DE3320561C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Durchflußmengenmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie auf ein Verfahren zur Durchflußmengenmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 12.

Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 3 680 377 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrich­ tung wird ein Fluid durch erste und zweite thermisch leitende poröse Leitungselemente geleitet, die in Abstand voneinander entlang eines Fluidkanals angeordnet sind. Ein Heizelement und ein Temperaturmeßfühler sind an jedem porösen Element angeordnet und sie werden so betrieben, daß die beiden porösen Leitungs­ elemente auf konstanten, voreingestellten und voneinander verschie­ denen Temperaturen gehalten werden. Die Durchflußmenge des Fluids wird aus der elektrischen Leistung ermittelt, die dem Heizelement an dem zweiten porösen Leitungselement zugeführt werden muß, um die voreingestellte Temperaturdifferenz zwischen den beiden porösen Elementen aufrechtzuerhalten. Die Umgebungs­ temperatur der beiden porösen Leitungselemente und ihrer Heizelemente und Temperaturmeßfühler wird durch Gehäuse aufrechterhalten, die die porösen Elemente umgeben. Aufgrund der Verwendung der porösen Leitungselemente ist es nicht möglich, eine laminare Strömung in der Vorrichtung aufrechtzuerhalten und weiterhin weist das Ausgangssignal dieser Vorrichtung eine erhebliche Nichtlinearität, insbesondere bei höheren Strömungs­ geschwindigkeiten auf. Ein weiteres Problem bei derartigen bekannten Vorrichtungen zur Durchflußmengenmessung besteht darin, daß die porösen Elemente eine relativ große Wärmeträgheit aufweisen, so daß sich lediglich eine niedrige Ansprechgeschwin­ digkeit ergibt.

Aus der DE-PS 8 54 105 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durch­ flußmengenmessung bekannt, bei der die Probleme hinsichtlich der laminaren Strömung dadurch verringert werden, daß die Vor­ richtung einen Fluidkanal aufweist, der einen relativ kleinen Querschnitt aufweist und im Nebenschluß zu einer Haupt-Strö­ mungsleitung angeordnet ist, wobei jedoch auch hier Probleme hinsichtlich der Linearität des Ausgangssignals bezogen auf die Durchflußmenge auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die bzw. das bei einfachem Aufbau eine hohe Linearität und Ansprechgeschwindigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 12 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung und des Verfahrens wird bei dem einfachen Aufbau eine hohe Linea­ rität und Ansprechgeschwindigkeit selbst bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten erzielt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren wird ein vorgegebenes Temperaturprofil in der Meßzone ausgebildet und aufrechterhalten. Dieses Temperaturprofil wird zum einen durch die ersten und dritten Heizelemente zusammen mit den zu­ gehörigen Regeleinrichtungen ausgebildet, die die Temperatur am Einlaß- und Auslaßende der Temperatur-Meßzone festlegen, wobei diese Temperaturen oberhalb der höchsten zu erwartenden Eingangstemperatur des Fluids liegen.

Zum anderen ist das zweite Heizelement zwischen den ersten und dritten Heizelementen in der Meßzone angeordnet, um die mittlere Temperatur in dieser Meßzone konstant oberhalb der Einlaß- und Auslaßtemperaturen zu halten, die durch die ersten und dritten Heizelemente festgelegt werden, und zwar unabhängig von der Durchflußmenge oder Strömungsgeschwindigkeit.

Durch Messung der Energiemenge, die erforderlich ist, um die mittlere Temperatur der auf ihrem Wert bei fehlender Strömung zu halten, wird die Durchflußmenge ermittelt. Die Beziehung zwischen der gemessenen Spannung längs des zweiten Heizelementes und der Durch­ flußmenge ist dann linear.

Die die Temperaturen sowohl am Einlaßende als auch am Auslaßende der Meßzone oberhalb der höchsten zu erwartenden Temperatur des Fluids gehalten werden, kann der Temperaturunterschied zwischen diesen Temperaturen und der von dem zweiten Heizelement auf­ rechterhaltenen Temperatur sehr gering gehalten werden. Die Energie­ menge, die dann erforderlich ist, um dieses zweite Heizelement auf seiner konstanten Temperatur zu halten, ist für den Bereich der zu messenden Durchflußmengen ebenfalls gering. Dies ergibt eine höhere Ansprechgeschwindigkeit, weil eine geringere Energiemenge er­ forderlich ist, um das zweite Heizelement auf seiner gewünschten mittleren Temperatur zu halten.

Ausführungsbeispiele der Vorrichtung und des Verfahrens zur Durchflußmengenmessung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine teilweise schematische und teilweise in Block­ schaltbildform gehaltene Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 2 eine Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung mit einem länglichen Meßrohr, das drei äußere Drahtwicklungen mit hohem Temperaturkoeffizienten trägt und in einem die Umge­ bungstemperatur regelnden Gehäuse angeordnet ist,

Fig. 3 eine teilweise in Schnittansicht dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung, bei der das Meßrohr im Neben­ schluß zu einer Strömungsleitung angeordnet ist, und

Fig. 4 ein vereinfachtes Schaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung zur elektrischen Ventilsteuerung, bei der eine hohe Ansprechempfindlichkeit durch die verbesserte Durchfluß­ mengenmessung erreicht wird.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ver­ schiedene Ausführungsformen beschrieben, wobei gleiche Bezugs­ zeichen identische oder einander entsprechende Elemente oder Einheiten angeben. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung, die insgesamt mit 5 bezeichnet ist und elektrische Heizelemente 6, 7 und 8 in dieser Reihenfolge bezüglich der Richtung einer Fluidströmung aufweist, deren Strömungsverlauf entlang einer durch gestrichel­ te Linien dargestellten Meßzone 9 durch einen stromauf befind­ lichen Pfeil 10 und einen stromab befindlichen Pfeil 11 darge­ stellt ist. Die Heizelemente 6, 7 und 8 sind in Form elektrischer Widerstände, beispielsweise Drahtwiderständen, dargestellt, die durch Ströme erhitzt werden, die durch diese Heizelemente geführt werden, und die aus einem Material mit einem hohen Widerstands­ temperaturkoeffizienten von +3500 ppm/°C bestehen.

Die Heizelemente sind entlang der Meßzone derart verteilt, daß ihre Wechselwirkungen mit dem Fluid auch dann vollständig sind, wenn die Strömungsgeschwindig­ keit des Fluids groß ist. Die aufeinander folgenden Heizab­ schnitte sind unmittelbar ohne Zwischenräume angeordnet, was dazu führt, daß die Verzögerungen zwischen voneinander abhängigen Wirkungen der drei zusammenwirkenden Heizabschnitte zu einem Minimum werden. Im ersten Heizabschnitt 6A (Fig. 1) muß eine kritische Konditionierung des ankom­ menden Fluids vorgenommen werden. Er überdeckt daher einen Abschnitt des Fluidkanals, der unmittelbar stromauf des auf ähnliche Weise ausgebildeten Heizelementes 7 liegt, das einen Teil einer Meßein­ richtung bildet. Unter der Steuerung eines sich automatisch abgleichenden Brückennetzwerkes 6B, in das das Heizelement 6 eingeschaltet ist, sorgt der Heizabschnitt 6A für eine solche Erwärmung des strömenden Fluids, daß sichergestellt ist, daß die Fluidtemperatur auf einen ersten Wert geregelt wird, der über der maximal zu erwartenden Temperatur des Fluids liegt, das in die Vorrichtung eintritt. Unmittelbar danach beaufschlagt das Heizelement 7, das einen Heizabschnitt 7A entlang des Fluid­ kanals bildet, das Fluid mit Wärme unter der Steuerung eines zweiten, sich automatisch abgleichenden Brückennetzwerkes 7B, das wiederum teilweise durch das Heizelement 7 gebildet ist. Diese zweite Erwärmungsstufe dient zu Meßzwecken, da die diesem Heizabschnitt 7A zugeführte Energie in Beziehung zu der Durch­ flußmenge des Fluids steht und als Maß der Durchflußmenge dienen kann.

Zu diesem Zweck enthält die Ausführungsform nach Fig. 1 eine Meßeinheit 7C, die zum Heizelement 7 parallel geschaltet ist und auf Spannungsabfälle anspricht, die entstehen, wenn das Brücken­ netzwerk 7B Heizströme gemäß seiner Abgleichbedingung durch dieses Heizelement leitet. Ein wesentlicher Vorteil, der sich dabei aus der feinen Regelung der Temperatur des Fluids vor dessen Eintritt in den Heizabschnitt 7A ergibt, ist eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Ansprechens der Vorrichtung.

Relativ träge thermische Zeitkonstanten von Teilen der Vorrich­ tung, die anderenfalls auf neue Gleichgewichtstemperaturen bei jeder Änderung der Strömung einjustiert werden müßten, treten nicht auf. Statt dessen scheint das sehr schnelle Ansprechverhalten der verbesserten Vorrichtung hauptsächlich durch die sogenannte "Transportverzö­ gerung" bestimmt zu sein, die die Zeit bedeutet, die erforder­ lich ist, damit eine Änderung der Strömung das Heizelement 7 erreicht. Wenn die zugehörigen Heiz-, Meß- und Regelnetzwerke ebenfalls ein schnelles Ansprechverhalten haben, können Operationen tatsächlich augenblicklich und isoliert von Verzögerungen ausgeführt werden.

Ein drittes Heizelement 8 befindet sich unmittelbar stromab des Heizelementes 7 und ist in ähnlicher Weise ein Heizelement mit über einen Heizabschnitt 8A des Strömungsweges verteilter Wirkung. Die Temperatur des Fluids wird hier auf einen Wert geregelt, der vorzugsweise zwischen dem Wert im stromauf liegen­ den Heizabschnitt 6A und dem Wert im mittleren Heizabschnitt 7A liegt; ein automatisch abgleichendes Brückennetzwerk 8B, in das das Heizelement 8 eingeschaltet ist, führt diese Regelung aus. Es ist zu beachten, daß das strömende Fluid nach seiner weiteren Erwärmung im Heizabschnitt 7A am Heizelement 8 wieder etwas abgekühlt sein kann, auch wenn der stromab liegende Heizabschnitt 8A, durch den das Fluid dann strömt, ebenfalls mit Wärme versorgt wird. Das geregelte Abkühlen, das auf diese Weise bewirkt wird, übt einen gewünschten Einfluß auf die Messungen aus und hat den vorteilhaften Effekt, den Spannungsabfall am Heizelement 7 im wesentlichen linear proportional zur Mengenströmungsrate zu gestalten. Bei anderen Anordnungen ist die Zuordnung beispielsweise im wesentlichen hyperbolisch, und zugeordnete Anzeigen und Steuerungen müssen mit den Nachteilen fertig werden, die einer solchen Nicht-Linearität anhaften.

Das Temperaturprofil, welches entlang des Strömungsweges durch die miteinander in Wechselwirkung stehenden Heizabschnitte erzeugt wird, ist derart, daß das Fluid eine erste Temperatur angenommen hat, wenn es in den mittleren, einen Meßabschnitt bildenden Heizabschnitt 7A eintritt; die Temperatur wird darin auf einen etwas höheren Wert angehoben und daraufhin erfolgt eine Abkühlung unter geregelten Bedingungen auf eine niedrigere Tem­ peratur, bis es die Position er­ reicht, an welcher das Fluid den Mittelabschnitt verläßt. Die Durchschnittstemperatur in diesem mittleren Heizabschnitt 7A wird immer im wesentlichen konstant gehal­ ten, unabhängig von Änderungen der Strömung oder der Durchfluß­ menge. Die Energie, um die vorbestimmte Durchschnittstemperatur hervorzurufen, charakterisiert die Durchflußmenge.

Die Messung dieser elektrischen Energie oder des betreffenden Stromes kann nützliche Informationen geben, doch ist es der Spannungsabfall am Heizelement 7, der eine lineare, proportionale Beziehung zur Durchflußmenge hat, und daher einen bevorzugten Parameter für die Messung darstellt.

Die drei automatisch nachgleichenden Brückennetzwerke 6B, 7B und 8B sind im wesentlichen einander gleich; die Heizelemente 6, 7 und 8 mit hohem Widerstandstemperaturkoeffizienten bilden jeweils einen Zweig einer normalen vollständigen Brücke; die drei anderen Brückenzweige 6a-6c, 7a-7c und 8a-8c sind jeweils aus im wesentlichen konstanten Impedanzen gebildet, die relativ niedrige Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweisen, so daß der Brückenabgleich in jedem Fall nicht wesentlich durch Leistungsänderungen beeinträchtigt wird, die sich daraus erge­ ben, daß den Heizelementen unterschiedliche Leistung unter sich verändernden Bedingungen zugeführt wird, die die Zuführung unterschiedlicher Wärmemengen erfordern. Die jeweiligen Ener­ giequellen 6d, 7d und 8d speisen die Brücken über ihre Eingangs­ punkte entsprechend der Steuerung durch die Regeleinheiten 6e bis 8e, die auf Bedingungen einer nicht abgeglichenen Brücke ansprechen, wobei diese Bedingungen an den Brückenausgangsan­ schlüssen auftreten. Die Impedanz der Meßeinrichtung 7c ist verglichen mit der des Heizelementes 7 verhältnismäßig groß und ist daher im wesentlichen gegenüber dem Brückenabgleich und dem Heizelement vernachlässigbar; ferner beeinträchtigt diese Impe­ danz materiell weder den Brückenabgleich noch das Heizelement.

Wenn die Fluidströmung damit beginnt, eines der Elemente unter die gewünschte Temperatur abzukühlen, fällt jeweils sein Wider­ stand ab und die zugehörige Brücke ist nicht mehr abgeglichen; der Nichtabgleich wird sofort durch die zugehörige Regeleinheit erfaßt und die die Brücke speisende Energiequelle wird unverzüg­ lich dazu gebracht, eine größere Leistung oder Energie zuzufüh­ ren und damit das Heizelement weiter aufzuheizen. Der entgegen­ gesetzte Prozeß tritt automatisch und im wesentlichen sofort auf, wenn eine Erwärmung über die vorgegebene Temperatur beginnt.

Temperaturänderungen in der Umgebung, in welcher die Durchflußmessung stattfindet, kann deren Betrieb beeinträchtigen; daher ist derartigen Temperaturänderungen durch eine sehr gute Isolierung mittels eines Mantels oder einer Um­ hüllung zu begegnen, wie dies durch die gestrichelte Linie 12 in Fig. 1 und durch das rohrförmige Gehäuse dazu in bezug auf Fig. 2 durch das Bezugszeichen 12′ angedeutet ist. Obgleich ein einfacher thermisch isolierender Mantel oder ein thermisch isolierendes Gehäuse um den Strömungskanal und die verteilten Heiz- und Meßelemente vorteilhaft sein kann, wird eine bevorzug­ te Isolierung und eine ständige Verbesserung des Betriebs der Vorrichtung durch Regelung der unmittelbar umgebenden Temperatur auf einen im wesentlichen festen Wert realisiert, der über jeder zu erwartenden Umgebungstemperatur liegt, die bei dem beabsich­ tigten Gebrauch der Vorrichtung vorliegen kann. Zu diesem Zweck ist das in Fig. 2 mit 9′ bezeichnete, die Strömung führende Meßrohr von einem Gehäuse in Form eines zylindrischen Rohres 12′ umgeben, das sich über den Einlaß-Heizabschnitt, Meß-Heizab­ schnitt und Auslaß-Heizabschnitt 6A′, 7A′ und 8A′ des Meßrohres 9′ erstreckt sowie über die zugehörigen, verteilten Heiz- und Meßelemente 6′, 7′ und 8′. Ein geeignetes wärmebeständiges Iso­ lierrohr 12′, das durch Verschlußabschnitte an seinen Enden gehaltert ist, befindet sich in geeignetem radialem Abstand zu dem dünnwandigen und länglichen Meßrohr 9′ aus rostfreiem Stahl; das Rohr 12′ dient vorteilhafterweise als Träger für einen gedruckten Schaltungseinsatz 13, mit dem die Enden der Wicklun­ gen der Heizelemente 6′, 7′ und 8′ verbunden sind, die entlang der Außenseite des Meßrohres 9′ in enger, wärmeübertragender, jedoch elektrisch isolierender Beziehung dazu stehen. Eine elektrische Widerstandsheizwicklung 14 ist um das Äußere des rohrförmigen Isoliergehäuses 12′ entlang verteilt und vorzugs­ weise aus einem Draht mit hohem Temperaturkoeffizienten herge­ stellt, so daß sie ähnlich wie die Heizelemente 6′, 7′ und 8′ einen Teil eines dynamischen, automatisch nachregelnden Netzwer­ kes ist, das sowohl die Temperatur erfaßt als auch die erfor­ derliche Wärme zuführt.

Das Meßrohr 9′ ist derart konzipiert, daß es laminare Strömungs­ bedingungen fördert, die bei einer Durchflußmessung der in Rede stehenden Art bevorzugt werden; bei einer Ausführungsform ist dieses Meßrohr 9′ sehr klein ausgebildet und hat als Beispiel einen Innendurchmesser von 0,635 mm und eine Länge von 7,62 cm, wobei ein Verhältnis zwischen Innendurchmesser und Länge von etwa 1 : 100 eingehalten wird, um die erwähnten Strömungsbedingungen zu begünstigen.

In bezug auf das Tempera­ turdiagramm, das als Teil von Fig. 2 dargestellt ist, ist zu sehen, daß entsprechend vorstehender Beschreibung zu Fig. 1 das Heizelement 6′ das Fluid im Einlaß-Heizabschnitt 6A′ auf einen vorbestimmten Temperaturwert 15 erwärmt; die Durchschnittstemperatur, die für die folgende Strömung durch den Meß-Heizabschnitt 7A′ geregelt wird, sollte auf einem höheren Wert 16 liegen, und die nächste Temperaturregelung in dem Auslaß-Heizabschnitt 8A′ sollte einen Abfall beinhalten, wie dies durch den Wert 17 in Fig. 2 gezeigt ist. Die tatsächlichen Wärmeübergänge des Fluids bei seinem Durchgang durch diese Zonen verlaufen natürlich graduell und ändern sich mit den Strömungsbedingungen. In dem Einlaß-Heizabschnitt 6A′ kann die Temperatur des einströmenden Fluids entweder nahe bei oder wesentlich niedriger als der Temperaturwert 15 sein und muß daher um kleine oder große Beträge über eine vorgegebene Länge dieser Zone angehoben werden; sowohl die Fluiddichte als auch die Geschwindigkeit, mit der das Fluid strömt, beeinflussen die Wärmemenge, die zugeführt werden muß. Außerdem kann der Heizeffekt am stromabwärts liegenden Ende des Heizelementes 6′, das nahe dem stromauf liegenden Ende des Heizele­ mentes 7′ liegt und durch dieses beeinflußt wird, unterschied­ lich gegenüber dem Effekt am stromauf liegenden Ende sein. Solche Randeffekte liegen in gleicher Weise auch im Falle des Meß-Heizelementes 7′ vor, jedoch sollte dessen stromauf liegendes Ende eine relativ stabile Temperatur auf dem Temperaturniveau 15 aufweisen, während sein stromabwärts liegen­ des Ende variable Temperaturabsenkungen erfährt, die von der Temperatur abhängen, die durch die benachbarte, unterschiedlich beheizte, jedoch relativ kühlere Ausgangswicklung 8′ hervorge­ rufen wird. Diese letztgenannten Wechselwirkungen zwischen dem stromab liegenden Abschnitt des Meß-Heizelementes 7′ und dem Auslaß-Heizelement 8′ in unmittelbarer Nähe stromab desselben sind sehr wichtig, da sie die erwähnte Proportionalität der Durchflußmengenmessung fördern. Obgleich sich das Temperaturprofil entlang der Meßzone mit der Strömung ändert, und zuerst eine positive Steigung über eine bestimmte Zone aufweist, dem eine negative Steigung über die restliche Zone folgt, verbleibt die Durchschnittstemperatur im wesentlichen gleich für alle Strömungsbedingungen innerhalb eines Strömungsbereiches, für den das Gerät ausgelegt ist. Es ist festzuhalten, daß die Durchschnittstemperatur den Aufwand an Heizenergie bestimmt, der sich mit der Strömung ändert und diese ziemlich exakt charakterisiert.

Eine bevorzugte praktische Ausführungsform der Vorrichtung ist in Fig. 3 gezeigt. Das Meßrohr 9′ stellt einen Nebenschluß zu einer Hauptströmungsleitung 18 dar, die durch ein Basisteil 19 aus rostfreiem Stahl verläuft, das an seinen Enden mit Innengewinden versehene Öffnungen aufweist, die beispiels­ weise zur Verbindung mit dem stromauf befindlichen Anschlußstück 20 dienen. Kanäle 21, 22, durch welche das Fluid von der Strömungsleitung 18 zum Meßrohr 9′ als Nebenschluß geführt wird, sind teilweise durch das Basisteil 19 und teilweise durch Befestigungs- und Halterungsteile 23, 24 gebildet. Verbin­ dungsstreifen 13 und ähnliche Streifen für die Heizwicklung 14 zur Umgebungstemperaturregelung sind derart vorgesehen, daß sie auf die zugehörigen Kantenverbindungen einer gedruckten Schal­ tungsplatte 25 passen, die die zugehörigen elektrischen Brücken­ netzwerke und andere Schaltkreise trägt, welche in Verbindung mit der Vorrichtung verwendet werden.

Bezüglich der letzterwähnten Ausführungsbeispiele zeigt Fig. 4 ein Schaltbild und andere Einzelheiten einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung, die drei elektronische Regeleinheiten 6B′, 7B′, 8B′ aufweist, die den Regeleinheiten nach Fig. 1 entsprechen. Außerdem ist eine vierte, ähnliche Regeleinheit 14B′ vorgesehen, welche für das Heizelement 14′ vorgesehen und die Umgebungstemperatur regelt, der das stromauf befindliche Heizelement 6′, das im Mittelabschnitt befindliche Heizelement 7′ und das stromab liegende Heizelement 8′ ausgesetzt sind. Die Wicklungen der letztgenannten drei Heizelemente sind in wärmeübertragenden Beziehungen gegenüber dem Fluid angeordnet, das durch die laminare Strömungsleitung oder das Meßrohr 9 hindurchgeführt wird, und sie sind im wesentlichen kontinuierlich entlang der jeweiligen stromauf, im Mittelbereich liegenden und stromab liegenden Abschnitte der Vorrichtung verteilt.

Unter Bezugnahme auf die Regeleinheit 6B′ als Beispiel ist zu beachten, daß das einen relativ hohen Widerstandstemperaturko­ effizienten aufweisende Material der Wicklung des Heizelementes 6′ sich in einem Zweig der kompletten Brücke befindet, daß die anderen drei Zweige der Brücke Widerstände 6a′, 6b′ und 6c′ mit nur relativ kleinen Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweisen und daß das Ausgangssignal der Brücke einem Operationsverstärker 26 zugeführt wird, der einen Leistungsverstärker-Transistor 27 steuert, um die Ströme zu ändern, welche dem Heizelement 6′ zugeführt werden, um die Fluidtemperatur entsprechend zu regeln. Bezüglich der Regeleinheit 8B′, die dem Heizelement 8′ zugeord­ net ist, ist ein ähnlicher Operationsverstärker 28 und ein Leistungsverstärker-Transistor 29 vorgesehen. Auf ähnliche Weise enthält die Regeleinheit 14B′ die einen hohen Widerstandstempe­ raturkoeffizienten aufweisende Wicklung des Heizelementes 14′ für die Umgebungstemperatur in Form eines Zweiges der Brücke, wobei die verbleibenden Zweige 14a′ bis 14c′ der Brücke vernach­ lässigbar kleine Widerstandstemperaturkoeffizienten haben; ferner ist ein auf das Ausgangssignal der Brücke ansprechender Operationsverstärker 30 vorgesehen, der einen Leistungsverstär­ ker-Transistor 31 steuert, um den Heizstrom zu ändern, wenn die erfaßten Umgebungstemperaturbedingungen sich ändern. Ein Operationsverstärker 32 und ein weiterer Leistungs­ verstärker-Transistor 33 führen vergleichbare Funktionen in bezug auf die Arbeitsweise der Regeleinheit 7B′ durch, welche das die primäre Meßwicklung bildende Heizelement 7′ enthält. Der Spannungsabfall an dem Heizelement 7′ ist besonders wesentlich vom Standpunkt der Durchflußmessung und kann gemäß vorstehender Beschreibung als im wesentlichen linear proportional zur Durch­ flußmenge angesehen werden. Demzufolge werden diese Spannungen kontinuierlich mit Hilfe eines Trennverstärkers 34 mit hoher Eingangsimpedanz gemessen, ohne daß die Aufheizung oder die Temperaturmessung, welche durch das Heizelement 7′ vorgenommen wird, beeinträchtigt wird. Durch Verstärker 35 und 36 wird eine nachfolgende Verstärkung vorgenommen, wobei eine Verstärkungs­ faktoreinstellung durch ein Potentiometer 37 und eine Nullpunkt­ verschiebung durch ein Potentiometer 38 möglich ist, dem eine Bezugsspannung zugeführt wird, die durch eine Zenerdiode erzeugt wird. Diese Nullpunktverschiebung soll solche Systemwirkungen kompensieren, die bei Messungen unter Bedingungen auftreten können, bei denen keine Strömung vorliegt. Die erfaßten und verarbeiteten Signale, die die Durchflußmenge darstellen, werden über eine Leitung 40 einem Endgerät 41 zugeführt, beispielsweise einer bekannten Anzeigeeinheit, einer Aufzeichnungseinheit oder einer Steuerein­ heit. Wenn die Vorrichtung als Teil eines Systems benutzt wird, welches das über eine Hauptleitung 42 zugeführte Fluid mittels eines Ventils 43 regelt, aktiviert dann die Steuereinheit 41 in geeigneter Weise einen Motor oder ein anderes Ventilbetätigungs­ glied 44.

In geeigneten Fällen können die Durchflußmengenmessungen integriert werden, um den gesamten Mengenfluß zu liefern. Ferner können auch zusätzliche Nebenschlußanordnungen verwendet werden, um die Meßbereiche zu vervielfachen, in denen eine Ausführung eines Durchflußmengenmessers eingesetzt werden kann. Obgleich vorstehend eine Form einer vollständigen Brücke beschrieben wurde, können andere Brücken benutzt werden, um die gleichen oder ähnliche Ergebnisse zu erreichen, einschließlich solcher Brücken, die Temperaturmessungen separat mittels einer Wicklung eines Wicklungspaares durchführen, während das Heizen durch das Heizen der anderen Wicklung des gleichen Paares realisiert wird. Die Wicklungen müssen nicht spiralförmig sein, sondern leitfähige Filme oder Schichten und andere Äquivalente eines Drahtes können selbstverständlich eingesetzt werden.

Gerade Leitungen mit laminarer Strömung werden für die Durchflußmengenmessung bevorzugt, wie vorstehend beschrieben, jedoch können Vorrichtungen mit nicht-laminaren oder nicht gleichförmigen Querschnitten eben­ falls angewandt werden und zur Messung von Flüssigkeitsströmun­ gen, breiförmigen Fluiden und anderen Gemischen verwendet werden.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beinhalten drei Wicklungsabschnitte, wobei die am meisten stromabwärts befind­ liche Wicklung ein Heizelement darstellt, das die Abkühlung des Fluids auf eine Temperatur zwischen dem stromauf erzeugten Temperaturwert und dem Durchschnittswert der Temperaturen im mittleren Abschnitt kontrolliert; wenn jedoch ein gewisser Grad an Trägheit und Nichtlinearität im Ansprechverhalten und in der Empfindlichkeit toleriert und/oder kompensiert werden kann, muß die Temperatur des stromabwärts befindlichen Abschnittes nicht zwischen den anderen Temperaturen liegen. Während es bevorzugt ist, daß die Durchflußmessung innerhalb des Meßab­ schnitts erfolgt, der sich gerade stromabwärts des ersten Abschnittes befindet und in welchem die Eingangstemperatur des Fluids geregelt wird, ist es möglich, nützliche, auf die Strömung und Strömungsmenge bezogene Informationen von einem oder mehreren der anderen Abschnitte abzunehmen. So kann die Energie oder eine auf die Energie bezogene Größe am stromauf liegenden Wicklungs­ abschnitt 6 und/oder am stromab liegenden Wick­ lungsabschnitt 8 und/oder am Wicklungsabschnitt 7 und an einem oder beiden Wicklungsabschnitten 6 und 8 erfaßt werden, um die Strömung zu messen und um die Messung oder Regelung durchzuführen.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung eines Fluids durch einen Fluidkanal, mit

• - einem ersten und einem zweiten elektrischen Heiz­ element (6′, 7′) die jeweils in Wärmeaustausch mit dem Fluid stehen und von denen das zweite (7′) stromab des ersten Heiz­ elementes liegt,
• - einer ersten und einer zweiten Regeleinrichtung (6d, 6e; 26, 27 und 7d, 7e; 32, 33) zur Regelung der Temperatur des ersten und des zweiten Heizelementes (6′, 7′) auf eine jeweils vorgegebene erste und zweite Temperatur, und
• - einer Meßeinrichtung (34-39), zur Messung der Strömung des Fluids durch eine Meßzone des Fluidkanals durch Messung der dem zweiten Heizelement (7′) zugeführten elektrischen Leistung,

dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes elektrisches Heizelement (8′) stromab des zweiten Heizelementes (7′) angeordnet ist, daß das dritte Heizelement (8′) in Wärmeaustausch mit dem Fluid steht, und daß eine dritte Regeleinrichtung (8d, 8e; 28, 29) zur Regelung der Temperatur des dritten Heizelementes auf eine dritte vorgegebene Temperatur derart vorgesehen ist, daß ein vorgegebenes Temperaturprofil längs der Meßzone unabhängig von der Durchflußmenge des Fluids durch den Fluidkanal aufrechterhalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Temperatur über der maximal zu erwartenden Eingangstemperatur des Fluids liegt, daß die Temperatur des zweiten Heizelementes über der Tempe­ ratur des ersten Heizelementes liegt, und daß die Temperatur des dritten Heizelementes zwischen den Temperaturen des ersten und zweiten Heizelementes liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (6′, 7′, 8′) durch elektrisches Widerstandsmaterial mit einem hohen Widerstandstempera­ turkoeffizienten gebildet sind und daß die Regeleinrichtungen jeweils elektrische Brückenschaltungen einschließen, die das jeweilige Heizelement in einem ihrer Zweige aufweisen und Temperaturänderungen des jeweiligen Heizelementes darstellende Brückenaus­ gangssignale erzeugen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial einen hohen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, daß die übrigen Zweige der Brückenschaltung Impedanzen mit einem vernachlässigbaren Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweisen, und daß die jeweilige Regeleinrichtung in Abhängig­ keit von dem Brückenausgangssignal einen elektrischen Strom durch die Brückenschaltung leitet, der das Widerstandsmaterial auf die jeweils vorgegebene Temperatur erwärmt und auf dieser Temperatur hält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial in einen Zweig von jeweils vier Brückenzweige aufweisenden Brücken­ schaltungen eingeschaltet ist und daß die jeweiligen Regelein­ richtungen einen auf die Brückenausgangssignale ansprechenden elektronischen Verstärker sowie einen Leistungsverstärker einschließen, der durch den elektronischen Verstärker steuerbar ist, um den elektrischen Strom zu steuern.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (34-39) den Spannungsabfall an dem Widerstandsmaterial des zweiten Heizelementes (7) mißt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (34-39) eine hohe Eingangsimpedanz aufweist, die elektrisch zum Widerstands­ material des zweiten Heizelementes parallelgeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umgebungstemperatur-Regelein­ richtung (14B′) vorgesehen ist, die die Umgebungstemperatur der Vorrichtung regelt und ein Heizelement (14′) einschließt, das die Umgebungstemperatur der Vorrichtung auf einen Wert über den erwarteten Temperaturen der normalen Umgebung hält, in welcher die Vorrichtung verwendet wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (6′, 7′, 8′) eine Leitungseinrichtung in Form eines länglichen Rohres (9′) mit kleinem Durchmesser umgeben, das einen Strömungskanal für das Fluid bildet, und daß das die Heizelemente (6′, 7′, 8′) bildende Widerstandsmaterial wendelförmig um das Rohr (9′) herum angeord­ net ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebungstemperatur-Regelein­ richtung (14B′) ein Gehäuse (12′) einschließt, das rohrförmig und koaxial zu dem länglichen Rohr (9′) ausgebildet und angeordnet ist und an seinem Umfang das Heizelement (14′) in Form von wendelförmig angeordnetem Widerstandsmaterial trägt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das längliche Rohr (9′) derartige Abmessungen und einen derartigen Aufbau aufweist, daß eine laminare Strömung des durch dieses Rohr hindurchströmenden Fluids gefördert ist, und daß das Rohr einen Nebenschluß für eine Haupt-Strömungslei­ tung (18) bildet.

12. Verfahren zur Durchflußmengenmessung eines Fluids durch einen Fluidkanal, bei dem

• - das ankommende Fluid durch ein temperaturgeregeltes erstes Heizelement auf eine erste Temperatur oberhalb der Temperatur des ankommenden Fluids erwärmt wird,
• - das derart erwärmte Fluid durch ein temperaturgeregeltes zweites Heizelement in einer Meßzone stromab des ersten Heizele­ mentes auf eine zweite, höhere Temperatur erwärmt wird, und
• - die dem zweiten Heizelement zugeführte elektrische Leistung erfaßt und als linear proportional zur Durchflußrate des Fluids ausgewertet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß durch ein temperaturgeregeltes drittes Heizelement stromab des zweiten Heizelementes eine dritte Temperatur derart aufrechterhalten wird, daß ein vorgegebenes Temperaturprofil längs der Meßzone unabhängig von der Durchflußrate des Fluids durch die Meßzone ausgebildet wird, so daß die Eingangstemperatur des an dem stromaufwärts gelegenen Ende der Meßzone strömenden Fluids auf der ersten Temperatur über der maximal erwarteten Umgebungstemperatur gehalten wird, während die Ausgangstemperatur am stromabwärts gelegenen Ende der Meßzone auf der dritten Temperatur zwischen den Temperaturen des ersten und zweiten Heizelements gehalten wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen und Abkühlen des Fluids in einer im wesentlichen temperaturkonstanten Umgebung erfolgt, die zumindestens den Fluidkanal und die Heizelemente umgibt und deren Temperatur über den erwarteten Temperaturen der normalen Umgebungstemperatur liegt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die laminare Strömung des Fluids während der Erwärmung und Abkühlung aufrechterhalten wird.