DE9200771U1

DE9200771U1 - Vorrichtung zur thermischen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten

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Publication number: DE9200771U1
Application number: DE9200771U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-01-23
Filing date: 1992-01-23
Publication date: 1992-03-12
Anticipated expiration: 2002-01-24

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Vorrichtung zur thermischen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem ersten beheizbaren Temperaturfühler der in ein strömendes Medium eintaucht oder an ihm anliegt.

Vorrichtungen dieser Art sind bekannt und z.B. dem Dokument (Thermische Durchflußmethoden, K. Schäfer, VDI-Fachberichte Nr. 254, 1976) zu entnehmen. Hier ist eine Vorrichtung zur thermischen Messung der Strömungsgeschwindigkeit beschrieben, bei der ein runder Draht mit Durchmesser d senkrecht zum strömenden Medium steht. Hierfür ist die Gleichung angegeben

(H/T) = t. (Jc + 2 . ( ff . k . c_v . f. dV) ^1/2J

wobei H/T der Wärmeverlust pro Längeneinheit des Drahtes gegenüber dem strömenden Medium, t die Temperaturerhöhung des Drahtes gegenüber dem Medium, k die Wärmeleitfähigkeit des Mediums, j» dessen Dichte, c die spezifische Wärme bei konstantem Volumen und V die Geschwindigkeit bedeutet. Je nach der vorliegenden Reynoldszahl sind noch Korrekturen vor allem wegen der Wirbelstrombildung am Hitzdraht zu berücksichtigen. Alle Hitzdrahtanemometer, bei denen sich ein Wärmefühler im Meßstrom befindet, arbeiten nach diesem Verfahren. Der Wärmefühler kann statt einem Widerstandsdraht auch ein Thermoelement, ein Thermistor oder eine dünne Schicht sein. Üblicherweise verwendet man eine Wheatstonesche Brücke zur Erzielung einer relativ guten Temperaturkompensation. Die in den Meßfühler eingespeiste Wärmemenge wird als elektrische Leistung bestimmt.

Aus der obigen Gleichung ergibt sich, daß entweder bei konstanter Temperatur aus der Änderung der Heizleistung oder bei

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konstanter Heizleistung aus der Änderung der Temperatur der Durchfluß bestimmt werden kann.

Bei den bisher bekannten und im praktischen Einsatz befindlichen Zählern zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Verbrauchs eines Fluids, nämlich den Schaufelrad- und Balgenzählern haben Druck und Temperatur Einfluß auf den gemessenen Verbrauch.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß der Verbrauch von Flüssigkeiten und Gasen in Leitungen druck- und temperaturkompensiert meßbar ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist, ausgehend von der obengenannten Vorrichtung ein zweiter Temperaturfühler in der Strömung und außerdem sind Mittel zur Beheizung des ersten Temperaturfühlers mit konstanter Wärmemenge vorgesehen. Mit der beschriebenen Vorrichtung läßt sich der Durchfluß mit hoher Meßgenauigkeit erfassen. Durch gleichmäßige Alterung und Verschmutzung der beiden Temperaturfühler wird Langzeitstabilität erreicht. Weiterhin zeichnet sich die Vorrichtung durch gute Reproduzierbarkeit der Meßwerte und die Tatsache aus, daß die Meßwertaufnahme ohne bewegliche Teile erfolgt. Zur Beheizung ist nur eine geringe Wärmemenge, d.h. eine geringe Heizleistung erforderlich. Durch die beschriebene Vorrichtung bleibt der Querschnitt der Rohrleitung unverändert. Außerdem ermöglicht die Vorrichtung eine druckverlustfreie Messung der Strömungsgeschwindigkeit.

in der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher beschrieben ist.

Es zeigen:

FIG 1 eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids,

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FIG 2 eine Eichkurve mit dem &iacgr;unKtionellen Zusammenhang zwischen einem Massestrom und einer gemessenen Temperaturdifferenz.

Gemäß FIG 1 gehören zur Vorrichtung zwei Temperaturfühler 1, 2, die mindestens teilweise vom strömenden Medium 5 in einer Rohrleitung 4 umgeben sind. Der Temperaturfühler 1 weist außerdem ein Heizelement 3 auf, das mit konstanter elektrischer Leistung betrieben wird. Die beiden Temperaturfühler 1, 2 sind in Tauchhülsen untergebracht und tauchen unter geometrisch gleichen Verhältnissen in das strömende Medium 5 ein.

Als Temperaturfühler können auch Temperatursensoren 1, 2 verwendet werden, die auf einem Meßwertaufnehmer angebracht sind und in eine Schweißmuffe symmetrisch zur Rohrachse eingeschraubt sind.

Der Pfeil 6 in der Zeichnung zeigt die Strömungsrichtung des Fluids an, das hier beispielhaft zunächst zum Temperaturfühler 2 und erst darauf zu dem in Strömungsrichtung dahinterliegenden Temperaturfühler 1 gelangt. Es ist jedoch durchaus auch eine andere Anordnung der Temperaturfühler denkbar.

Die beiden Temperatursensoren 1, 2 sollten möglichst gut thermisch gegen die Wand der Rohrleitung 4 isoliert sein. Sie müssen jedoch nicht notwendigerweise in das strömende Medium 5 eintauchen, sondern können auch in Verlängerung der Wand nur an der Strömung anliegen.

Bei dem beheizbaren Strömungssensor 1 können alle erforderlichen Funktionen auf seinem Folienplättchen vereinigt sein. Er weist z.B. ein elektrisches Heizelement 3 auf, mit darüberliegendem metallischen Warmeabfuhrplattchen und mehrere parallelgeschaltete Thermoelemente zur Messung der Temperatur-

differenz zwischen dem Heizelement 3 und dem strömenden Medium 5.

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Mit der vorliegenden Vorrichtung läßt sich der Massestrom iti aus der Temperaturdifferenz &dgr; &Tgr; der beiden Temperaturfühler 1, 2 berechnen. Der mit konstanter elektrischer Leistung P beheizte Temperaturfühler 1 verändert seine Temperatur abhängig von dem Massestrom iti und der vom zweiten Temperaturfühler 2 gemessenen Temperatur des strömenden Mediums 5. Je größer der Massestrom m ist, desto kleiner ist die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturfühlern 1, 2. Aus der Grundgleichung der Wärmelehre ergibt sich folgender Zusammenhang:

f (M) = D * -^r M=Massestrom/Flächef kg₉"J

f ([Ti) = P4 * -&Iacgr;&Tgr;&Tgr; = E . -J-^₇ m=Massestrom ( h

L.&Agr;&Lgr;&Tgr; &Dgr;&Tgr; ^v -.

T=Temperaturdifferenz [KJ A=Fläche des wärmeabgebenden Sensors [m J C,D,E=Konstanten P=elektrische Leistung £w]] B=Fläche des Rohrquer-Schnitts [m²]

Die Konstante E ist von den Körper- und Fluideigenschaften sowie von der konstanten elektrischen Leitung P abhängig. Der Meßbereich des Gerätes wird über die Höhe der Heizleistung P eingestellt und wird durch maximale und minimale Temperaturdifferenz &dgr; T begrenzt. Die Eichkurve des Zählers hat beispielsweise den in FIG 2 dargestellten Verlauf. Hierin ist Al (max) die maximale Temperaturdifferenz bei in der Rohrleitung 4 ruhendem Medium 5, d.h. dem Massestrom m (0). Bei maximalem Massestrom iti ergibt sich die minimale Temperaturdifferenz &Dgr; &Tgr; (min).

Anhand der folgenden Gleichungen wird deutlich, daß der mit der vorliegenden Vorrichtung gemessene Massenstrom pro Flächeneinheit unabhängig von den jeweiligen Druckverhältnissen in der Rohrleitung 4 erfolgt.

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m_N = itu N = iNorin (1 bar)

B = Betrieb (z.B. 0.2 bar)

_N.V_N.A =^&Bgr;*^&ngr;&Bgr;"&Agr; A = Rohrquerschnittsfläche = konst

V = Geschwindigkeit

M_n = M_B / = Dichte

iti = Massestrom

M = Massestrom pro Fläche

Dicht gepackte Teilchen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit erzeugen an einem geheizten, umströmten Temperatursensor dieselbe Abkühlung wie wenige Teilchen mit hoher Geschwindigkeit. Der Massestrom wird gemessen und ist konstant.

Weiterhin vorteilhaft ist die temperaturkompensierte Auswertung der Temperaturdifferenz &dgr;&Tgr; der beiden von den Temperaturfühlern 1, 2 gemessenen Temperaturen.

&Dgr;&Tgr; = _&tgr;

Bei konstanter Heizleistung P und konstantem Massestrom pro Fläche M ist die Temperaturdifferenz &Dgr; &Tgr; immer konstant. Steigt die Temperatur des strömenden Mediums 5 an und wird der Temperatursensor 1 konstant beheizt, so steigt auch seine Temperatur entsprechend um den Betrag &Dgr; T mit an.

Mit der vorliegenden, einfach aufgebauten Vorrichtung läßt sich druck- und temperaturkompensiert der Verbrauch von Flüssigkeiten und Gasen in Leitungen auf sehr einfache und vorteilhafte Weise ermitteln.

Claims

92 G 3 O 1 6 OE Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Massestrommessung mit einem ersten beheizbaren Temperaturfühler (1), der in ein strömendes Medium eintaucht oder an ihm anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Temperaturfühler (2) in der Strömung liegt und daß Mittel (3) zur Beheizung des ersten Temperaturfühlers (1) mit einer konstanten Wärmemenge vorgesehen sind.
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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als elektrisches Heizelement (3) ausgeführt sind, das mit konstanter elektrischer Leistung betrieben wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperaturfühler (1, 2) in Tauchhülsen unter geometrisch gleichen Verhältnissen in die Strömung eintauchen.

A. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler als Temperatursensoren (1, 2) ausgeführt sind, die auf einem Meßwertaufnehmer angebracht sind und in eine Schweißmuffe weitgehend symmetrisch zur Rohrachse eingeschraubt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Temperaturfühler als Temperatursensoren (1, 2) ausgeführt sind, die thermisch gegen die Wand der Rohrleitung (4), in der sich das strömende Medium (5) befindet, isoliert sind und daß die Temperatursensoren (1, 2) nur an dem strömenden Medium (5) anliegen, d.h. in dieses nicht eintauchen.

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6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der beheizbare Temperaturfühler als Strömungssensor (1) ausgeführt ist mit einem Folienplättchen, mit einem Heizelement mit darüberliegendem metallischen Wärmeabfuhrplättchen und mehreren parallelgeschalteten Thermoelementen zur Messung der Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement (3) und dem strömenden Medium (5).