmesser zu schaffen, bei dem mit einfachen Mitteln eine unmittelbare
2> Wärmeoeeinflussung der beiden auf den Meßkanal
aufgewickelten Spulen untereinander vermieden wird, damit dieser Durchflußmesser unabhängig von der
jeweiligen Lage des Meßkanals arbeitet und eine Eineichung auf bestimmte Lagen des Meßkanales nicht
JD notwendig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Durchflußmesser der eingangs genannten Art mit den
Merkmalen des Kennzeichens des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
r> Gegenstand der Unteransprüche.
Da bei diesem Durchflußmesser die beiden auf die Außenseite des Meßkanals aufgewickelten Spulen von
einem die Wärmeabstrahlung verhindernden Material umhüllt sind, erhält man unabhängig von der jeweiligen
■»ο Lage des Meßkanales bei der angelegten konstanten
elektrischen Spannung gleichförmige Meßergebnisse, so daß der Durchflußmesser auch als tragbares Gerät
oder in Fahrzeugen und insbesondere auch Flugkörpern eingesetzt werden kann. Es zeigte sich, daß die
« Empfindlichkeit des Durchflußmessers auf Lageänderungen,
die bei einem Messer gemäß DE-PS 8 76 484 mehr als 50% beträgt, durch die Erfindung auf weniger
als 0,5% reduziert wurde.
Die Erfindung wird weiterhin anhand der Zeichnung erläutert, in der schematisch zwei Ausführungsbeispiele eines thermischen Durchflußmessers dargestellt sind, und zwar zeigt
Die Erfindung wird weiterhin anhand der Zeichnung erläutert, in der schematisch zwei Ausführungsbeispiele eines thermischen Durchflußmessers dargestellt sind, und zwar zeigt
F i g. 1 eine Darstellung des Brückenkreises einer Ausführungsform des Durchflußmessers,
« Fig.2 eine teilweise geschnittene schaubildliche
Ansicht des Durchflußmessers und
Fig.3 eine abgewandelte Ausführungsform des Brückenkreises, der zur Temperaturstabilisierung des
Durchflußmessers verwendet wird.
ho Gemäß F i g. 1 weist der thermische Durchflußmesser
einen an einem Meßkanal 14 angebrachten Brückenkreis 12 auf, welcher einen ersten Widerstand 16 und
einen zweiten Widerstand 18 enthält und zwei hintereinander auf den Meßkanal aufgewickelte Spulen
i" 22 und 24. Die Spule 22 liegt dem Eingangsende 26 des
Meßkanals 14 näher, während die Spule 24 näher an dem Ausgangsende 28 des Meßkanales 14 angeordnet
ist.
Der Brückenkreis 12 umfaßt auch eine Gleichspannungsquelle 30, die einerseits an die Verbindung
zwischen den Spulen 22 und 24 und andererseits über einen Schalter 32 an die Verbindung zwischen den
Widerständen 16 und 18 angeschlossen ist. Die Ausgangssignale des Brückenkreises 12 werden von
zwei Anschlüssen 34 und 36 abgenommen, die mit den Verbindungen zwischen der Spule 22 und dem
Widerstand 16 bzw. zwischen der Spule 24 und dam Widerstand 18 verbunden sind. Die beiden Spulen 24
und 22 bestehen aus Draht, dessen elektrischer Widerstand sich temperaturabhängig ändert. Der Draht
kann eine Eisen-Nickel-Legierung sein. Der Meßkanal 14 ist vorzugsweise ein dünnwandiges Rohr, das
beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen kann.
AuC dem Meßkanal 14 befindet sich eine die Spulen 22
und i!4 umhüllende Isolierung 37 aus offenzelligem Schaumstoff, die eine geringe Masse aufweist, um die
Reaktionszeit der Meßspulen so gering wie möglich zu beeinflussen, und der außerdem eine niedrige thermische
Leitfähigkeit hat, um Wärmeverluste zu vermeiden.
Beispielsweise besteht der offenzellige Schaumstoff aus
Polystyrol, Polyurethan, Polyäthylen oder Polypropylen.
Gemäß Fig.2 besteht die Isolierung aus zwei zusammengesetzten und der Oberfläche des Meßkanals
angepaßten Blöcken 37a und 376, die nach dem Aufsetzen auf Spulen 62 und 64 zusammengeklebt,
durch eine äußere Wicklung zusammengehalten oder mit dem Meßkanal verklammert sind. Die Blöcke 37a
und 37έ> bestehen aus offenzelligem Polystyrolschaum mit einer Dichte von etwa 0,016 g/cm3.
Bei geschlossenem Schalter 32 erwärmen sich die Spulen 22 und 24, wodurch ihr elektrischer Widerstand
zunimmt und die Temperatur des Meßkanals 14 erhöht wird. Bei keiner oder nur geringer Strömung eines
Fluids durch den Meßkanal 14 sind die Temperaturen der Spulen 22 und 24 gleich groß und die Brückenschaltung
daher abgeglichen, so daß an den Ausgangsklemmen 34 und 36 eine Anzeige »Null« erscheint. Ein vom
Eingangsende 26 zum Ausgangsende 28 des Meßkanales 14 strömendes Fluid nimmt die von den Spulen 22
und 24 auf den Meßkanal 14 übertragene Wärme mit, wodurch sich eine Veränderung des Temperaturprofils
entlang des Meßkanals 14 und dadurch eine Temperaturdifferenz zwischen den Spulen 22 und 24 ergibt,
wodurch der elektrische Widerstand der Spule 22 sinkt und der elektrische Widerstand der Spule 24 steigt. Die
an den Ausgangsklemmen 34 und 36 angezeigte Ausga.ngsspannuiig der Brückenschaltung steigt dabei
linear proportional zur Strömungsrate.
Steigt die Strömungsrate auf einen mehrfachen Wert des vollen Meßbereiches des Durchflußmessers, so
nähert sich die Temperatur der Spule 22 derjenigen des zuströmenden Fluids, während der Temperaturanstieg
der Spule 24 zunächst flacher wird und dann sich sogar umkehrt, da mehr und mehr Wärme vom durchströmenden
Fluid abgeführt wird. Dementsprechend erreicht die Ausgangsspannung der Brückenschaltung zunächst
einen Spitzenwert und fällt dann wieder ab und nähert sich dem Wert »Null« asymptotisch.
Gemäö F i g. 2 ist parallel zu eirem Hauptrohr 52 ein Meßrohr 54 angeordnet, das mit seinem Einlaßende 56 und seinem Auslaßende 58 jeweils an einen in das Hauptrohr 52 führenden Krümmer angeschlossen ist. Die Strömungsverhältnisse im Meßrohi 54 sind dabei
Gemäö F i g. 2 ist parallel zu eirem Hauptrohr 52 ein Meßrohr 54 angeordnet, das mit seinem Einlaßende 56 und seinem Auslaßende 58 jeweils an einen in das Hauptrohr 52 führenden Krümmer angeschlossen ist. Die Strömungsverhältnisse im Meßrohi 54 sind dabei
ίο denen im Hauptrohr 52 gleich. Das Hauptrohr 52
enthält eine Drossel 60, mit deren Hilfe eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Durchflußmeßbereichen geschaffen
werden kann.
Die auf das Meßrohr 54 aufgewickelten Spulen 62 und 64 entsprechen den Spulen 22 und 24 aus Fig. 1. Die
beiden Spulen sind als durchgehende Spule mit einem Mittelabgriff angeordnet, wodurch die Meßgenauigkeit
und die Ansprechgeschwindigkeit des Durchflußmessers verbessert wird. Die Spulen sind von den Blöcken
37a und 37b umhüllt.
Bei der in Fig. 3 dargesteilten abgewandelten
Ausführungsform des Brückenkreises sind die Widerstände 16 und 18 des Biückenkreises aus Fig. 1 durch
zwei konstante Stromquellen 72 und 74 ersetzt, so daß die Temperaturstabilität des Brückenkreises auch bei
Änderungen der Umgebungstemperatur aufrecht erhalten bleibt, denn die konstanten Stromquellen 72 und 74
halten den Brückenkreis auch bei Temperaturschwankungen stabil.
jo Statt zwei getrennte gleiche Stromquellen gemäß Fig.3 zu verwenden, ist es auch möglich, den Strom
durch die Spulen 22 und 24 dadurch weitgehend konstant zu halten, daß die Widerstände 16 und 18 im
Vergleich zu den Spulen 22 und 24 ausreichend groß
j5 gewählt werden und in Reihe zur Gleichspannungsquelle
30 eine einzige konstante Stromquelle eingefügt wird. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß nur eine
Stromquelle erforderlich ist. Bleibt die Umgebungstemperatur nur selten konstant, ist die Temperaturstabilität
4(1 des Durchflußmessers von größter Wichtigkeit für eine
gute Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messungen. Bei Anwendung der vorstehend erwähnten abgeänderten
Anordnung werden die mit der Änderung der Umgebungstemperatur verbundenen Probleme einfach
dadurch überwunden, daß eine oder mehrere konstante Stromquellen vorgesehen sind.
Wenn vorstehend von einem »Fluid« gesprochen wird, so kann es sich dabei um eine Flüssigkeit, Dampf
oder Gas handeln. Der Durchflußmesser kann wegen
so der Isolierung der Meßspulen in jeder beliebigen Lage
und auch in sich ändernden Lagen benutzt werden, beispielsweise als tragbares Gerät oder in Raumfahrzeugen.
Die Eichung kann in jeder beliebigen Lage des Meßkanales durchgeführt werden und ist für alle Lagen
des Meßkanales gleich.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Thermischer Durchflußmesser zum Bestimmen der Strömungsrate eines Fluids in einem Meßkanal,
mit zwei in Strömungsrichtung hintereinander auf die Außenseite des Meßkanals aufgewickelten, in
Reihe geschalteten elektrisch beheizten Spulen, die zusammen mit zwei weiteren Widerständen eine
Brückenschaltung bilden, zum Erfassen der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Spulen, dadurch
gekennzeichnet, daß an die Brückenschaltung in der Diagonalen zwischen den beiden
Zweigen eine konstante Spannung angelegt ist und daß die beiden Spulen (22; 24; 62; 64) von
offenzelligem Schaumstoff (37; 37a; 37b) umhüllt sind.
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff Polystyrol ist.
3. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung in jedem
Zweig außer der Spule (22 bzw. 24) jeweils eine konstante Stromquelle (72 bzw. 74) enthält.
4. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der
Widerstände (16; 18) im Vergleich zu denen der Spulen (22; 24) groß sind und daß eine konstante
Stromquelle in Reihe mit der Spannungsquelle (30) der Brückenschaltung vorgesehen ist.
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