DE4427554A1 - Wärmeimpuls-Durchflußmesser - Google Patents
Wärmeimpuls-DurchflußmesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmeimpuls-Durchflußmesser für
Gase und Flüssigkeiten, bei dem als Meßeffekt die Laufzeit ei
nes dem Meßmedium aufgeprägten, kurzen Wärmeimpulses über eine
vorgegebene Wegstrecke ausgenutzt wird.
Das Grundprinzip dieses Meßverfahrens ist bekannt und wird
z. B. in der DE 37 41 896 A1 angewendet. Dieses Gerät besitzt
diskrete Sender- und Empfängerstrukturen in Form von dünnen
Drähten, die in direktem Kontakt mit dem Meßmedium stehen.
Aufgrund der mechanischen Empfindlichkeit ist dieses Gerät nur
im Laborbetrieb einsetzbar und erfordert einen erheblichen
Fertigungsaufwand.
Bei einer anderen Anordnung, die in der DE 41 27 675 A1 be
schrieben wird, sind Wärmeimpulssender und -empfänger an der
Außenseite einer Schlauchleitung angebracht, wodurch die Ein
kopplung des Wärmeimpulses in das Meßmedium erschwert wird.
Das Gerät ist als Strömungswächter für Flüssigkeiten vorgese
hen.
Eine weitere Anordnung, die in der Europäischen Patentanmel
dung 0 500 011 A1 beschrieben ist, verzichtet auf den Wärmeim
pulssender und erfaßt die thermischen Eigenschwankungen des
Meßmediums mit hochempfindlichen Thermoelementen. Die Meßsi
gnale der Thermoelemente werden miteinander korreliert und
daraus die örtliche Fließgeschwindigkeit berechnet. Die Reali
sierung dieser Meßmethode zur Durchflußmessung ist mit sehr
hohem Aufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für den indu
striellen Einsatz geeignetes, kompaktes und robustes, jedoch
auch bei kleinen Durchsätzen hinreichend genau arbeitendes
Durchflußmeßgerät bereitzustellen. Mit diesem Gerät sollen
sowohl flüssige als auch gasförmige Medien gemessen werden,
ohne daß ein allzu hoher Aufwand an medienspezifischen Kali
brierungen betrieben werden muß.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmeimpuls-
Durchflußmeßgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des An
spruchs 1 grundsätzlich gelöst.
Die untergeordneten Ansprüche 2 und 3 kennzeichnen den Sub
stratwerkstoff und die Technik, in der die Funktionselemente
des Sensorteiles des Durchflußmessers realisiert werden.
Anspruch 4 kennzeichnet die zweckmäßige Anordnung der Funk
tionselemente auf dem Substrat.
Anspruch 5 schließlich kennzeichnet den Blockaufbau der Elek
tronik zur Aufbereitung der Meßsignale.
Anspruch 6 beinhaltet eine Erweiterung der Meßaufgabe, die mit
den in Anspruch 1 aufgeführten Funktionselementen und der in
Anspruch 5 beschriebenen Meßsignal-Auswerteelektronik ohne we
sentlichen Mehraufwand geleistet werden kann.
Weiterhin kennzeichnet der Anspruch 6 das Verfahren zur Auswer
tung der von den Wärmeimpulsempfängern (3) gelieferten Signale
durch Kreuzkorrelation, welche auch bei stark gestörten Meßsi
gnalen eine zuverlässige Ermittlung der Laufzeit des Wärmeim
pulses ermöglicht. Schließlich kennzeichnet Anspruch 6 die
Vorgehensweise bei der Umrechnung der gemessenen Impulslauf
zeit in den Volumendurchfluß sowie die Korrektur von strö
mungstechnischen Einflüssen des zu messenden Mediums.
Testmuster dieses Durchflußmessers wurden gefertigt und Funk
tionstests in einem flüssigen und in einem gasförmigen Meßme
dium unterzogen.
Es zeigt:
Fig. 1 den schematischen Aufbau des Sensorteiles des
Durchflußmessers,
Fig. 2 das Ergebnis eines Funktionstests mit Öl,
Fig. 3 das Ergebnis eines Funktionstests mit Stickstoff.
Der schematische Aufbau des vom Meßmedium umströmten Sensor
teiles des Wärmeimpuls-Durchflußmessers ist in Fig. 1 darge
stellt. Der Sensor besteht aus einem plattenförmigen Substrat
1 aus einer Keramik mit geringer Wärmeleitfähigkeit, auf dem
in Dickschichttechnik die Funktionselemente: Heizwiderstand 2,
Wärmeimpulsempfänger 3 und Temperaturmeßfühler 4 aufgebracht
sind. Zur zusätzlichen thermischen Isolation der Funktionsele
mente 2, 3, 4 zum Substrat 1 hin dient eine Zwischenschicht
mit geringer Wärmeleitung. Zum Schutz der Funktionselemente 2,
3, 4 sowie der für die Verbindung der Funktionselemente 2, 3,
4 mit der Elektronik erforderlichen Leiterbahnen 5 gegen einen
möglichen Korrosionsangriff durch das Meßmedium bzw. durch die
umgebende Atmosphäre dient eine dünne, gut wärmeleitende Deck
schicht. Zwischenschicht und Deckschicht werden ebenfalls in
Dickschichttechnik hergestellt.
Das strömungstechnische Grundelement dieses Sensors ist eine
überströmte Platte, welche sich in dem vom Meßmedium durch
strömten Strömungsraum befindet und auf der die Funktionsele
mente 2, 3, 4 aufgebracht sind.
Der Wärmeimpulssender ist der Heizwiderstand 2, der durch
einen oder mehrere definierte Stromimpulse 9 in vorgegebenen
zeitlichen Abständen aufgeheizt wird und entsprechende Wär
meimpulse an das vorbeiströmende Meßmedium überträgt.
Diese Wärmeimpulse werden durch das Meßmedium zu den den Wär
meimpulsempfängern 3 transportiert, die in einem definierten
Abstand hintereinander angeordnet sind und zwei zeitlich zu
einander versetzte Meßsignale 10 abgeben.
Um an den beiden Wärmeimpulsempfängern 3 möglichst schmale und
hohe Wärmeimpulse zu erzeugen, wird die Ausbildung einer
hydraulischen, bzw. thermischen Grenzschicht durch eine Unter
brechung des Substrats 1 in Form von Fenstern 6 gestört. Die
Grenzschicht beginnt sich erst hinter der Substratkante im Be
reich des Wärmeimpulsempfängers 3 zu bilden, was im Vergleich
mit einer nicht unterbrochenen Platte einen deutlich besseren
Wärmeübergang vom Fluid zu den Wärmeimpulsempfängern 3 be
wirkt.
Die Meßsignale der Wärmeimpulsempfänger 3 werden in den nach
geschalteten Vorverstärkern 7 verstärkt und dann der Meßsi
gnal-Auswerteelektronik zugeführt. Um Störeinflüsse auf die
Meßsignale so klein wie möglich zu halten, sind die Vorver
stärker 7 in unmittelbarer Nähe der Wärmeimpulsempfänger 3 auf
dem gemeinsamen Substrat 1 außerhalb des Strömungsraums 8 un
tergebracht.
Durch eine geeignete Meßelektronik, bestehend aus Verstärkern,
Filtern, Analog-Digital-Wandlern und Mikroprozessor wird die
Impulslaufzeit zwischen den Wärmeimpulsempfängern 3 ermittelt
und auf die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Volumendurchfluß
umgerechnet.
Durch die kontinuierliche Messung der Medientemperatur mit dem
Temperaturmeßfühler 4 kann der Einfluß der Temperatur auf das
Durchflußmeßergebnis korrigiert und der Wärmestrom im Meßme
dium direkt erfaßt werden.
Fig. 2 und 3 zeigen zwei typische Versuchsergebnisse, die mit
dem Sensor für Öl und Stickstoff als Meßmedium erhalten wur
den. Aufgetragen über der Zeit ist der zeitliche Verlauf des
Stromimpulses 9 am Heizwiderstand 2 und die zeitlichen Ver
läufe der Meßsignale 10 der beiden Wärmeimpulsempfänger 3. Mit
einem anstelle des Mikroprozessors angeschlossenen Rechner
wurde die Kreuzkorrelationsfunktion 11 der verstärkten, gefil
terten und digitalisierten Ausgangssignale der Wärmeimpulsem
pfänger 3 berechnet.
Die Kreuzkorrelationsfunktion zweier Signale stellt ein Maß
für den statistischen Zusammenhang dieser Signale dar. Für die
größte erreichbare Ähnlichkeit der beiden Signale beim Ver
schieben der Signale auf der Zeitachse besitzt die Kreuzkorre
lationsfunktion ein Maximum. Entscheidend für die zeitliche
Lage des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion ist also nicht
die Signalamplitude, sondern die Ähnlichkeit der korrelierten
Signale. Beim Wärmeimpuls-Durchflußmesser wird das Maximum der
Kreuzkorrelationsfunktion bei einer Verschiebung der Signal
kurven um den Betrag der Laufzeit des Wärmeimpulses erreicht.
In Fig. 3 wird der Vorteil des benutzten Kreuzkorrelations
verfahrens besonders deutlich. Physikalisch bedingt, weisen
die von den Wärmeimpulsempfängern 3 gelieferten Signale bei
der Messung von Gasen, in diesem Fall Stickstoff, ein nur sehr
kleines Signal/Rauschverhältnis auf. Stochastische Störsignale
bewirken zwar eine Vergrößerung der Breite des Korrelationsma
ximums, aber die für die Ermittlung der Wärmeimpulslaufzeit
entscheidende Lage des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion
wird dadurch nicht verändert.
Bezugszeichenliste
1 Substrat
2 Heizwiderstand, Wärmeimpulssender
3 Temperaturmeßfühler, Wärmeimpulsempfänger
4 Temperaturmeßfühler für Medientemperatur
5 Leiterbahn
6 Fenster
7 Vorverstärker
8 Strömungsraum
9 zeitlicher Verlauf des Stromimpulses im Heizwiderstand
10 zeitlicher Verlauf der Temperatur an den Wärmeimpulsem pfängern
11 Kreuzkorrelationsfunktion
12 Laufzeit des Wärmeimpulses
2 Heizwiderstand, Wärmeimpulssender
3 Temperaturmeßfühler, Wärmeimpulsempfänger
4 Temperaturmeßfühler für Medientemperatur
5 Leiterbahn
6 Fenster
7 Vorverstärker
8 Strömungsraum
9 zeitlicher Verlauf des Stromimpulses im Heizwiderstand
10 zeitlicher Verlauf der Temperatur an den Wärmeimpulsem pfängern
11 Kreuzkorrelationsfunktion
12 Laufzeit des Wärmeimpulses
Claims (6)
1. Wärmeimpuls-Durchflußmesser für Gase und Flüssigkeiten, der
als Meßeffekt die Laufzeit eines dem Meßmedium aufgeprägten
Wärmeimpulses längs einer definierten Wegstrecke mißt, be
stehend aus:
- a) einem elektrischen Heizwiderstand (2), der als Wärmeim pulssender (2) wirkt,
- b) mindestens zwei in Strömungsrichtung in einem vorgegebe nen Abstand hintereinander angeordneten Temperatur meßfühlern (3), die als Wärmeimpulsempfänger (3) wirken,
- c) strömungstechnischen Elementen zur Verbesserung des Wär meübergangs an den Temperaturmeßfühlern,
- d) einem Temperaturmeßfühler (4) zur Erfassung der Medien temperatur sowie
- e) einer Stromimpuls- und Meßsignalauswerte-Elektronik, dadurch gekennzeichnet, daß
- f) der Heizwiderstand (2), die zur Messung der Laufzeit (12) des Wärmeimpulses dienenden Temperaturmeßfühler (3), der Temperaturmeßfühler (4) zur Messung der Medien temperatur und die für die Verbindung dieser Bauelemente mit der Elektronik erforderlichen Leiterbahnen (5) als Schichtschaltung auf einem plattenförmigen Substrat (1) als Schaltungsträger aufgebracht sind,
- g) die Schichtschaltung in Dickschichttechnik, durch Aufs puttern, Aufdampfen oder andere Schichtabscheideverfah ren hergestellt wird,
- h) das Substrat (1) aus einem Werkstoff mit einer kleinen Wärmeleitfähigkeit besteht,
- i) zwischen Substrat (1) einerseits und dem Heizwiderstand (2), den Temperaturmeßfühlern (3), dem Temperaturmeßfüh ler (4) und den Leiterbahnen (5) andererseits eine Zwi schenschicht mit niedriger Wärmeleitfähigkeit als zu sätzliche thermische Isolierung aufgebracht ist,
- j) Heizwiderstand (2), Temperaturmeßfühler (3), Temperatur meßfühler (4) und die Leiterbahnen (5) mit einer dünnen, gut wärmeleitenden und chemisch widerstandsfähigen Deck schicht versehen sind, die den direkten Kontakt der Funktionselemente (2, 3, 4) mit dem Meßmedium oder mit der umgebenden Atmosphäre und somit einen möglichen Kor rosionsangriff auf die Funktionselemente verhindert,
- k) in Strömungsrichtung vor den Temperaturmeßfühlern (3), welche als Wärmeimpulsempfänger (3) dienen, das Substrat (1) durch Fenster (6) unterbrochen ist,
- l) das Substrat (1) durch eine Aussparung in der den Strö mungsraum (8) begrenzenden Wand sich nach außen fort setzt und in diesem Bereich des Substrats (1) die Vor verstärker (7) der Meßsignalauswerte-Elektronik unterge bracht sind,
- m) die Dauer der Wärmeimpulse, die durch die Fließgeschwin digkeit des Meßmediums bedingte Laufzeit (12) der Wär meimpulse und die Ausgleichszeiten beim Wärmeübergang vom Heizwiderstand (2) in das Meßmedium und vom Meßme dium zu den Wärmeimpulsempfängern (3) klein sind gegen über den Wärmetransportzeiten im Substrat (1).
2. Wärmeimpuls-Durchflußmesser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (1) aus Keramik oder Glas oder Glaskeramik
ist.
3. Wärmeimpuls-Durchflußmesser nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (1) aus Aluminiumoxid-Keramik ist und
die Schichtschaltung mittels Siebdruckverfahren in Dick
schichttechnik hergestellt ist.
4. Wärmeimpuls-Durchflußmesser nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Temperaturmeßfühler (4) zum Messen der Medientemperatur
in Strömungsrichtung hinter den Wärmeimpulsempfängern (3)
angeordnet ist, so daß die durch den Heizwiderstand (2) er
zeugten Wärmeimpulse die Messung der Medientemperatur durch
den Temperaturmeßfühler (4) nicht oder allenfalls vernach
lässigbar beeinflussen.
5. Wärmeimpuls-Durchflußmesser nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Stromimpuls- und Meßsignalauswerte-Elektronik aus einem
Stromimpulsgenerator, einem Verstärker und Filter für jeden
Wärmeimpulsempfänger (3), sowie aus einem Multiplexer, ei
nem Analog-Digital-Wandler und einem Mikroprozessor zur
Auswertung der Meßsignale, zur Steuerung des Meßvorganges
sowie zum Datentransfer besteht.
6. Verfahren zur Ermittlung des Durchflusses mit dem Wärmeim
puls-Durchflußmesser nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
gleichzeitig der Durchfluß des Mediums, die Medientempera
tur und die Wärmeenergie gemessen wird,
ein Wechsel in der Zusammensetzung des Mediums oder ein
Phasenwechsel von flüssig aufgasförmig oder umgekehrt de
tektiert wird,
die von den Wärmeimpuls-Empfängern (3) erhaltenen Meßsi
gnale in der Meßsignal-Auswerteelektronik zu digitalisier
ten Signalen aufbereitet und im Mikroprozessor einer Kreuz
korrelation unterzogen werden, woraus die Laufzeit (12) der
Wärmeimpulse ermittelt und mit Hilfe von gespeicherten Kor
rekturfaktoren und der mit dem Temperaturmeßfühler (4) ge
messenen Medientemperatur eine Umrechnung in den äquiva
lenten Volumendurchfluß vorgenommen wird,
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4427554A DE4427554C2 (de) | 1994-08-04 | 1994-08-04 | Wärmeimpuls-Durchflußmesser |
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DE4427554A DE4427554C2 (de) | 1994-08-04 | 1994-08-04 | Wärmeimpuls-Durchflußmesser |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4427554A1 true DE4427554A1 (de) | 1996-02-22 |
DE4427554C2 DE4427554C2 (de) | 1996-07-18 |
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DE4427554A Expired - Fee Related DE4427554C2 (de) | 1994-08-04 | 1994-08-04 | Wärmeimpuls-Durchflußmesser |
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1994
- 1994-08-04 DE DE4427554A patent/DE4427554C2/de not_active Expired - Fee Related
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