DE2856289A1

DE2856289A1 - Verfahren und vorrichtung zur thermischen massenstrommessung

Info

Publication number: DE2856289A1
Application number: DE19782856289
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Phys Bahner; Harry Dipl Ing Pleva
Original assignee: Babcock BSH AG
Current assignee: Grenzebach GmbH and Co KG
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1980-07-17
Also published as: IT7951209A0; US4339949A; DE2856289C2; FR2445516A1

Description

Krefeld, den 21. Dezember 1978 PAT - HR/wey Akte H 78/10

BABCOCK-BSH AKTIENGESELLSCHAFT
vormals Büttner-Schilde-Haas AG₇
4150 Krefeld-Uerdingen

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Massenstrommessunq

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Massenstrommessung/ bei dem (der) der Massenstrom durch einen Hohlkörper unter Messung der Ein- und Austrittstemperatur geleitet wird. 5

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird der Fluidstrom mit. einer vorgegebenen Heizleistung aufgeheizt und die Temperaturerhöhung des Fluids gemessen (Laub, J.H. "Read massflow directly with thermal flowmeters", Cont. Eng., April 1966, S. 69-72).

Eine nach diesem Prinzip arbeitende Vorrichtung ist der sogenannte "Thomas-Messer". Er besteht aus einem Rohr mit eingebauter Heizwicklung, bei dem vor und hinter der Heizwicklung Widerstandsthermometer angeordnet sind. Hierbei wird die Heizleistung konstant gehalten und die an den Widerstandsthermometern auftretende Temperaturdifferenz gemessen.

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Diese bekannte Vorrichtung setzt jedoch voraus, daß die eingegebene Heizleistung vollständig auf das Fluid übertragen wird. Dies ist jedoch nur für Materialien mit einer hohen Wärmeübergangszahl der Fall. Der Thomas-Messer und ähnliche bekannte Vorrichtungen eignen sich daher insbesondere für Messungen an Flüssigkeiten, während sie bei Medien mit geringer Wärmeübergangszahl infolge der nicht erfaßten Wärmeverluste, wie Strahlungsverluste und Wärmeverluste durch die Rohrwandung, fehlerhaft arbeiten.

Ferner ist ein kalorischer Dampfmengen- oder Wärmemengenmesser (DE-PS 590 825) bekannt geworden, bei dem das durchströmende Medium seinen gesamten Wärmeinhalt an ein Kühlmittel abgeben muß und der durch die Wandung des Wärmeaustauschers durchgehende Wärmefluß mittels einer Vielzahl von hintereinandergeschalteten Thermopaaren ermittelt wird. Diese bekannte Vorrichtung ist aber in ihrem Aufbau noch recht aufwendig.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine einfach aufgebaute Vorrichtung der eingangs genannten Art zu finden, welches (welche) auch bei Medien, die eine geringe Wärmeübergangszahl aufweisen, exakt arbeitet.

Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, daß zusätzlich der durch die Körperwandung an die Umgebung abgegebene Wärmefluß gemessen und der Massenstrom mit den so gewonnenen Daten aus der Wärmebilanzgleichung ermittelt wird.

Die gemessenen Daten werden dabei, vorteilhaft in eine elektronische Rechenschaltung zur Lösung der gegebenen Wärmebilanzgleichung eingegeben.

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Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung besteht beispielsweise aus einem an seinen Endstellen mit Temperaturfühlern versehenen, gegebenenfalls von innen beheizten Rohr, bei dem erfindungsgemäß an der Außenseite des Rohres zwei konzentrische, elektrisch isolierte Wicklungen aus thermischem Widerstandsdraht aufgewickelt sind, welche durch eine thermisch mäßig leitende Schicht von definierter Dicke voneinander getrennt sind.

. ■ Zur Aufrechterhaltung einer hinreichend großen Temperaturdifferenz zwischen dem zu messenden Medium und seiner Umgebung kann beispielsweise das Rohr von innen oder, außen beheizt oder von einer Kühleinrichtung umgeben sein.

Ferner kann der Wärmeübergang im Innern des Rohres durch Vergrößerung der Innenfläche, z.B. durch Einbau einer Spiralfeder, verbessert werden.

Schließlich läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Ermittlung der spezifischen Wärme von strömenden Medien benutzen, wenn man zunächst den Massenstrom bestimmt und in die Wärmebilanzgleichung einsetzt.

Weitere Einzelheiten, der Erfindung sind in den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 bis 5 dargestellt.

Im einzelnen zeigen:
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Fig. 1 die Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen

Massenstrommessers mit integriertem Wärmeflußmesser nach der Erfindung;

Fig. 2 den Horizontalschnitt gemäß, der Linie C-D der Fig. 1 im vergrößerten Maßstab;

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Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Massenstrommessers nach der Erfindung mit eingebauter elektrischer Heizung im Vertikalschnitt;

Fig. 4 den Horizontalschnitt gemäß der Linie E-F der Fig. 3 im vergrößerten Maßstab;

Fig. 5 eine Variante des Heizungsaufbaues im Vertikalschnitt.
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In der nachstehenden Beschreibung wird folgende Nomenklatur verwendet:

	N	1	= Heizleistung
15	k		= Proportionalitätsfaktor
	m		= Massenstrom
	C	= spezifische Wärme
	= Eintrittstemperatur
	= Austrittstemperatur
20	= Temperaturdifferenz

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 besteht der Massenstrommesser 1 beispielsweise aus einem dünnwandigen Edelstahlrohr 2 von 200 mm Länge mit einem Innendurchmesser von 13 mm. Auf dem Rohr 2 ist eine erste Wicklung 3 aus isoliertem Kupferdraht von 0,1 mm Stärke in etwa 1000 Windungen aufgewickelt. Der Grundwiderstand dieser Wicklung, bezogen auf 0 ⁰C, beträgt etwa 10OiT. . Die Wicklung 3 ist von einer thermisch mäßig leitenden Schicht 4, beispielsweise aus Kunststoff oder Keramik, umgeben. Die Schicht 4 besitzt eine definierte Dicke von etwa 2 mm. Hierauf ist eine zweite Drahtwicklung 5, von der gleichen Beschaffenheit wie die Wicklung 3, aufgewickelt. Die zweite Drahtwicklung 5 ist beispielsweise mit einer Lackschicht fixiert. Mit 6 ist ein mit

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Kühlrippen versehener Kühlmantel bezeichnet, welcher gegebenenfalls auch durch eine Heizeinrichtung ersetzt werden kann. Ob ein Kühlmantel oder eine Heizeinrichtung verwendet wird, ist von der Temperatur des zu untersuchenden im Innern des Rohres strömenden Gases und von der beabsichtigten Richtung des Temperaturgefälles, vom Rohr innen nach außen oder umgekehrt, abhängig. Am Anfang und Ende des Rohres 2 ragen elektrische Temperaturmeßfühler 7, 8, z.B. Widerstandsthermometer/ in das Rohrinnere in den Meßgasstrom. Die außerhalb des Kühlmantels 6 liegenden Enden des Rohres 2 sind mit einer wärmedämmenden Isolierstoffhülle 9, 10 umkleidet. Die nach außen austretenden Enden der Wicklungen 3, 5 und die Ausgänge der Temperaturmeßfühler 7, 8 sind mit einem nicht dargestellten elektronischen Rechner zur Lösung der Wärmebilanzgleichung verbunden. Derartige Rechenschaltungen sind beispielsweise aus der DE-PS 22 35 853 bekannt und müssen lediglich der jeweiligen Aufgabenstellung angepaßt werden. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges im Innern des Rohres 2 können hierin die innere Austauschfläche des Rohres vergrößernde Elemente, wie z.B. eine Spiralfeder, eingesetzt sein.

Der als weiteres Ausführungsbeispiel in den Fig. 3 bis dargestellte Massenstrommesser 11 ist für Messungen gedacht, bei denen das zu messende Gas an sich keine ausreichende Temperaturdifferenz zur Umgehung des Rohres 2 aufweist oder eine Kondensation des Gases zu befüchten ist. Gleichbleibende Teile sind hierin mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen.

Bei der in der Fig. 3 dargestellten Variante ist innerhalb des Rohres 2 eine elektrisch betriebene Heizung 12 eingebaut. Sie besteht beispielsweise aus Heizrohren bzw. Heizdrähten 13, die innerhalb eines. Trägers 14 (Fig. 4)

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bzw.. eines Trägerrohres 15 (Fig. 5) oder auch auf den äußeren Mantel des Trägers bzw. Trägerrohres angebracht bzw. aufgewickelt sein können. Die Heizung 12 wird beispielsweise über Halterungen 16 im Innern des Rohres 2 gehalten und über die Leitungen 17 mit einem Heizstrom gespeist. Die Heizung 12 gibt eine konstante Heizleistung N ab. Die entstehende Wärme wird teils durch Konvektion an das durchströmende Gas, teils durch Strahlung oder Wärmeleitung direkt an die Rohrwand abgegeben.

Mit der Anordnung nach Fig. 3 läßt sich sehr leicht eine Eichung des aus den Elementen 3 bis 5 bestehenden Wärmeflußmessers durchführen. Bei Variation der Heizleistung, welche sich aus der an der Heizung 12 anliegenden Spannung und der Größe des eingegebenen Heizstromes ergibt, variiert auch der durch die Wand des Rohres 2, Wicklung 3, Schicht 4 und Wicklung 5 tretende Wärmefluß. Hierbei verändern sich die temperaturempfindlichen Widerstände der Wicklungen 3 und 5 entsprechend den zu beiden Seiten der Schicht 4 auftretenden Temperaturdifferenz Δ ¹^ unterschiedlich, was beispielsweise über Widerstandsbrückenschaltungen erfaßt werden kann. Es ergab sich hierbei der lineare Zusammenhang N = k · A^ , wobei k eine für den gegebenen Aufbau der Meßanordnung spezifische Konstante darstellt. Beispielsweise ergab sich unter den bei der Beschreibung der Fig. 1 aufgezeigten Daten eine Temperaturdifferenz Δϋ" zwischen den Wicklungen 3, 5 von 0,4 K/Watt.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Massenstrommessers beruht auf. die Ermittlung der für die Lösung der jeweiligen Wärmebilanzgleichung notwendigen Temperaturdaten. Im Falle der Ausführung des Massenstrommessers nach Fig. 1 entspricht der zwischen den Temperaturmeßfühlern 7 und 8 ermittelte Wärmeunterschied des Massen-

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stromes. dem durch die Wandung des Rohres 2 tretenden Wärmefluß. Unter Berücksichtigung der oben genannten Nomenklatur lautet hierfür die Wärmebilanzgleichung

k « Δ^= m . c · (Z^ - tJ"₂)

Und hieraus folgt fur die Größe des Massenstromes

m = —
c

Die Größen ΰ"* und Λ werden über die Temperaturmeßfühler 7, 8 und 42^mit Hilfe der Wicklungen 3, 5 ermittelt.

Im Falle der Ausführung des Massenstrommessers nach Fig, 3 wird die von der Heizung 12 abgegebene konstante Heizleistung N teils durch Konvektion an das durchströmende Gas, teils durch Strahlung oder Wärmeleitung direkt an die Rohrwand abgegeben. Es gilt dann die Wärmebilanzgleichung

N = m · c- (ifZ - Z^₂ ) + k · Δ Z^"

Hieraus ergibt sich für den Massenstrom ,

N - k ·' Λ2Τ

TCL = ■

Auch hier werden die entsprechenden Größen wie bei der Anordnung nach Fig. 1 ermittelt. 30

In allen Fällen muß die spezifische Wärme c des Meßgases konstant sein, oder es muß die Zusammensetzung des Meßgases und die Temperaturabhängigkeit von c bekannt sein. Außerdem darf keine Kondensation auftreten.

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Andererseits läßt sich bei bekanntem Massenstrom mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung auch die spezifische Wärme von strömenden Medien ermitteln.

Die Wärmeübergangsbedingungen sind bei den dargestellten Massenstrommessern ohne Einfluß auf das Meßergebnis. Sie eignen sich hauptsächlich für die Messung kleiner Gasmengen bis etwa 1 kg/h. Größere Durchflüsse können im Bypass (Teilstrom)-Verfahren-gemessen werden. 10

. Die Bezeichnung thermischer bzw. temperaturabhängiger Widerstand bezieht sich auf ein Material mit einem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit.

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Claims

Krefeld, den 21.. Dezember 1978 PAT - HR/wey Akte 78/10 BABCOCK-BSH AKTIENGESELLSCHAFT vormals Büttner-Schilde-Haas AG, Krefeld-Uerdingen Patentansprüche:

1. Verfahren zur thermischen Massenstrommessung, bei dem der Massenstrom durch einen Hohlkörper unter Messung der Ein- und Austrittstemperatur geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der durch die' Körperwandung an die Umgebung abgegebene Wärmefluß gemessen und der Massenstrom mit den so gewonnenen Daten aus der Wärmebilanzgleichung ermittelt wird. 10

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Daten in eine elektronische Rechenschaltung zur Lösung der gegebenen Wärmebilanzgleichung eingegeben werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem an seinen Endstellen mit Temperaturmeßfühlern versehenen, gegebenenfalls von innen beheizten Rohr, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite des Rohres (2) zwei konzentrische Drahtwicklungen (3, 5) aus einem thermischen Widerstandsmaterial aufgewickelt sind, welche durch eine thermisch mäßig leitende Schicht (4) von definierter Dicke voneinander getrennt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Rohres. (2) eine elektrische Heizung (12) eingebaut ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizung (12) aus Heizrohren bz.w, Heizdrähten. (13) , die innerhalb eines Trägers (14)

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bzw. innerhalb, des Mantels eines Trägerrohres (15) angeordnet sind, besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (12) als eine auf einem Träger aufgewickelte Drahtwicklung ausgeführt ist.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) und die Drahtwicklungen (3, 5) von einem Kühler (6) bzw. Heizer umgeben sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) im Anschluß an den Kühler bzw. Heizer

(6) mit einer wärmedämmenden Isolierstoffhülle (9, 10) umkleidet ist.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Ermittlung der spezifischen Wärme von strömenden Medien verwendet wird.

Patentbeschreibung:

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