DE2708564C3 - Thermischer Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf thermische Durchflußmesser zum Messen der Durchflußgeschwindigkeit eines Strömungsmittels durch eine Leitung, die aus einem ersten und einem zweiten Leitungsabschnitt besteht, deren Enden auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, während der zweite Leitungsabschnitt beheizt wird.

Das Beheizen eines Strömungsmittelstromes und das Messen der Temperatur dieses Strömungsmittelstromes zur Erzielung eines Maßes für den Strömungsmitteldurchfluß ist an sich bekannt. Beispielsweise ist Gegenstand der US-PS 9 46 886 eine Einrichtung, bei der eine Heizvorrichtung in einen Strömungsmittelstrom eingesetzt ist und Temperaturmeßvorrichtungen stromauf und stromab in bezug auf die Heizvorrichtung angeordnet sind. Bei einer Betriebsart mißt diese Einrichtung den Heizstrom, der erforderlich ist, um einen konstanten Temperaturunterschied zwischen den beiden Meßvorrichtungen aufrechtzuerhalten. Diese Einrichtung basiert auf der Bewegung dos Strömungs-

mittels zwischen zwei Meßstellen, um die Temperaturdifferenz aufzubauen, und ist nicht anwendbar, wenn der Strömungsmitteldurchfluß den Wert Null annimmt.

Eine wesentliche Verbesserung thermischer Durchflußmesser ist der US-PS 31 81 357 vu entnehmen. Dieser Durchflußmesser besteht aus einer Leitung, durch die das Strömungsmittel fließ i, mit einem ersten und einem zweiten Leitungsabschnitt und einem eine Wärmesenke mit konstanter Temperatur bildenden Bauteil, das am Anfang des ersten Leitungsabschnitts, am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt und am Ende des zweiten Leitungsabschnitts mit der Rohrleitung in Wärmekontakt steht, einer Induktionsheizvorrichtung zum Induzieren eines Heizstromes in einem elektrischen Kreis, der die Rohrleitung mindestens eines zu beheizenden Leitungsabschnitts einschließt, und einer Vorrichtung zum Messen der Differenz zwischen der Temperatur des ersten und des zweiten Leitungsabschnitts. Hierbei dient die eigentliche Durchflußleitung sowohl als Wärmequelle als auch als Teil der Temperaturmeßvorrichtung. Dabei wird eine konstante Energiemenge induktiv in die Leitung gekoppelt und die Leitung als Leiter eines Thermoelementes verwendet, um Änderungen in der Strömungsmitteltemperatur als Wärmeübergang zwischen der beheizten Leitung und dem Strömungsmittelstrom zu messen. Der Durchflußmesser arbeitet nicht linear, weil die gemessene Veränderliche der Temperaturunterschied ist, der umgekehrt proportional dem Durchfluß ist. Dies begrenzt seine praktische Anwendbarkeit und seinen Meßbereich ganz erheblich. Ferner ist bei dieser bekannten Einrichtung eine verhältnismäßig hohe Betriebstemperatur in der Leitung für eine brauchbare Durchflußempfindlichkeit erforderlich (z. B. 213°C über Umgebungstemperatur für ein 1OmVGs Thermoelementsignal), was die Anwendung für einige Flüssigkeiten verhindert, insbesondere für Flüssigkeiten mit Siedepunkten unter 240° C, und Gase, deren physikalische Eigenschaften sich bei erhöhten Temperaturen nachteilig verändern.

Die Doppelwärmesenkenanordnung nach dieser US-PS 31 81 357 ergibt die Möglichkeit, gefährliche Spannungen in der Vorrichtung zu vermeiden. Die Energiequelle ist mit beiden Wärmesenken verbunden, eine dieser Wärmesenken ist mit dem mittleren Teil der beiden Leitungen verbunder, und die andere mit den Endteilen einer jeden Leitung. Hierbei müssen beide Abschnitte der Leitungen in gleicher Weise aufgeheizt werden, da das Meßgerät zwischen zwei Stellen gleichen Potentials eingeschaltet sein muß, wenn die beiden Leitungsabschnitte gespeist werden.

Es sind ferner thermische Einrichtungen bekannt, die allgemein als »Hitzdraht-Anemometer« bezeichnet werden und die so ausgebildet sind, daß sie bei konstanter Temperatur arbeiten und zur Messung des Strömungsmitteldurchflusses durch Einsetzen in eine Leitung verwendet werden. Solche Einrichtungen messen den Kühleffekt eines Strömungsmittels auf einen beheizten Körper (Draht, Thermoelement u. dgl.), der in den Strömungsmittelstrom eingetaucht ist, d. h. die Geschwindigkeit des Strömungsmittels an der Eintauchstelle. Die Eichun^ ■>_■· Einrichtung ist in hohem Maße von der thermischen Stromleitfähigkeit des Strömungsmittels abhängig, und die Beziehung zwischen Energie und Durchfluß ist nichtlinear. Ferner ist diese Art von thermischer Einrichtung einer Beschädigung durch strömende Verunreinigungen in der Leitung ausgesetzt, und wenn das Strömungsmittel brennbar ist, tritt die Gefahr des Entzündens auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen thermischen Durchflußmesser mit beheizter Durchflußleitung zu schaffen, der bei konstanter Temperatur arbeitet, der die vorerwähnten Nachteile bekannter Einrichtungen vermeidet, und der einen eingeprägten linearen Ausgang, einen erhöhten Meßbereich, reduzierte Betriebstemperatur, reduzierten Einfluß der Position auf die Genauigkeit, reduzierten Einfluß der Temperatür auf die Strömungsmittelwärmekapazität und reduziertes Geräusch auf das Ausgangssignal ergibt

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Durchflußmesser der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das die Wärmesenke bildende Bauteil aus einer Grundplatte besteht, an der je eine Endwand am Anfang des ersten und am Ende des zweiten Leitungsabschnittes verbunden ist, und eine dazwischen angeordnete, ebenfalls mit der Grundplatte verbundene Trennwand am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Leitungsabschnitt vorgesehen ist, daß die Induktionsheizvorrichtung nur am zweiten stromabwärtigen Leitungsabschnitt angeordnet ist, und daß eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, um die Heizung so zu regeln, daß eine konstante Temperaturdifferenz zwisehen dem unbeheizten ersten und dem beheizten zweiten Leitungsabschnitt aufrechterhalten wird, so daß die Heizleistung dem Massendurchfluß des durch die Leitung fließenden Strömungsmittels entspricht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind jo Gegenstand der Unteransprüche.

Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird trotz eines verhältnismäßig einfachen Aufbaues des Durchflußmessers eine hohe Empfindlichkeit erreicht, während gleichzeitig die Nachteile, die dem Durchflußmesr > ser nach der US-PS 31 81 357 anhaften, vermieden werden können.

Ehe die einzelnen Ausführungsbeispiele nach vorliegender Erfindung im Detail beschrieben werden, scheint eine kurze Erörterung des Grundprinzips und der grundsätzlichen Überlegungen nach vorliegender Erfindung zweckmäßig.

Die Beziehung, die zwischen einem Strömungsmittelfluß und den verschiedenen Veränderlichen besteht, ist durch die nachstehende Formel gegeben:

' Cp \t

C/TTf'

wobei M die Massendurchflußgeschwindigkeit, H der

■in Wärmeeingang pro Zeiteinheit, Cp die Wärmekapazität des Strömungsmittels bei konstantem Druck, At der Temperaturunterschied zwischen zwei Punkten im Strömungsmittel, die so angeordnet sind, daß sie den Einfluß des Wärmeeinganges des Strömungsmittelstro-

Vi mes reflektieren, und P das elektrische Äquivalent (Leistung) des Wärmeeinganges ist. Diese Formel zeigt, daß dann, wenn Λ t und Cp konstant gehalten werden, M direkt mit f/(oder P) sich ändert, während dann, wenn H und Cp konstant gehalten werden, M sich umgekehrt

μ) mit Δ t verändert.

Vorliegende Erfindung betrifft einen Konstanttemperatur-Durchflußmesser, bei dem At und Cp konstant gehalten werden. F i g. 1 zeigt mit festausgezogener Linie die Linearität der Massendurchflußgeschwindig-' ken, die durch eine solche Anordnung meßbar ist, während zu Vergleichszwecken in gestrichelten Linien die nichtlineare Beziehung dargestellt ist, die bei einem Durchflußmesser konstanter Leistung auftritt, wie er

beispielsweise in US-PS 31 81 357 erläutert ist. Diese graphische Darstellung zeigt die konstante Empfindlichkeit, die mit einem Konstanttemperatur-Durchflußmesser im Vergleich zu der verringerten Empfindlichkeit bei höheren Durch Müssen, die mit einem Durchflußmesser konstanter Leistung auftreten, erzielbar ist. Offensichtlich ist letztere Art von Durchflußmesser in seinem ausnutzbaren Bereich begrenzt.

Der die Wärmekapazität darstellende Ausdruck Cp in obiger Formel kann nicht unterschiedslos als Konstante betrachtet werden, da er sich mit der Zusammensetzung, der Temperatur und dem Druck des Strömungsmittels ändert. Bei den meisten Strömungsmitteln ist die Änderung mit dem Druck, selbst über mehrere Dekaden, klein und vernachlässigbar. Die Änderung mit der Temperatur jedoch kann für manches Strömungsmittel ziemlich groß sein. Beispielsweise ändert sich das Cp für Kohlendioxyd um 19,5% bei einer Änderung von 200⁰C und 200⁰C ist typisch für die Veränderung aufgrund des Durchflusses in der Betriebstemperatur der Leitung bei einigen Durchflußmessern konstanter Leistung. Dadurch, daß der Durchflußmesser im Konstanttemperaturbereich betrieben wird, werden diese Änderungen von Cp aufgrund des Durchflusses eliminiert. Es trifft zu, daß Cp sich noch mit Änderungen der Umgebungstemperatur verändert. Derartige Veränderungen sind jedoch normalerweise recht klein. Alle Strömungsmittel haben ihre eigene charakteristische Wärmekapazität, deren Wert eindeutig belegt ist. Es ergibt sich deshalb, daß dann, wenn der Durchflußmesser im Konstanttemperaturbetrieb betrieben wird, Cp verhältnismäßig konstant für ein gegebenes Strömungsmittel ist, und daß der Ausgang eine Funktion des Massendurchflusses für das jeweilige zu messende Strömungsmittel ist

Wenn ein thermischer Durchflußmesser mit beheizter Leitung in einem Konstantleistungsbetrieb betrieben wird und die Temperaturändemng gemessen wird, ergibt sich, daß die Empfindlichkeit des Signals um so größer wird, je größer die Temperaturänderung ist. Ein typischer Durchflußmesser konstanter Leistung, der Thermoelemente zur Feststellung der Temperatur verwendet, benötigt einen Temperaturunterschied von 213°C bei einem 10-mV-GS-Ausgang. Wird ein thermischer Durchflußmesser mit unbeheizter Leitung in einem Konstanttemperaturbetrieb betrieben und die Änderung in der Leistung gemessen, ist es nur erforderlich, daß der Temperaturunterschied eine ausreichende Größe aufweist damit ein stabiles Fehlersignal erhalten wird, das eine entsprechende Steuerung aufrechterhalten kann. Bei einer typischen Einrichtung ergibt ein Temperaturunterschied von 25° C ein Signal von etwa 1 mV GS, das ausreichend ist, um die Temperatur konstant zu halten, wie nachstehend erläutert wird. Während dies bereits eine Reduzierung von Δ t um eine Größenordnung im Vergleich zu einem Durchflußmesser konstanter Leistung darstellt, sind selbst kleinere Temperaturunterschiede praktisch brauchbar.

Die niedrige Betriebstemperatur des Konstanttemperatur-Durchflußmessers reduziert erheblich die Bewegung der die Außenseite der beheizten Leitung umgebenden Luft, die durch thermisch induzierte Konvektionsströme hervorgerufen wird. Bei dem Durchflußmesser konstanter Leistung mit höherer Leitungstemperatur beeinflußt diese Luftbewegung in zufälliger Weise die Abgabe der Temperaturfühler, wodurch falsche Durchflußanzeigen entstehen, die besonders dann bemerkbar sind, wenn die Position de; Durchflußmessers geändert wird.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mil der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispieler -, erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung, die Massendurchflußgeschwindigkeiten aufzeigt, welche durch Konstanttemperatur- und Konstantleistungseinrichtungen gemessen werden,

ίο Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels, teilweise im Schnitt,

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Temperatur längs der Leitung nach F i g. 2, wobei das in die Leitung eintretende Strömungsmittel eine Temperatur hat, die

ι i gleich der der Wärmesenke ist,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Temperatut längs der Leitung nach F i g. 2, wobei das in die Leitung eintretende Strömungsmittel eine Temperatur über dei der Wärmesenke hat,

F i g. 5 bis 11 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele, teilweise im Schnitt, und

Fig. 12 teilweise im Schnitt eine schematische Darstellung einer abgeänderten Leitung, die bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann.

Fig.2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Leitung 10, durch die ein Strömungsmittel fließt, in zwei Abschnitte 10a und 106 durch eine thermisch massive und elektrisch leitende Wärmesenke 12 unterteilt ist. Energie wird induktiv in den Abschnitt 10ύ der Leitung durch eine einstellbare Speisequelle 14 und ein gewickeltes Toroid 16 gekoppelt, wodurch die Temperatur des Teiles lOb und die eines darin enthaltenen Strömungsmittels über Umgebungstemperatur ansteigt. Das Strömungsmittel in der Leitung 10 steht über die gesamte Länge in thermischem Gleichgewicht mit der Leitung. Ein Thermoelement-Temperaturfühler TC-i ist an der Verbindungsstelle des beheizten Teiles 10a der Leitung und eines zugeordne-

4(i ten Leiters aus unterschiedlichem Material vorgesehen und ein zweiter Thermoelement-Temperaturfühler TC-2 ist an der Verbindungsstelle des beheizten Teiles \0b der Leitung und eines zugeordneten Leiters aus unterschiedlichem Material angeordnet.

5 In einem vereinfachten Fall sind die Temperatur der Wärmesenke 12, der unbeheizte Teil 10a der Leitung der Temperaturfühler TC-I und das einströmende Strömungsmittel in Gleichgewicht Die Wirkung der induktiv gekoppelten Energie auf einen Teil 106 der Leitung, deren Enden auf einer festen Temperatur durch die Wärmesenke gehauen werden, besteht dann, daß Temperaturänderungen längs der Leitung erzeugl werden, wie in F i g. 3 gezeigt, so daß eine Temperaturdifferenz, selbst bei einem Nulldurchfluß zwischen dem eintretenden Strömungsmittel, das durch TC-i abgefühlt wird, und dem beheizten Strömungsmittel, das durch TC-2 abgefühlt wird, aufgebaut wird. Diese Differenz ist in F i g. 3 mit Δ Ia bezeichnet
Wenn die Temperatur des eintretenden Strömungsmittels zu Beginn verschieden von der der Wärmesenke 12 ist stellt sich im Laufe der Zeit eine das Gleichgewicht herstellende Zwischentemperatur ein Kurzfristig erfährt der unbeheizte Teil 10a der Leitung wegen seiner wesentlich geringeren thermischen Masse eine Temperaturänderung, die in F i g. 4 gezeigt ist, bis das Strömungsmittel und die Wärmesenke ihre neue Gleichgewichtstemperatur erreichea In ähnlicher Weise folgt der beheizte Teil iOb der Leitung Änderungen ir

der Strömungsmitteltemperatur; solche Änderungen treten zusätzlich zu der Temperaturänderung auf, die durch die induktive Aufheizung hervorgerufen wird. Das Resultat ist, daß eine Temperaturdifferenz Ate aufrechterhalten wird. Diese Differenz ist gleich Ata, so s daß sich ergibt, daß mit vorliegender Erfindung Temperaturänderungen des eintretenden Strömungsmittels kompensiert werden.

Wie sich am besten aus Fig.2 ergibt, ist der Temperaturfühler TC-2 vorzugsweise mit dem Mittelpunkt der beheizten Leitung 10b verbunden, da dies angenähert der Punkt maximaler Temperatur auf der Leitung für eine bestimmte Leistungseingabe ist. Die Fühler TC-I und TC-2 sind in einer Differentialanordnung beispielsweise ais Eingänge in den Differentiaiverstärker 18 geschaltet, um At zu messen, das zu Beginn auf einen gewünschten Wert gesetzt wird, indem die Wärmeeingabe auf einen Nullfluß eingestellt wird. Die für eine solche anfängliche Einstellung erforderliche Leistung wird als die »Blindleistung« bezeichnet und kann aus dem Ausgangssignal durch herkömmliche Mittel ausgeglichen werden. Wenn das Strömungsmittel sich durch die Leitung zu bewegen beginnt, bleibt die Temperatur bei TC-I unverändert. Die Temperatur bei TC-2 wird jedoch reduziert, wenn das Strömungsmittel Wärme aus der Leitung abführt. Damit wird auch At reduziert und dieser Unterschied in At wird durch den Verstärker 18 in ein Fehlersignal umgewandelt, das zusätzliche Wärme anfordert, um die Temperaturgradienten der beheizten Leitung, damit At auf den früheren Wert zurückzuführen. Die zusätzliche erforderliche Leistung ist deshalb ein Maß für die Massendurchflußgeschwindigkeit des Strömungsmittels.

Um eine exakte Bestimmung der Massendurchflußgeschwindigkeit zu erzielen, ist es erforderlich, die Energie zu bestimmen, die in das Strömungsmittel eingeführt wird, und zwar unabhängig von den elektrischen Verlusten, die der Leistungszufuhr und der induktiven Kopplung zugeordnet sind, und auch unabhängig von den Verlusten aus thermischer Konduktion, Konvektion und Strahlung, die der Leitung und der Wärmesenke zugeordnet sind. Die Energie, die in die beheizte Leitung 10b abgegeben wird, ist eine Funktion des Widerstandes und der Spannung an der Leitung, nämlich P= E²ZR.

Wenn die Leitung aus einem Material mit einem sehr kleinen Temperaturkoeffizienten besteht, und wenn sie auf einem konstanten Temperaturunterschied gehalten wird, ist ihr Widerstand praktisch konstant und P wird proportional E². Mit Hilfe der Stromleiter 20 und 22 wird die Spannung am Leitungsteil iOb einer herkömmlichen Quadrierschaltung 24 zugeführt, damit ein Ausgang bei 26 erzeugt wird, der der Leistung entspricht, die in das Strömungsmittel über den Teil 106 abgegeben wird, wobei der Ausgang unabhängig von Verlusten ist, die in der Energiespeiseschaltung und aus der induktiven Kopplung auftreten. Es wird jedoch nicht die gesamte, in die Leitung eingeführte Energie auf das Strömungsmittel übertragen. Es treten nämlich unvermeidliche Verluste aufgrund der thermischen Strahlung, Konvektion und Konduktion auf. Üblicherweise liegt die Leitungsbetriebstemperatur nur etwa 25° C über der Umgebungstemperatur. Dann sind Strahlungsverluste vernachlässigbar. In ähnlicher Weise sind Konvektionsverluste recht klein und ziemlich konstant Die Konduktion vom Leitungsteil 10Z> zur Wärmesenke 12 trägt zu den hauptsächlichen Verlusten bei. Wenn die Leitung jedoch auf einem konstanten Temperaturunterschied über der Wärmesenke gehalten wird, und wenn die Wärmesenke eine ausreichend große thermische Masse aufweist, daß ihre Temperatur entweder durch den Wärmefluß aus der Leitung oder den induzierten Heizstrom unbeeinflußt ist, ist der Wärmeverlust durch Stromleitung konstant und wird durch die Menge an in die Leitung eingespeister Energie nicht beeinflußt. Infolgedessen ist die Gesamtmenge an Wärme-(Leistungs-)Verlust durch Strahlung, Konvektion und Konduktion konstant und unabhängig von der der Leitung zugeführten Leistung. Sie kann somit in gleicher Weise behandelt werden wie die »Blindleistung« und aus dem Spannungsausgangssignal durch herkömmliche Mittel abgeglichen werden.

F i g. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiei mit der zugeordneten elektrischen Schaltung. Eine thermisch und elektrisch stromleitende Leitung 10 ist mit einer elektrisch leitenden und thermisch massiven Wärmesenke 12 bei 28, 30 und 32 verbunden. Die Unterteilung bzw. Trennwand 34, die Teil der Wärmesenke 12 ist, unterteilt die Leitung wirkungsmäßig in zwei nicht notwendigerweise gleich große Abschnitte 10a und 10£> und trennt die Wärmesenke in Teile 12a und 12b. Ein toroidförmiger Transformator koppelt Energie induktiv in eine sekundäre Schleife, die aus dem Leitungsabschnitt iOb, der Endwand 36 der Wärmesenke, dem Teil 12b der Wärmesenke und der Trennwand 34 der Wärmesenke besteht. Mit dem Leitungsabschnitt 10a wird keine Energie gekoppelt. Die metallischen Stromleiter 38 und 40, die aus einem Material bestehen, das verschieden von dem der Leitung ist, sind mit der Leitung 10 an Stellen befestigt (z. B. verschweißt), die zweckmäßigerweise, jedoch nicht notwendigerweise, in der Mitte der Leitungsabschnitte 10a und 10b vorgesehen sind, so daß Thermoelement-Anschlußstellen TC-I und TC-2 mit der Leitung gebildet werden. Stromleiter 42 und 44 sind symmetrisch mit dem Leitungsabschnitt 10b befestigt, vorzugsweise möglichst nahe den Enden des Leitungsabschnittes 10b, damit das daraus erhaltene Spannungssignal ein Maximum wird. Es ist erwünscht, daß diese Stromleiter 42 und 44 aus dem gleichen Material wie die Leitung bestehen, so daß sie kein Thermoelement mit der Leitung bilden. Wenn die Stromleiter jedoch aus einem anderen Material als die Leitung bestehen, sind die resultierenden Thermoelement-Spannungen klein und heben sich selbst auf, wenn die Stromleiter symmetrisch in der Nähe des Leitungsabschnittes 10b angeordnet werden. Strömungsmittel gelangt ungehindert durch die Leitung 10 in der durch Pfeil angedeuteten Richtung und steht in thermischem Kontakt mit der Leitung über deren gesamte Länge. Die Schaltanordnung, die dem Durchflußmesser zugeordnet ist, besteht aus zwei Teilen, der Konstanttemperatur-Servoschleife, die im Block 46 untergebracht ist, und die Leistungsmeßschaltung, die im Block 48 enthalten ist Die Unterschiede in den elektrischen Ausgängen aus den Thermoelementen TC-I und TC-2, die durch die Leitung 10 und die Stromleiter 38 und 40 gebildet werden, ergeben A fund werden im Verstärker 18 verstärkt Der Ausgang des Verstärkers 18 wird durch die Vergleichsschaltung 50 mit einer Festwertspannung 52 verglichen, die gleich dem verstärkten Ausgang der Thermoelemente bei dem Wert ist, bei dem At konstant gehalten werden solL Jedes Fehlersignal, das durch die Vergleichsschaltung 50 erzeugt wird, wird einem spannungsgesteuerten Leistungsoszillator 54 aufgegeben, damit die Wechselstromenergie geändert wird, die mit Hilfe von

Stromleitern 56 und 58 in den toroidförmigen Transformator 16 eingespeist wird, der den Leitungsabschnitt iOb aufheizt. Die Wechselstromenergie besitzt eine entsprechende Größe, damit Δ t auf den gewünschten Konstantwert bei einer beliebigen Durchflußgeschwindigkeit innerhalb des Auslegungsbereiches des Durchflußmessers zurückgeführt wird. Der Spannungsunterschied zwischen den Enden des Leitungsabschnittes 106 wird durch die Stromleiter 42 und 44 mit dem Verstärker 60 und dann mit einem Effektivwertkonverter 62 gekoppelt, so daß das Gleichstrom-Äquivalent des Wechselspannungsausganges aus dem Verstärker 60 erzeugt wird. Eine feste Gleichspannung aus der Quelle 64, die der Blindleistung plus festen Verlusten entspricht, dient als Vorspannung, die zusammen mit dem Ausgang des Konverters 62 als Eingänge in eine konventionelle Quadrierschaltung 66 aufgegeben werden, in der die Differenz zwischen den Eingängen quadriert und maßstäblich geändert wird. Der Ausgang der Schaltung 66 ist proportional dem Massendurchfluß des Strömungsmittels und wird auf einer entsprechenden Ablesevorrichtung 68 sichtbar gemacht.

Fig.6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das unerwünschte Wechselstromsignal, das von dem Thermoelement TC-2 aufgenommen wird, durch die Brückenschaltung auf Null gebracht wird, die aus dem Leitungsabschnitt 1OZ?, dem Thermoelement TC-2 und einem Potentiometer 70 besteht, dessen Widerstand wesentlich größer ist als der des Leitungsabschnittes 10Z) (so daß er vernachlässigbar wenig Energie aufnimmt); das Potentiometer weist die Stromleiter 72 und 74 auf, die symmetrisch mit den äußersten Enden des Abschnittes 106 verbunden sind. Ein Differentialverstärker 76 mit hoher Gleichtakt-Unterdrückung nimmt Eingänge aus dem Thermoelement TC-2 und dem Potentiometer 70 auf. Der Verstärker unterdrückt das Wechselstromsignal, das beiden Eingängen gemeinsam ist, und läßt nur das Gleichstromsignal aus dem Thermoelement TC-2 durch. Dadurch, daß das Potentiometer symmetrisch an die Enden der Leitung angeschlossen wird, ist kein Gleichstromsignal an der Potentiometeranzapfung vorhanden, die die Temperaturmessung des Thermoelementes stören würde. Das reine Gleichstromsignal aus dem Differentialverstärker 76 wird von dem reinen Gleichstromsignal aus dem Bezugs-Thermoelement TC-i durch den Differentialverstärker 18 subtrahiert, dessen Ausgang die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermoelementen darstellt. Die Verstärker 18 und 76 können ein einziger Verstärker sein, und die Stromleiter 72 und 74 können die Spannungsmeßstromleiter 20 und 22 aus F i g. 2 sein. Die Bauteile zur Steuerung der Energie in den Leitungsabschniit 106 und zum Quadrieren des Spannungsunterschiedes zwischen den Enden des ■Abschnittes 106 sind der übersichtlicheren Darstellung wegen weggelassen worden.

Fig.7 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Thermoelement TC-2 kein unerwünschtes Wechselstromheizsignal aufnimmt Die Leitung 106 ist in Form einer Schleife 121 gebogen. Die Schleife ist elektrisch dadurch geschlossen, daß die äußeren Wandungen der Leitung miteinander bei 122 verbunden (z. B. verschweißt) sind, wobei aber trotzdem der Fluß durch die Leitung vom Einlaß zum Auslaß besteht Das Thermoelement TC-2 ist an der Verbindungsstelle 122 der Schleife angeschlossen. Es herrscht nun kein Wechselpotential zwischen den Thermoelementen TC-I und TC-2. Die Schleife verbessert ferner die Leistung des

Durchflußmessers dadurch, daß das Mischen des Strömungsmittels verbessert wird, so daß das thermische Gleichgewicht zwischen dem Strömungsmittel und der Leitung beschleunigt wird. Eine zusätzliche Wicklung 123 auf der toroidförmigen Spule 16 ergibt eine Spannung proportional der Heizenergie, die in die Leitung eingespeist wird, die in ein Ausgangssignal proportional dem Massendurchfluß durch die Schaltung 48, die weiter oben in Verbindung mit F i g. 5 beschrieben wurde, transformiert wird.

Der Arbeitsbereich des Konstanttemperatur-Durchflußmessers dieser Art kann, wie in Fig.8 gezeigt, dadurch erhöht werden, daß zusätzliche Leitungen 77 ähnliche Dimensionen parallel um die aktive Meßleitung 10 herum angeordnet werden; diese zusätzlichen Leitungen, die nicht aufgeheizt sein brauchen, bilden einen stabilen und linearen Durchflußunterteiler. Alle Leitungen werden in einem größeren rohrförmigen Gehäuse 78 untergebracht. Da die Strömungsmittelbedingungen (mit Ausnahme für den kleinen Temperaturunterschied der aktiven Leitung 10, der normalerweise vernachlässigt werden kann) die gleichen sind, ist der Massendurchfluß durch jede der Leitungen der gleiche, und der Gesamtdurchfluß ist der gemessene Durchfluß durch die aktive Leitung multipliziert mit der gesamten Anzahl von Leitungen.

Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung des Durchflußbereiches des Konstanttemperatur-Durchflußmessers ist in F i g. 9 dargestellt und besteht darin, daß ein erstes begrenzendes Element 80 in Reihe mit der aktiven Meßleitung 10 des Durchflußmessers angeordnet ist; dieses begrenzende Element hat eine Form, bei der der Druckabfall am Element sich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit durch das Element ändert, wie dies bei einem Staurand, einem Venturirohr oder dergleichen der Fall ist. Der Druckabfall an der Leitung 10 muß viel kleiner sein als am ersten begrenzenden Element. Ein zweites begrenzendes Element 82 mit einem Druckabfall, der sich ebenfalls mit dem Quadrat der Geschwindigkeit ändert, jedoch nicht notwendigerweise die gleiche Form wie das erste begrenzende Element aufweist, ist im Nebenschluß zu dem ersten begrenzenden Element 80 und der Leitung 10 angeordnet, so daß ein stabiler und linearer Durchflußunterteiler erhalten wird. Da die Strömungsmittelbedingungen für jedes begrenzende Element die gleichen sind, sprechen die Elemente ähnlich an, und da die Leitung selbst einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Durchfluß ausübt, und ferner die Geschwindigkeit von Annäherungsfaktoren gleichgemacht werden kann, ist der Gesamtdurchfluß der, der durch den Fluß durch die Leitung multipliziert mit einem festen Verhältnis, das von der Verengungsfläche der ersten und zweiten begrenzenden Elemente abhängt, gemessen wird.

Bei den verschiedenen, vorstehend erläuterten Ausführungsformen wird eine Anzeige des Leistungsbedarfes durch Quadrieren der Spannungen an dem Leitungsabschnitt 106 erhalten. Dies kann auch dadurch erzielt werden, daß der Spannungsunterschied zwischen den Enden des Leitungsabschnittes 106 mit dem Strom im Leitungsabschnitt multipliziert wird (P=EI). Eine weitere Methode ist in Fig. 10 dargestellt, bei der ein zusätzlicher Leitungsabschnitt 84 parallel zu dem beheizten Abschnitt 106 der ursprünglichen Leitung 10 zwischen der Endwandung 36 und der Trennwand 34 der Wärmesenke 12 angeordnet ist Der Abschnitt 84 ist in den induktiven Stromkreis eingeschaltet und wird somit aufgeheizt, die Enden des Abschnittes 84 sind

jedoch abgedichtet, so daß kein Strömungsmittel hindurchströmen kann. Der Temperaturfühler TC-3 ist mit dem Leitungsabschnitt 84 befestigt, und ein weiterer Fühler TC-2 ist mit dem Leitungsabschnitt 10i> verbunden. Die beiden Temperaturfühler sind mit einem Differentialverstärker 86 verbunden, dessen Ausgang den Unterschied in der Temperatur zwischen den beiden Leitungsabschnitten darstellt. Bei Nulldurchfluß sind die Temperaturen beider Abschnitte die gleichen, und der Ausgang des Differentialverstärkers 86 ist Null. Wenn Strömungsmittel sich durch die Leitung 10 bewegt, steuert die Konstanttemperatur-Servoschaltung 46, die weiter oben in Verbindung mit F i g. 5 beschrieben worden ist, die Leistung, die in den Leitungsabschnitt 10Z> und 84 abgegeben wird, bis der /-vuSCunitt ivb wicuer sui uic gcWünsciitc Temperatur zurückgeführt ist. Da die Leitungsabschnitte 10i und 84 identisch ausgebildet und parallel geschaltet sind, wird die Leistung gleichmäßig zwischen ihnen aufgeteilt. Infolgedessen besteht ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Leitungsabschnitten \0b und 84, der proportional der Leistung ist, die erforderlich ist, um ein konstantes At zwischen den beheizten und unbeheizten Abschnitten 106 und 10a der Leitung 10 aufrechtzuerhalten. Der Ausgang des Verstärkers 86 ist somit proportional dem Massendurchfluß des Strömungsmittels in der Leitung 10.

Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine Mehrfachanordnung von Leitungen und Thermoelementen ein entsprechendes elektrisches Signal proportional der Temperaturdifferenz im Strömungsmittel bei wesentlich niedrigeren Leitungstemperaturen ergibt. Mehrfachleitungen 88, 90, 92, 94 sind mit einer thermisch leitenden, elektrisch jedoch nichtleitenden Wärmesenke 96 verbunden. Andererseits kann die Wärmesenke 96 elektrisch leitend sein, wenn die Leitungen von der Wärmesenke durch ein thermisch leitendes, jedoch elektrisch isolierendes Material getrennt sind. Die Wärmesenke unterteilt ferner jede Leitung in zwei Abschnitte 884 und 88ß, 90Λ und 90S usw., deren zweite Gruppe (identifiziert durch die Zusätze »B«) induktiv dadurch beheizt wird, daß Stromleiter 98,100,102 und 104 mit den äußeren Enden der Stromleiter durch eine induktive Spule 106 verbunden sind. Die Stromleiter 108, 110, 112, 114 und 116, die aus einem Material bestehen, das unterschiedlich von dem der Leitungen ist, bilden Thermoelement-Anschlußstellen (TCiA bis TC-XD und TC-2A bis TC-2D) mit den Leitungen 88, 90, 92 und 94, und die Thermoelement-Anschlußstellen sind dabei elektrisch in Reihe geschaltet. Die Stromleiter sind so angeordnet, daß der Stromleiter 110 mit dem unbeheizten Leitungsabschnitt 88.4 und dem beheizten Leitungsabschnitt 905 verbunden ist, der Stromleiter 112 ist mit dem unbeheizten Leitungsabschnitt 90Λ und mit dem

■-, beheizten Leitungsabschnitt 92B verbunden usw. Ein Ende eines jeden Stromleiters 108 und 116 ist mit einem Differentialverstärker verbunden, wie er beispielsweise in der Ausführungsform nach F i g. 5 in der Schaltung 46 verwendet wird; der Ausgang des Verstärkers ist dabei

ίο proportional der Summe der Ausgänge eines jeden einzelnen Thermoelementes. Gleicher Gesamtdurchfluß erfordert die gleiche Gesamtenergie. Sowohl Durchfluß als auch Leistung sind jedoch etwa gleichmäßig auf die Leitungen verteilt. Die Energie kann so gemessen

i) werden, wie in Verbindung mit den Ausführungsformen nach den F i g. 2 und 5 beschrieben, oder aber durch Aufbringen einer zusätzlichen Sekundärwicklung 120 auf der induktiven Spule 106, um eine Spannung zu erhalten, die proportional der an den Leitungen

jo induzierten ist. Eine derartige Spannung hängt von irgendwelchen Verlusten ab, die der Energiespeisequelle oder der Spule zugeordnet sind, und jeder Fehler, der durch die Differenz in der Kopplung eingeführt wird, ist klein und proportional. Durch Quadrieren der Span-

r, nung, z. B. mit Hilfe der Schaltung 48 nach F i g. 5, wird ein Ausgang erzeugt, der der Energie entspricht, die in das Strömungsmittel abgegeben worden ist, und ist somit repräsentativ für die Massendurchflußgeschwindigkeit.

»ι Zusätzlich zu dem Vorteil eines geringeren Temperaturunterschiedes hat die soeben beschriebene Anordnung auch den Vorteil eines vergrößerten Arbeitsbereiches. Der maximale Bereich eines Durchflußmessers mit einer einzigen Leitung ist auf Durchflußgeschwindigkei-

Ji ten begrenzt, in welchen die Leitung und der Strömungsmitteldurchsatz weitgehend in thermischem Gleichgewicht sind. Der maximale Bereich eines Durchflußmessers mit Vielfachleitungen wird direkt proportional mit der Anzahl von Leitungen erhöht. Diese Ausführungsform kann Schleifen in den beheizten Leitungsabschnitten enthalten, wie in Verbindung mit F i g. 7 beschrieben.

F i g. 12 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, die bei den verschiedenen, bisher beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann. Insbesondere können die Wandungen der Leitung 10 mit Vertiefungen versehen sein oder in sonstiger Weise aufgerauht sein, um die Turbulenz bzw. das Mischen im Strömungsmittel zu verstärken, so daß das thermische Gleichgewicht zwischen dem Strömungsmittel und der Leitung beschleunigt wird.

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. Durchflußmesser mit einer strömungsmitteldurchflossenen Leitung, mit einem ersten und einem zweiten Leitungsabschnitt und einem eine Wärmesenke mit konstanter Temperatur bildenden Bauteil, das am Anfang des ersten Leitungsabschnittes, am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt und am Ende des zweiten Leitungsabschnittes mit der Rohrleitung in Wärmekontakt steht, einer Induktionsheizvorrichtung zum Induzieren eines Heizstromes in einem elektrischen Kreis, der die Rohrleitung mindestens eines zu beheizenden Leitungsabschnittes einschließt, und einer Vorrichtung zum Messen der Differenz zwischen der Temperatur des ersten und des zweiten Leitnngsabschnittes, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wärmesenke (12) bildende Bauteil aus einer Grundplatte (12a, X2b) besteht, an der je eine Endwand am (33,36) Anfang des ersten und am Ende des zweiten Leitungsabschnittes (10a, XOb) verbunden ist, und eine dazwischen angeordnete, ebenfalls mit der Grundplatte verbundene Trennwand (34) am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Leitungsabschnitt (10a, iOb) vorgese- 2s hen ist, daß die Induktionsheizvorrichtung (16) nur am zweiten stromabwärtigen Leitungsabschnitt (XOb) angeordnet ist und daß eine Regelvorrichtung (46,48) vorgesehen ist, um die Heizung so zu regeln, daß eine konstante Temperaturdifferenz zwischen w dem unbeheizten ersten und dem beheizten zweiten Leitungsabschnitt (10a, tOb) aufrechterhalten wird, so daß die Heizleistung dem Massendurchfluß des durch die Leitung (10) fließenden Strömungsmittels entspricht. r>

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche, an ihren Enden geschlossene Leitung (84) zwischen der Endwand (36) und der Trennwand (34) der Wärmesenke (12) vorgesehen ist, daß eine Meßvorrichtung (TC-3) auf der Außenseite der zusätzlichen Leitung (84) vorgesehen ist, die die Temperatur der Leitung (84) feststellt, daß die Heizvorrichtung (16) so ausgelegt ist, daß sie auch die zusätzliche Leitung (84) aufheizt, und daß eine Vorrichtung (86) zur 4-. Erzeugung eines zusätzlichen Ausgangssignals, das ein Maß für die Massendurchflußgeschwindigkeit durch die Leitung (10) ist, auf die Ausgangssignale anspricht, die von der innerhalb des zweiten Leitungsabschnittes (XOb) angeordneten Tempera- ,u turmeßvorrichtung (7C-2) und der auf der Außenseite der zusätzlichen Leitung (84) angeordneten Temperaturmeßvorrichtung (rC-3) erzeugt werden.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von parallelgeschalte- ■-,-, ten strömungsmitteldurchflossenen Leitungen (88, 90, 92, 94), Temperaturmeßvorrichtungen (TC-XA, TC-XB₁ TC-XC, TC-XD; TC-2A, TC-IB, TC-2C, TC-2D) an im Abstand versetzten Stellen längs der Außenseite einer jeden Leitung zur Erzeugung von no Ausgangssignalen, die den festgestellten Temperaturen entsprechen, eine Heizvorrichtung (106) zum Beheizen des zweiten Leiuingsabschnittes (88B, 90S, 92ß, 94B) einer jeden Leitung, wobei jeder der zweiten Leitungsabschnitte eine der Temperatur- · , meßvorrichtungen enthält, eine Wärmesenke (96), die verhindert, daß der erste Leitungsabschnitt (88A 9OA, 92A 94/ψ einer jeden Leitung (88, 90, 92, 94) aufgeheizt wird, wenn die zweiten Leitungsabschnitte (88ß, 9QB, 92B, 94B) aufgeheizt werden, wobei jeder der ersten Leitungsabschnitte eine andere Temperaturmeßvorrichtung enthält, und wobei die Temperaturmeßvorrichtungen in Reihe geschaltet sind, und eine Vorrichtung (46, 48), die auf die Ausgangssignale anspricht, welche durch in Reihe geschalteten Temperaturmeßvorrichtungen innerhalb der zweiten und ersten Leitungsabschnitte erzeugt werden, um die der Heizvorrichtung zugeführte Energie zu variieren und damit die von der ersten und der letzten der in Reihe geschalteten Meßvorrichtungen angezeigte Temperaturdifferenz konstant zu halten.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (10) mit einer Innenwand versehen ist, die eine aufgerauhte Oberfläche zur Erhöhung der Turbulenz des hindurchfließenden Strömungsmittels besitzt.

5. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leitungsabschnitt (XOb) so ausgebildet ist, daß er eine elektrisch geschlossene Schleife (121) bildet, durch die das Strömungsmittel fließt

6. Durchflußmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine zusätzliche strömungsmitteldurchflossene Leitung (77), die parallel zur Leitung (10) angeordnet ist, wobei das erzeugte Ausgangssignal proportional der Massendurchflußgeschwindigkeit des durch alle Leitungen (77) fließenden Strömungsmittels ist.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Begrenzungselement (80) in Reihe mit der Leitung (10) geschaltet ist und daß ein zweites Begrenzungselement (82) parallel zum ersten Begrenzungselement (80) und zur Leitung (10) geschaltet ist, wobei jedes der Begrenzungselemente (80, 82) einen Druckabfall proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit des durch das Element fließenden Strömungsmittels erzeugt.

8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis /, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schleife der Induktionsheizung (16) aus dem zweiten Leitungsabschnitt (XQb), der Trennwand (34), der Grundplatte (X2b)und der Endwand (36) besteht.