DE4303212C2 - Thermischer Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchflußmesser mit einem Flußgeschwindigkeits-Meßsensor.

US 2 870 305 beschreibt einen Durchflußmesser, bei dem ein glasartiges Trägerteil zwischen zwei verjüngten Abschnitten angeordnet ist. Auf dem glasartigen Trägerteil ist ein temperaturabhängiger Widerstandsfilm aufgebracht. Zwei relativ dicke Platierungen aus einem leitenden Metall, beispielsweise Platin, sind auf dem temperaturabhängigen Widerstandsfilm und auf den benachbarten Abschnitten der verjüngten Abschnitte aufgebracht. Zwei Drähte verlaufen im Inneren der verjüngten Abschnitte und sind mit der dicken Platierung verbunden, um einen Kontakt zu dem temperaturabhängigen Widerstandsfilm herzustellen.

Die US-Z: Transactions of ASME/Journal of Basic Engineering, September 1960, Seiten 629-634 zeigt einen Flußsensor, der ebenfalls wie in der US 2 870 305 beschrieben aufgebaut ist. Hier ist die Länge des glasartigen Halteteils zwischen den verjüngten Abschnitten mit 1 mm angegeben, wobei die Dicke des glasartigen Trägerteils inclusive des temperaturabhängigen Widerstandsfilms 0,10-0,01 mm beträgt. Auch hier ist wiederum die dicke Platierung vorgesehen, um zwischen den Drähten und dem temperaturabhängigen Widerstandsfilm einen Kontakt herzustellen.

Die voranstehend beschriebenen Durchflußmesser weisen aufgrund der dicken Platierung ungünstige Wärmeableiteigenschaften auf, so daß die Ansprechgeschwindigkeit derartiger Durchflußmesser gering ist. Nachstehend werden derartige Probleme weiter unter Bezugnahme auf die Fig. 3-6 erläutert.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines konventionellen thermischen Durchflußmessers, wie er beispielsweise in der ungeprüften japanischen Gebrauchsmusteranmeldung (OPI) Nr. Sho. 61-108930 beschrieben ist. Ein Detektorrohr 202 ist in einer vorbestimmten Position innerhalb eines Gehäuses 201 entlang eines Hauptflußkanals des Fluids angeordnet.

Ein Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 203, der mit einem wärmeempfindlichen Widerstand 306 (wie in Fig. 4 gezeigt) versehen ist, und ein Fluidtemperatursensor 204 sind an einem vorbestimmten Ort innerhalb des Detektorrohres 202 angeordnet. Diese beiden Bauteile bilden eine Brückenschaltung mit Widerständen R₁ und R₂. Knoten b und c der Brückenschaltung sind mit Eingangsklemmen eines Differenzverstärkers 101 verbunden. Ein Ausgang des Differenzverstärkers 101 ist an eine Basis eines Transistors 102 angeschlossen und ein Emitter des Transistors 102 ist mit einem Ende a der Brückenschaltung verbunden, und ein Kollektor des Transistors ist an eine Stromversorgungsquelle 103 angeschlossen.

Fig. 4 ist eine Aufsicht mit einer Darstellung eines Flußgeschwindigkeits-Meßsensors 203 eines weiteren konventionellen thermischen Durchflußmessers, der in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung (OPI) Nr. Hei. 2-269915 beschrieben ist, und Fig. 5 ist eine Seitenansicht des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors 203. Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, ist ein Isoliersubstrat 305 vorgesehen, und auf dem Substrat 305 ist ein wärmeempfindlicher Widerstand 306 angebracht, der als ein Film ausgebildet ist und aus einem Material besteht, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Eine Musterleitung 307 ist auf dem wärmeempfindlichen Widerstand 306 vorgesehen, um einen Stromweg auszubilden. Zwei Verbindungsdrähte 308 sind mit den beiden Enden des wärmeempfindlichen Widerstands 306 verbunden.

Fig. 6 ist eine Perspektivansicht mit einer Darstellung eines Detektorrohres 402 und eines Flußgeschwindigkeits-Meßsensors 403 eines weiteren konventionellen thermischen Durchflußmessers, vom sogenannten Hitzdrahttyp, der in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung (OPI) Nr. Sho. 55-6294 beschrieben ist. Der Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 403 dieser Art weist kein Trägerteil auf. Der Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 403 ist nur aus einem Drahtmaterial gebildet, welches aus einem wärmeempfindlichen Widerstandsmaterial besteht, beispielsweise Platindraht, bei diesem Stand der Technik.

Nachstehend wird der Betriebsablauf des konventionellen thermischen Durchflußmessers beschrieben. Wenn ein Fluid mit konstantem Fluß innerhalb des Gehäuses 201 fließt, wird ein der Brückenschaltung zugeführter Strom durch eine Steuerschaltung gesteuert, die durch den Differenzverstärker 101 und den Transistor 102 gebildet wird, so daß die Temperatur des wärmeempfindlichen Widerstands 306, der in dem Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 203 vorgesehen ist, höher ist als die Temperatur des Fluids, und zwar um eine vorbestimmte Temperatur. Daher befindet sich die Brückenschaltung in einem ausgeglichenen Zustand.

Wenn in diesem Zustand der Fluidfluß zunimmt, wird durch Kühlung der Widerstand des wärmeempfindlichen Widerstands 306 geändert, so daß die Brückenschaltung nicht mehr im Gleichgewicht ist, und dann wird der Strom, der der Brückenschaltung zugeführt wird, erhöht. Daher kehrt die Durchschnittstemperatur des wärmeempfindlichen Widerstands 306 durch Erhitzung auf die Ursprungstemperatur zurück. Dies führt dazu, daß der Gleichgewichtszustand der Brückenschaltung wieder erreicht wird. Während des voranstehend geschilderten Vorgangs wird die auf dem wärmeempfindlichen Widerstand 306 erzeugte Wärme verbraucht, um Umfangsabschnitte des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors 203 durch das Substrat 305 zu erwärmen, und ebenso durch Erwärmung des wärmeempfindlichen Widerstands 306 selbst. Da das Verhältnis der Wärmen, die für beide Zwecke verbraucht werden, sich entsprechend dem Fluß ändert, wird auch die Temperaturverteilung der Umfangsabschnitte durch den Fluß geändert.

Zwar wird die Durchschnittstemperatur im Gleichgewichtszustand gesteuert, jedoch nimmt in dem Fall, in welchem sich die Flußrate des Fluids schnell ändert, die Steuerschaltung einen Übergangszustand an, bis die Temperatur der Umfangsabschnitte die Temperatur entsprechend der Flußgeschwindigkeit wird, da sich die Temperatur der Umfangsabschnitte entsprechend der Flußgeschwindigkeit ändert. Daher kann während des Übergangszeitraums kein korrektes Ausgangssignal von der Steuerschaltung erhalten werden.

Der Betrieb des anderen konventionellen thermischen Durchflußmessers des Hitzdrahttyps ist ähnlich wie der des voranstehend beschriebenen, konventionellen thermischen Durchflußmessers. Allerdings stellt sich bei einem Vergleich des konventionellen thermischen Durchflußmessers mit dem Sensor des Hitzdrahttyps heraus, da der Hitzdraht-Flußsensor eine dünnere Ausbildung des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors gestattet, daß der Leitungskoeffizient der Konvektionswärme verbessert ist. Darüber hinaus ist die Wärmeleitung des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors klein, und daher ist die an Umfangsabschnitte übertragene Wärme ebenfalls gering.

Da allerdings der Flußgeschwindigkeits-Meßsensor des konventionellen thermischen Durchflußmessers so aufgebaut ist, wie voranstehend beschrieben, ist eine verhältnismäßig lange Zeit erforderlich, bis die Temperaturverteilungen des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors und der Peripherieabschnitte des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors sich in einem Gleichgewichtszustand befinden, wenn sich die Fluidflußrate schnell ändert. In bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit des Durchflußmessers gibt es daher Probleme. Ein weiteres Problem besteht darin, daß eine Ungleichmäßigkeit der Wärmekapazitätsübertragung von dem Substrat an die Peripherieabschnitte die Eigenschaften des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors beeinflußt. In bezug auf einen weiteren konventionellen thermischen Durchflußmesser des Hitzdrahttyps kann dieser, da das Verhältnis von Breite zur Höhe groß ist, verhindern, daß die Wärme von dem Flußgeschwindigkeits-Meßsensor an die Peripherieabschnitte übertragen wird. Allerdings ist eine ausreichende Querschnittsfläche erforderlich, um die erforderliche Festigkeit zu erhalten, und um die Lebensdauer des Durchflußmessers zu verbessern, und die Länge des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors muß größer sein. Daher tritt ein weiteres Problem auf, daß der Energieverbrauch des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors auf ungewünschte Weise zunimmt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines thermischen Durchflußmessers, der eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit, stabile Eigenschaften und einen geringen Energieverbrauch aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Durchflußmesser gemäß Anspruch 1 gelöst.

Da das Trägerteil des Durchflußmessers gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem isolierenden Drahtmaterial und filmartigen leitfähigen Teilen versehen ist, wird bei dem thermischen Flußgeschwindigkeits- Meßsensor verhindert, daß Wärme von einem Meßabschnitt an andere Abschnitte übertragen wird, und daher weist der Meßsensor eine hohe Empfindlichkeit und Reaktionsgeschwindigkeit auf, wie es im praktischen Einsatz eines Flußsensors erforderlich ist. Weiterhin kann eine Ungleichmäßigkeit der Eigenschaft unterdrückt werden, und der thermische Durchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung, der im wesentlichen dieselbe Festigkeit und Lebensdauer aufweist, wie ein konventioneller Durchflußmesser, weist einen höheren Widerstandswert pro Einheitslänge auf als der konventionelle Durchflußmesser. Mit anderen Worten, kann der Durchflußmesser kurz sein, so daß hierdurch der Energieverbrauch verringert wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand ihrer Ausführungsformen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine (teilweise weggeschnittene) Aufsicht auf einen Flußgeschwindigkeits-Meßsensor eines thermischen Durchflußmessers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Flußgeschwindigkeits-Meßsensors, der einstückig mit einem Fluidtemperatursensor eines thermischen Durchflußmessers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;

Fig. 3 ein Diagramm mit einer Darstellung des Aufbaus eines konventionellen thermischen Durchflußmessers;

Fig. 4 eine Aufsicht auf einen Flußgeschwindigkeits-Meßsensor bei einem weiteren konventionellen thermischen Durchflußmesser;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Flußgeschwindigkeits-Meßsensors bei einem weiteren konventionellen thermischen Durchflußmesser; und

Fig. 6 eine Perspektivansicht eines Detektorrohrs und eines Flußgeschwindigkeits-Meßsensors bei einem weiteren konventionellen thermischen Durchflußmesser.

Fig. 1 ist eine (teilweise weggeschnittene) Aufsicht auf einen Flußgeschwindigkeits-Meßsensor eines thermischen Durchflußmessers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ein Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 3 ist vollständig in Fig. 1 dargestellt. Ein Träger 5 ist mit einem Drahtmaterial versehen, welches als ein elektrisch isolierendes Material wirkt, beispielsweise Glasfenster, damit das Breiten/Höhenverhältnis größer als 20 ist. Ein wärmeempfindlicher Widerstand 6 ist an dem Trägerteil 5 angebracht, als ein Film ausgebildet, und aus einem Material hergestellt, dessen Widerstand sich entsprechend der Temperatur ändert.

Zuleitungsdrähte 8 sind an beide Enden des wärmeempfindlichen Widerstands 6 angeschlossen. Beide Leiter 9 sind aus leitenden Filmmaterialien hergestellt. Beide Leiter 9 sind über eine Länge befestigt, die mehr als das Fünffache als eine Dicke d des Trägerteils 5 beträgt, von beiden Enden des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors 3 aus. Der wärmeempfindliche Widerstand 6 arbeitet im wesentlichen auf einem wärmeempfindlichen Abschnitt 10. Wärmeisolierabschnitte 11a und 11b sind an beiden Enden des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors 3 vorgesehen. Die Leiter 9 verringern die Drahtwiderstandswerte des wärmeempfindlichen Widerstands 6 und unterdrücken daher die Wärmeerzeugung durch den Widerstand 6 an den Wärmeisolierabschnitten 11a und 11b. Eine Schutzschicht 12 deckt den gesamten Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 3 ab. Die Abmessung D ist ein Durchmesser einschließlich des Trägerteils 5, des wärmeempfindlichen Widerstands 6 und der Schutzschicht 12. Wird die Länge des Wärmeisolierabschnitts 11a mit L₃ bezeichnet, die des Wärmeisolierabschnitts 11b mit L₁, und die des wärmeempfindlichen Abschnitts 10 mit L₂, so gelten die Beziehungen, daß L₁ groß gegenüber d ist, L₂ groß gegenüber d ist und L₃ groß gegenüber d ist.

Nachstehend wird der Betrieb des thermischen Durchflußmessers beschrieben. Der grundlegende Betrieb des thermischen Durchflußmessers gemäß der vorliegenden Erfindung ist ähnlich wie bei einem konventionellen Durchflußmesser. Da jedoch der Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 3 des thermischen Durchflußmessers gemäß der vorliegenden Erfindung ein hohes Breiten/Höhenverhältnis aufweist, und weiterhin die Wärmeisolierabschnitte 11a, 11b zwischen dem wärmeempfindlichen Abschnitt 10 und dem Zuführungsdraht 8 vorgesehen sind, ist die Wärmeübertragung von dem Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 3 zu anderen Abschnitten extrem gering. Selbst wenn der Fluidfluß sehr schnell zunimmt und dann der der Brückenschaltung zugeführte Strom erhöht wird, wird daher die Temperaturverteilung des wärmeempfindlichen Widerstands 6 durch eine große erzeugte Änderung kaum beeinflußt. Daher dauert es nur eine kurze Zeit, bis die Temperaturverteilung den Gleichgewichtszustand erreicht, und die Reaktion des Durchflußmessers ist verbessert, da keine Ungleichmäßigkeit der Eigenschaften des Durchflußmessers hervorgerufen wird. Wenn der thermische Durchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen dieselbe Festigkeit und Lebensdauer wie der konventionelle Durchflußmesser aufweist, so kann der thermische Durchflußmesser einen höheren Widerstandswert pro Einheitslänge zur Verfügung stellen als der konventionelle Durchflußmesser. Mit anderen Worten kann der erfindungsgemäße Durchflußmesser mit einer kurzen Länge des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors 3 zusammengebaut werden, um so den Energieverbrauch zu verringern.

Bei der voranstehenden Ausführungsform wurde der Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 3 im einzelnen beschrieben. Da der grundsätzliche Mechanismus bei dem Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 203 und dem in Fig. 3 gezeigten Fluidtemperatursensor 204 jedoch im wesentlichen derselbe ist, kann der Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 3 als ein Fluidtemperatursensor eingesetzt werden. Insbesondere, weil der wärmeempfindliche Abschnitt 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eine starke Wärmeisolierung gegenüber den anderen Abschnitten aufweist, ist dieser wirksam, nur eine Temperatur eines gemessenen Fluids zu messen, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen dem Gehäuse und dem gemessenen Fluid besteht.

Weil darüber hinaus der Fluidgeschwindigkeits-Meßsensor 203 den Fluidtemperatursensor 204 elektrisch so anschließt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, können diese beiden Bauteile einstückig oder vereinigt ausgebildet werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist, um hierdurch die Herstellungskosten zu verringern.

Wie voranstehend beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein thermischer Durchflußmesser bereitsgestellt, bei welchem der Flußgeschwindigkeits-Meßsensor mit dem Trägerteil versehen ist, welches aus dem Isolierdrahtmaterial gebildet ist, wobei der wärmeempfindliche Widerstand auf einer Oberfläche des Trägerteils angebracht ist und wobei der wärmeempfindliche Widerstand als ein Film geformt ist und aus einem Material hergestellt ist, dessen Widerstand sich entsprechend der Temperatur ändert, und filmartige leitfähige Teile vorgesehen sind. Daher wird bei diesem thermischen Durchflußmesser verhindert, daß die Wärme von dem Flußgeschwindigkeits-Meßsensor 3 an die anderen Abschnitte übertragen wird. Daher weist der thermische Durchflußmesser ein hohes Reaktionsvermögen auf, stabile Eigenschaften und eine hohe Gleichförmigkeit.

Wenn der thermische Durchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen dieselbe Festigkeit und Lebensdauer wie der konventionelle Durchflußmesser aufweist, kann darüber hinaus der thermische Durchflußmesser einen höheren Widerstandswert pro Einheitslänge zur Verfügung stellen als der konventionelle Durchflußmesser. Mit anderen Worten, ergibt sich eine kurze Baulänge des Durchflußmessers gemäß der Erfindung und damit des Flußgeschwindigkeits-Meßsensors, wodurch eine Verringerung des Energieverbrauchs erzielt wird.

Claims (8)

1. Thermischer Durchflußmesser mit einem Flußgeschwindigkeits-Meßsensor (3), umfassend

• a) ein drahtförmiges Trägerteil (5) aus einem elektrisch isolierenden Material;
• a) einen Film (6) aus einem Material mit temperaturabhängigem Widerstand, der auf der Oberfläche des Trägerteils (5) aufgebracht ist;
• c) ein erstes und zweites filmartiges leitfähiges Teil (9), die in einem ersten und zweiten Endabschnitt des Films (6) auf dessen Oberfläche angeordnet sind; und
• d) Zuleitungsdrähte (8), die mit den filmartigen Teilen (9) verbunden sind;
  wobei
• e) die Länge (L₁, L₃) des ersten und zweiten filmartigen leitfähigen Teils (9) auf dem Film (6) in Längsrichtung des Trägerteils (5) groß gegenüber dem Durchmesser (d) des Trägerteils (5) ist; und
• f) die Länge (L₂) des Films (6) zwischen den filmartigen leitfähigen Teilen (9) groß gegenüber dem Durchmesser (d) des Trägerteils (5) ist.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L₁, L₃) des ersten und zweiten filmartigen leitfähigen Teils (9) auf dem Film (6) in Längsrichtung des Trägerteils (5) mehr als das Funffache des Durchmessers (d) des Trägerteils (5) beträgt.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (5) ein Verhältnis von Länge (L1+L2+L3) zum Durchmesser (d) von mehr als 20 aufweist.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Film aus einem Material mit temperaturabhängigem Widerstand zur Ausbildung eines Fluidtemperatursensors (4) vorgesehen ist.

5. Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (3, 4) in einer Brückenschaltung gemeinsam verschaltet sind.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flußgeschwindigkeits-Meßsensor (3) und der Fluidtemperatursensor (4) einstückig ausgebildet sind.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere Schutzschicht (12) für den gesamten Durchflußmesser vorgesehen ist.

8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (5) aus Glasfaser besteht.