DE3213902A1 - Messfuehler - Google Patents

Description

• Meßfühler
• Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler zur elektrischen Erfassung von Wärmeverlusten in einem strömenden Medium, gefertigt aus einem metallischen, in eine Wandung einschraubbaren Meßgehäuse, welches stirnseitig in die Strömung hineinragende Meßstifte aufweist, dessen Funktion auf einer Differenztemperaturmessung beruht, wobei ein Temperaturmeßelement die Mediumstemperatur , das andere Element die Temperatur des durch eine Wärmequelle aufgeheizten Mediums mißt und bei welchem die Meßelemente mit Wärmequelle innerhalb der Meßstifte angeordnet sind.
• Die Eingangs beschriebenen Meßfühler werden u.A. auch in sogenannten kalorimetrischen Strömungswächtern an -gewendet, wie sie z.B. in der Patentschrift P2462911.6 oder in der Anmeldung P2629051.7-52 aufgezeigt sind.
• Alle solche bekannten Lösungen der Wärmetransportmessung gehen davon aus, daß die für dieses Meßprinzip erforderliche Differenztemperaturmessung auch die Anwendung von zwei einzelnen Meßstiften, zumindest aber eine thermische Trennung der beiden Meßsysteme durch eine Zwischenwand mit großem Wärmewiderstand notwendig sei. Durch diese Systemtrennung soll verhindert werden, und dies ist sehr einleuchtend, daß eine Verfälschung der Vergleichstemperatur durch Wärmeübertritt aus dem beheizten System auftritt. Diese Auffassung führt konsequent dazu, daß zwei Meßstifte gleicher Wärmekapazität in das Strömende Medium eingebracht werden. Ein Stift wird zusätzlich beheizt. Um nun einen Wärmeübergang am Ort der Stiftbefestigung am Meßgehäuse zu unterbinden, werden die Stifte in einem Kunststoffteil geringer Wärmeleitfähigkeit befestigt. Dieser Kunststoffteil ist seinerseits mit dem Meßgehäuse fest verbunden.
• Herstellungstechnisch ist dieses Vorgehen sehr aufwendig.
• Insbesondere die Bohrung von zwei stirnseitigen Löchern in dem Kunststoffteil des Meßgehäuses verbietet eine einfache Automatenfertigung. Durch die Anwendung von Kunststoff zur Systemtrennung ergeben sich zusätzlich thermische und mechanische Stabilitätsprobleme.
• Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Lösung des aufgezeigten Problems anzugeben, die eine einfache mechanische Fertigung zuläßt, es erlaubt, sehr kleine Meßfühler zu bauen und die thermische und mechanische Stabilität gewährleistet.
• Die Lösung dieses Problems setzt die Überwindung eines Vorurteils voraus. Die Doppelstifttechnik geht still -schweigend davon aus, daß das Meßsystem, bestehend aus zwei Temperaturfühlern und einem Heizelement, statisch arbeitet. Sie vernachlässigt daher die Ausbildung eines Temperaturgradienden im Strömungsfeld. Aus dieser Fehleinschätzung heraus werden auch großflächige Heizquellen, die weitgehend einen ganzen Meßstift von innen her ausfüllen, oder ganz aufheizen, angewendet. Die Lehre dieser Erfindung berücksichtigt jedoch den dynamischen Temperaturfluß. An dem stirnseitigen Ende des Meßstiftes wird ein eng begrenzter Raum aufgeheizt. Die sich in der Strömung ergebende Temperatur wird dicht an der Innen -wandung im Heizbereich gemessen. Durch das in den Meßstift eingebrachte Gießharz kann natürlich eine Wärme -leitung im Inneren des Meßstiftes bis zu seinem offenen Ende hin erfolgen. Der dynamische Strömungsprozeß bedingt jedoch auch hier die Ausbildung eines Temperaturgradienden. Zweifellos würde diese Temperaturänderung auch auf das in diesem Bereich an der Innenwandung an geordneten Temperaturmeßelement für die Mediumstem -peratur durchgreifen. Nach der Lehre dieser Erfindung wird daher zwischen den beiden Meßelementen ein her mischer Kurzschluß durch zwischenfügen einer gut wärmeleitenden Metallscheibe eingefügt. Diese Metallscheibe ist so ausgebildet, daß sie einen guten Wärmekontakt zur Stiftwandung aufweist. Durch Wahl der Scheibendicke ( ca. 2mm ) kann der störende Temperatureinfluß von der Stiftspitze her auf einen vernachlässigbar kleinen Betrag herabgesetzt werden. Es ist daher auch in einem einteiligen Stift eine exakte Messung der Differenztemperatur möglich. Eine gleichmäßige Reaktion des Systems wird dadurch erreicht, daß die Wärmekapazitäten der Heizseite und der Mediumstemperatur-Meßseite einander angenähert werden. Nach der Lehre dieser Erfindung kann dies dadurch erreicht werden, daß entweder der stirnseitige Temperaturfühler innerhalb des Meßstiftes zwischen Stiftwandung und Heizelement, z.B. innerhalb eines Metallplättchens verschoben wird, oder daß der Mediums -Temperaturfühler von der Stiftwandung etwas abgerückt und ggf. in einen Metallzylinder gesetzt wird. Die exakten Dimensionierungen für diese Positionen hängen von den Abmessungen des Meßfühlers und insbesondere des Meßstiftes ab. Aufgrund dieser technischen Lehre ist es problemlos möglich, auch den Meßstift und das Meßgehäuse aus einem Teil zu fertigen. Wegen der rotationssymmetrischen Form ist eine einfache Automatenfertigung möglich. Durch den Wegfall von Kunststoffteilen wird die angestrebte thermische und mechanische Stabilität erreicht.
• Der thermische Kurzschluß dieser Meßanordnung kann auch dadurch erreicht werden, daß ein gut wärmeleitendes , in der Regel gefülltes Harz, in den Meßstift gegeben wird.
• Der innere Gradiendenverlauf ist dann nur von der Entfernung der beiden Temperaturmeßorte abhängig.
• Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
• In den Meßstift (1) ist stirnseitig eine Aluminiumscheibe (2), die einen Temperaturfühler (3) enthält, eingepreßt.
• Die Aluminiumscheibe wird durch ein Heizelement (4) auf geheizt. Der freie Raum innerhalb des Meßstiftes (5) ist mit Gießharz aufgefüllt. In der Mitte des Stiftes ist eine weitere Aluminiumscheibe (6) eingepreßt. Sie weist einen Temperaturfühler (7) auf und besitzt eine Durch -führung (8) für die Versorgungsleitungen. Der Stift ist mit einem Außenzewinde (9) versehen.
• Eine andere Ausführung zeigt Bild 2 Der Stift (1) ist fest mit dem Meßgehäuse (11) welches ein Außengewinde (12) aufweist, verbunden.Die Ausbildung des Meßsystems kann wie in Bild 1 durchgeführt werden oder auch so, daß der Vergleichsfühler für die Mediumstemperatur (7) in einen Teil des Meßgehäuses (13) an einer Stelle an -gebracht ist, die noch Berührung mit dem Meßmedium hat (14). Um die Bedingungen für die Gleichheit der Wärme -kapazitäten des geheizten und ungeheizten Meßfühlers einzuhalten, ist an dem Meßort im Meßgehäuse (13) eine Reduzierung der Wandungsstärke vorgesehen und gleichzeitig eine Wärmeisolierung (15) gegenüber dem Meßgehäuse an -gebracht.
• Nach Bild 3 ist das Heizsystem auch so aufgebaut, daß der Temperaturmeßfühler (16) stirnseitig,innerhalb des Meß -stiftes, in einer Aluminiumscheibe (17) eingebracht ist, die ihrerseits in den Durchlaß (18) einer Heizspule (19) mit einem Ansatz (21) gesteckt ist . Die so erzielte kompakte Bauweise gewährleistet eine sichere lokale aufheizung des Meßstiftes, bei guter Definierbarkeit der Wärmekapazität für die umströmte stirnseitige Metregion des Meßstiftes.

Claims (10)

1. Patentansprüche C"j ~ o Meßfühler zur elektrischen Erfassung von Wärmeverlusten in einem strömenden Medium, gefertigt aus einem metalllischen, in eine Wandung einschraubbaren Meßgehäuse, welches stirnseitig in die Strömung hineinragende Meß -stifte aufweist, dessen Funktion auf einer Differenz -temperaturmessung beruht, wobei ein Temperaturmeßelement die Mediumstemperatur, das andere Element die Temperatur des durch eine zusätzliche Wärmequelle aufgeheizten Mediums mißt und bei welchem die Meßelemente mit Wärmequelle innerhalb der Meßstifte angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler ausschließlich einen Meßstift aufweist.
2. 2.

   Meßfühler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstift mit dem Meßgehäuse metallisch verbunden ist.
3. 3.

   Meßfühler nach Anspruch 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, daß Meßstift und Meßgehäuse denselben Durchmesser auf -weisen.
4. 4.

   Meßfühler nach Anspruch 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstift aus Edelstahl besteht.
5. 5.

   Meßfühler nach Anspruch 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß in den Meßstift von seinem offenen Ende her eine Metallscheibe eingepaßt ist, die etwa auf 30% der Stiftlänge abgesenkt ist und eine Bohrung für ein Temperaturmeßelement und eine Bohrung für die Drahtdurchführung der stirnseitig angebrachten Meßelemente aufweist.
6. 6.

   Meßfühler nach Anspruch 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum des Meßstiftes gießharzaufgefüllt ist.
7. 7.

   Meßfühler nach Anspruch 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstift stirnseitig eine bündig eingepreßte Metallscheibe aufweist.
8. 8.

   Meßfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe nach An -spruch 5 dreifach ausgebildet ist, in der Weise, daß zwischen zwei Metallscheiben eine thermische Isolier -schicht angeordnet ist.
9. 9.

   Meßfühler nach einem oder mehreren der Ansprüch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstift nur das Heizelement mit Temperaturfühler aufweist, während der Temperaturfühler für das Strömungsmedium in einem Teil des Meßgehäuses eingebracht ist.
10. 10.

    Meßfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe nach An -spruch 5 oder 8 durch eine bez. der Wärmeleitfähigkeit äquivalente Schicht eines gefüllten Harzes ersetzt ist.