DE19913968A1 - Thermischer Durchflußsensor und Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids - Google Patents

Abstract

Ein thermischer Durchflußsensor hat einen Strömungssensor (3) und eine Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle (4). Der Strömungssensor (3) weist eine erste Heizeinrichtung und einen auf die Temperatur der ersten Heizeinrichtung reagierenden ersten Temperaturfühler auf und ist einem strömenden Fluid, dessen Durchfluß zu bestimmen ist, aussetzbar. Die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle (4) weist ein Meßzellengehäuse (42), eine zweite Heizeinrichtung und einen auf die Temperatur der zweiten Heizeinrichtung reagierenden zweiten Temperaturfühler auf. Das Meßzellengehäuse (42) hat mindestens eine zum Eintreten des Fluids in das Meßzellengehäuse (42) eingerichtete Öffnung (46).

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchflußsensor sowie ein Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids.

Es ist bekannt, den Durchfluß eines Fluids (d. h. einer Flüssig­ keit oder eines Gases) zum Beispiel durch eine Rohrleitung mit Hilfe eines thermischen Strömungssensors zu bestimmen. Ein derartiger Strömungssensor weist eine Heizeinrichtung und einen auf die Temperatur der Heizeinrichtung reagierenden Temperatur­ fühler auf. Zum Bestimmen des Durchflusses wird der Kühleffekt ausgenutzt, den das auf den Strömungssensor einströmende Fluid bewirkt. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Durchfluß des Fluids ist, um so größer ist die pro Zeiteinheit durch Wärmeübertragung und Konvektion über das Fluid von dem Strömungssensor weggeführte Wärmemenge. Wenn also zum Beispiel der Heizeinrichtung eine konstante Heizleistung zugeführt wird, ist die von dem Temperaturfühler erfaßte Temperatur bei hohem Durchfluß geringer als bei niedrigem Durchfluß. Wenn die Heizleistung so geregelt wird, daß der Strömungssensor auf einer konstanten Temperatur liegt, ist entsprechend bei einem größeren Durchfluß eine höhere Heizleistung erforderlich als bei einem kleineren Durchfluß. Um mit einem derartigen Strömungssensor absolute Durchflußmengen messen zu können, ist eine Kalibrierung erforderlich. Dadurch werden zum Beispiel Einflüsse von der Geometrie des Strömungssensors und den Materialeigenschaften des Fluids, die das Wärmeabführvermögen wesentlich mitbestimmen, berücksichtigt. So hängt das Wärmeabführvermögen des Fluids zum Beispiel von dessen Zusammensetzung ab.

Die Durchflußmessung mit Hilfe derartiger thermischer Strömungs­ sensoren wird zum Beispiel in den Lehrbüchern von O. Fiedler, "Strömungs- und Durchflußmeßtechnik" (Oldenbourg-Verlag 1992), und H. Eckelmann, "Einführung in die Strömungsmeßtechnik" (Teubner-Verlag 1997), beschrieben.

Um einen Strömungssensor der erläuterten Art einsetzen zu können, darf die Zusammensetzung des Fluids, dessen Durchfluß zu bestimmen ist, nicht oder nur innerhalb sehr geringer Grenzen variieren. Eine andere Fluidzusammensetzung könnte nämlich zu einem veränderten Wärmeabführvermögen führen, so daß Änderungen in der Temperatur oder bei der Heizleistung des Strömungssensors nicht notwendig auf Durchflußänderungen zurückführbar sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen thermischen Durchflußsensor sowie ein Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids unter Benutzung eines thermischen Durchflußsensors zu schaffen, die auch eine Durchflußmessung an einem Fluid ermöglichen, dessen Zusammensetzung variabel ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen thermischen Durchflußsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße thermische Durchflußsensor weist einen Strömungssensor mit einer ersten Heizeinrichtung und einem auf die Temperatur der ersten Heizeinrichtung reagierenden ersten Temperaturfühler auf und ist einem strömenden Fluid, dessen Durchfluß zu bestimmen ist, aussetzbar. Dieser Strömungssensor ist ein thermischer Strömungssensor, der auf dem oben erläuterten Prinzip beruht. Zusätzlich hat der thermische Durchflußsensor eine Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle, die ein Meßzellengehäuse, eine zweite Heizeinrichtung und einen auf die Temperatur der zweiten Heizeinrichtung reagierenden zweiten Temperaturfühler aufweist, wobei das Meßzellengehäuse mindestens eine zum Eintreten des Fluids in das Meßzellengehäuse eingerichtete Öffnung hat.

Über die Öffnung kann ein Teil des Fluids in die Wärmeleitfähig­ keitsmeßzelle eintreten. Innerhalb der Wärmeleitfähigkeitsmeß­ zelle findet praktisch kein Wärmetransport durch Konvektion statt, da diese Meßzelle zum Messen der Wärmeleitfähigkeit eines in ihr enthaltenen Fluids ausgelegt ist und ihr Innenraum daher vor Störungen durch Fluidströmungen weitgehend geschützt ist. Mit Hilfe der zweiten Heizeinrichtung und dem auf die Temperatur der zweiten Heizeinrichtung reagierenden zweiten Temperaturfühler läßt sich die Wärmeleitfähigkeit des Fluids ermitteln. Das grund­ legende Meßprinzip der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle ist ähnlich wie bei dem thermischen Strömungssensor, aber da innerhalb des Meßzellengehäuses keine Konvektion stattfindet, wird die von dem Fluid von der zweiten Heizeinrichtung weggeführte Wärme im wesentlichen durch Wärmeleitung transportiert. Durch Wahl einer geeigneten Geometrie (vor allem einen geringen Abstand zwischen der zweiten Heizeinrichtung und der Innenseite des Meßzel­ lengehäuses) und einem geeigneten Temperaturbereich für die zweite Heizeinrichtung (vorteilhaft sind relativ niedrige Temperaturen) läßt sich der Anteil der Strahlung am Wärmetrans­ port gering halten. Derartige Wärmeleitfähigkeitsmeßzellen als solche und das dabei zum Einsatz kommende Meßprinzip sind bekannt. Mit Hilfe der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle läßt sich also die Wärmeleitfähigkeit des Fluids bestimmen.

Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß für die Zusammensetzung des Fluids. Wenn das Fluid zwei Komponenten mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten hat, lassen sich die Anteile der Komponenten an dem Fluid mit Hilfe einer Messung der Wärmeleitfähigkeit des Fluids ermitteln. Der erfindungsgemäße thermische Durchflußsensor kann aber auch für Fluide mit mehr als zwei Komponenten vor­ teilhaft eingesetzt werden, wie das folgende Beispiel zeigt: Wenn z. B. das Fluid eine Mischung aus Luft und den Kohlenwasserstoffen Propan und Butan ist, besteht es hinsichtlich seiner Wärmeleitfä­ higkeit im wesentlichen aus zwei Komponenten, nämlich Luft und Kohlenwasserstoff. Denn Propan und Butan unterscheiden sich im Vergleich zu Luft hinsichtlich ihrer Wärmeleitungseigenschaften nur geringfügig und haben auch ein ähnliches Wärmeabführvermögen im Hinblick auf den Strömungssensor. Mit Hilfe der Wärmeleitfä­ higkeitsmeßzelle läßt sich zum Beispiel bei diesem Fluid die Konzentration von Kohlenwasserstoff in Luft im Bereich von 0% bis 100% mit einer Genauigkeit von besser als 5% bestimmen. Damit kennt man die Zusammensetzung des Fluids hinreichend genau, um sie beim Verhalten des Strömungssensors zu berücksichtigen.

Die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle ermöglicht es also auf einfache Weise, die Zusammensetzung des Fluids zu ermitteln oder zumindest soweit abzuschätzen, daß zusammensetzungsabhängige Unterschiede im Wärmeabführvermögen des Fluids beim Betrieb des Strömungs­ sensors berücksichtigt werden können, um eine zuverlässige Durchflußmessung zu erzielen. Da der erfindungsgemäße thermische Durchflußsensor sowohl den Strömungssensor als auch die Wärme­ leitfähigkeitsmeßzelle aufweist, ist sichergestellt, daß alle Messungen immer an demselben Fluid erfolgen.

Vorzugsweise weist der thermische Durchflußsensor eine Steuer- und Auswerteeinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, mittels der der zweiten Heizeinrichtung zugeführten Heizleistung und der Temperatur des zweiten Temperaturfühlers ein das Wärmeabführver­ mögen des Fluids charakterisierendes erstes Meßsignal zu erzeugen sowie mittels der der ersten Heizeinrichtung zugeführten Heizleistung, der Temperatur des ersten Temperaturfühlers und des ersten Meßsignals ein den Durchfluß des Fluids charakterisieren­ des zweites Meßsignal zu erzeugen. Dabei ist das erste Meßsignal vorzugsweise der Zusammensetzung des Fluids zugeordnet. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung ermöglicht einen vorzugsweise vollautomatischen Betrieb des Strömungssensors und der Wärmeleit­ fähigkeitsmeßzelle unter den oben erläuterten Umständen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteein­ richtung dazu eingerichtet, mittels bei Kalibrierungsmessungen bestimmter Parameter und dem zweiten Meßsignal den Durchfluß des Fluids zu bestimmen. Mit Hilfe solcher Kalibrierungsmessungen unter Verwendung vorgegebener Fluide bei vorgegebenen Bedingungen lassen sich die in die Auswertung der Meßergebnisse eingehenden Größen ermitteln, wie bereits oben erwähnt, so daß es prinzipiell möglich ist, aus der Steuer- und Auswerteeinrichtung direkt den Durchflußwert eines strömenden Fluids auszugeben, zum Beispiel auf eine Anzeige oder in einen Speicher.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der thermische Durchflußsensor einen dritten Temperaturfühler auf, der zum Messen der Umgebungstemperatur eingerichtet ist. Die Genauigkeit des thermischen Durchflußsensors steigt mit der Genauigkeit, mit der die Umgebungstemperatur bekannt ist. So geht zum Beispiel in die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit die Differenz der Tempera­ tur der zweiten Heizeinrichtung und der weitgehend mit der Umgebungstemperatur übereinstimmenden Temperatur des Meßzel­ lengehäuses ein.

Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, die Heizleistung der ersten Heizeinrichtung so zu regeln, daß die Temperatur des ersten Temperaturfühlers um einen vorgegebenen Wert oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, die Heizleistung der zweiten Heizeinrichtung so zu regeln, daß die Temperatur des zweiten Temperaturfühlers um einen vor­ gegebenen Wert oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. So läßt sich zum Beispiel die Temperatur der ersten Heizeinrichtung und der zweiten Heizeinrichtung durch Regeln der jeweiligen Heizlei­ stungen um 50 K über der Umgebungstemperatur halten. Die momentane Heizleistung ist dann ein unmittelbares Maß für die von dem Strömungssensor von dem Fluid abgeführte Wärmemenge pro Zeiteinheit bzw. für die in der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle pro Zeiteinheit durch Wärmeleitung wegtransportierte Wärmemenge.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Meßzellengehäuse einen porösen Sinterkörper auf, der für das Fluid durchlässig ist. Der Sinterkörper bildet so viele kleine Öffnungen, über die das Fluid aus einem Bereich, in dem es unter Umständen mit hoher Geschwindigkeit strömt, in das Innere des Meßzellengehäuses eintreten kann, wo es nicht strömen darf, weil sonst die Messung der Wärmeleitfähigkeit durch einen Konvektionsanteil verfälscht würde. Vorzugsweise weist das Meßzellengehäuse entfernt von dem Sinterkörper eine weitere Öffnung auf. Das Meßzellengehäuse kann eine zylindrische Grundform haben, wobei der Sinterkörper an einer Stirnseite, die weitere Öffnung an der Mantelfläche der zylindrischen Grundform und die zweite Heizeinrichtung sowie der zweite Temperaturfühler im Bereich um die Längsachse der zylindrischen Grundform angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung wird durch das außerhalb des Meßzellengehäuses an der weiteren Öffnung vorbeiströmende Fluid innerhalb des Meßzel­ lengehäuses ein Unterdruck erzeugt, der Fluid durch den Sinter­ körper in das Meßzellengehäuse einsaugt. Dadurch ist gewähr­ leistet, daß das Fluid ständig ohne störende Konvektionsbewegun­ gen aus dem Meßzellengehäuse ausgetauscht wird und somit in seiner Zusammensetzung mit dem an dem Strömungssensor vor­ beiströmenden Fluid übereinstimmt.

Die erste Heizeinrichtung sowie der erste Temperaturfühler sind vorzugsweise in thermischem Kontakt in einer ersten Kapsel angeordnet; Entsprechendes kann auch für die zweite Heizeinrich­ tung sowie den zweiten Temperaturfühler gelten. Bei dieser Ausgestaltung nimmt der erste bzw. zweite Temperaturfühler die Temperatur der jeweiligen Heizeinrichtung direkt an, was die Meßgenauigkeit erhöht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmeleitfähig­ keitsmeßzelle im Strömungsschatten angeordnet, zum Beispiel im Strömungsschatten des Strömungssensors oder im Strömungsschatten des dritten Temperaturfühlers. Durch eine derartige Anordnung lassen sich Verschmutzungen des Sinterkörpers durch Schmutz­ partikel, die in der Fluidströmung mitgeführt werden, weitgehend verhindern.

Die erste Heizeinrichtung und/oder die zweite Heizeinrichtung können einen Heizwiderstand aufweisen, der im Arbeitsbereich einen positiven Temperaturkoeffizienten hat. Ein derartiger PTC- Heizwiderstand bildet eine zuverlässige Sicherung gegen Überhit­ zung, was zum Beispiel wichtig ist, wenn das Fluid ein ex­ plosionsfähiges Gas ist. Wenn durch einen Fehler bei der Steuerung oder Regelung der dem jeweiligen Heizwiderstand zugeführten Heizleistung die Temperatur des Heizwiderstandes ansteigen würde, würde der resultierende höhere Widerstandswert bei einer von der Spannungsversorgung vorgegebenen oberen Spannungsgrenze zu einem Absinken des Heizstroms führen, so daß die Temperatur sinkt. Das System ist also in sich ohne zusätz­ liche Sicherheitseinrichtungen stabil.

Vorzugsweise sind der Strömungssensor und die Wärmeleitfähig­ keitsmeßzelle an einem gemeinsamen Sockel montiert und über ein an einer Rohrleitung für das strömende Fluid vorgesehenem T-Stück mit dem Fluid in Kontakt bringbar. Eine derartige Bauform ist übersichtlich, kostengünstig und ermöglicht es, auf einfache Weise Wartungsarbeiten durchzuführen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen thermi­ schen Durchflußsensor, der in einem T-Stück montiert ist, das in einer Rohrleitung mit strömendem Fluid eingebaut sein kann,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch die Anordnung aus Fig. 1 in Höhe der Linie II-II aus Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch Teile des ther­ mischen Durchflußsensors entsprechend Fig. 1 entlang der abgewinkelten Linie A-A aus Fig. 2 und

Fig. 4 einen Längsschnitt, der den inneren Aufbau einer bei dem thermischen Durchflußsensor gemäß Fig. 1 ver­ wendeten Kapsel verdeutlicht.

In Fig. 1 ist ein thermischer Durchflußsensor 1 in einem in einer Rohrleitung eingebauten Zustand dargestellt. Durch die Rohrleitung strömt ein Fluid (im Ausführungsbeispiel ein Gemisch aus Luft und Propan- und Butangas), dessen Durchfluß bestimmt werden soll.

Der thermische Durchflußsensor 1 hat einen Sockel 2 aus Metall, an dem ein Strömungssensor 3 und eine Wärmeleitfähigkeitsmeß­ zelle 4 angebracht sind. Mit dem Sockel 2 ist ein Rohransatz 5 verschraubt, an dessen oberem Ende eine Kabelverschraubung 6 sitzt. Mit Hilfe des Rohransatzes 5 und der Kabelverschraubung 6 sind die elektrischen Zuleitungskabel befestigt, die zu dem Strömungssensor 3, der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 und einem separaten Temperatursensor (siehe unten) führen. Das andere Ende der elektrischen Zuleitungskabel ist mit einer separaten Steuer- und Auswerteeinrichtung verbunden, die eine weitere Komponente des thermischen Durchflußsensors 1 ist, aber in den Figuren nicht dargestellt ist.

In Fig. 1 ist ersichtlich, wie der thermische Durchflußsensor 1 in einem T-Stück 10 sitzt. Dabei sind der Sockel 2 und der Rohransatz 5 von einer Verschraubung 12 gehalten. Weitere Verschraubungen 14 und 15, die in Fig. 1 mit zugehörigen Schneidringen 16 und 17 in Explosionsansicht dargestellt sind, dienen zum Verbinden des T-Stücks 10 mit einem Rohrleitungs­ system. Mit Hilfe des T-Stücks 10 kann der thermische Durch­ flußsensor 1 auf einfache Weise in eine Rohrleitung eingefügt und bei Bedarf schnell ausgetauscht werden.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Anordnung aus Fig. 1 in Höhe der Linie II-II. Die Strömungsrichtung des durch die Rohrleitung fließenden Fluids ist in Fig. 2 durch den Pfeil S gekennzeichnet. Man erkennt im Querschnitt den Strömungssensor 3 und die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 sowie den bereits erwähnten Temperatursensor, der in Fig. 2 mit 18 bezeichnet ist. Der Temperatursensor 18 hat ähnliche äußere Abmessungen wie der Strömungssensor 3 und ragt ebenso wie der Strömungssensor 3 und die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 in das strömende Fluid. Ferner ist in Fig. 2 die Wandung 19 des T-Stücks 10 zu erkennen.

In bezug auf die Lage des Strömungssensors 3 und der Wärmeleitfä­ higkeitsmeßzelle 4 ist die Schnittebene in Fig. 1 nicht präzise definiert. Im Unterschied dazu gibt Fig. 2 die Anordnung des Strömungssensors 3, der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 und des Temperatursensors 18 in dem Sockel 2 genau wieder und ver­ deutlicht mit Hilfe der Linie A-A die Schnittebenen der Längs­ schnittdarstellung in Fig. 3. Im folgenden wird der thermische Durchflußsensor 1 insbesondere anhand der Fig. 3 und 4 im einzelnen erläutert.

Wie Fig. 3 erkennen läßt, ist der Sockel 2 so ausgeformt, daß er die Innenseite der Wandung des T-Stücks 10 ergänzt, ohne daß störende Vorsprünge oder Vertiefungen entstehen, die zu un­ erwünschten Turbulenzen bei der Fluidströmung führen könnten. Der Sockel 2 hat eine Basis 20, die nach oben in einen Zylinder­ ansatz 22 übergeht, von dem mehrere radiale Vorsprünge 23 ausgehen. Die Vorsprünge 23 sind auf entsprechende Nuten in dem T-Stück 10 abgestimmt und sorgen für einen wohldefinierten Sitz der Basis 20 in azimutaler Richtung. Der obere Endbereich des Zylinderansatzes 22 ist mit einem Außengewinde 24 versehen, an dem ein darauf abgestimmtes Innengewinde des Rohransatzes 5 angreifen kann.

Durch die Basis 20 führt eine dreistufige Bohrung 25 mit einem unteren Bereich 26, einem mittleren Bereich 27 und einem oberen Bereich 28. Der untere Bereich 26 hat einen größeren Durchmesser als der mittlere Bereich 27 und der obere Bereich 28 einen kleineren Durchmesser. In die dreistufige Bohrung 25 ist der Strömungssensor 3 eingesetzt. Eine ähnliche dreistufige Boh­ rung 29 trägt die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 und ist auf deren Abmessungen abgestimmt. Schließlich weist der Sockel 2 noch eine weitere Bohrung für den Temperatursensor 18 auf.

Der Strömungssensor 3 hat ein Gehäuse in Form einer Kapsel 30, die im Ausführungsbeispiel aus einem dünnwandigen Metallröhrchen mit einem geschlossenen, konisch geformten Endbereich besteht. Wie in Fig. 4 zu sehen, befinden sich im Innenraum der Kapsel 30 eine erste Heizeinrichtung 32 und ein erster Temperaturfühler 34, die über eine Vergußmasse 36 in engem thermischem Kontakt untereinander und mit der Wandung der Kapsel 30 stehen. Über die andere Stirnseite der Kapsel 30, die offen steht, sind Zuleitun­ gen 38 zu der ersten Heizeinrichtung 32 und dem ersten Tempera­ turfühler 34 ins Innere der Kapsel 30 geführt. Im Ausführungsbei­ spiel ist die Heizeinrichtung 32 ein PTC-Widerstand, also ein Heizwiderstand, dessen Widerstandswert im Arbeitsbereich mit der Temperatur zunimmt. Der erste Temperaturfühler 34 ist im Ausführungsbeispiel ein Platin-Meßwiderstand.

Wie Fig. 3 zeigt, besteht nur im mittleren Bereich 27 der dreistufigen Bohrung 25 ein direkter thermischer Kontakt zwischen der Basis 20 und der Kapsel 30, während der durch den unteren Bereich 26 der dreistufigen Bohrung 25 geschaffene Zwischenraum dafür sorgt, daß sich im Betrieb des thermischen Durchflußsen­ sors 1 an der ersten Heizeinrichtung 32 eine Temperatur ein­ stellen kann, die unabhängig von der Temperatur des Sockels 2 ist, also unabhängig von der Umgebungstemperatur.

Die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 enthält eine Kapsel 40, die so konstruiert ist wie die Kapsel 30 und in ihrem Innenraum eine zweite Heizeinrichtung und einen zweiten Temperaturfühler trägt, die über eine Vergußmasse in thermischem Kontakt mit dem unteren Bereich der Wandung der Kapsel 40 stehen, ähnlich wie bei dem Strömungssensor 3. Auch die entsprechenden Zuleitungen sind in vergleichbarer Weise geführt. Die Kapsel 40 ist von einem Meßzellengehäuse 42 von zylindrischer Grundform umgeben, wie in Fig. 3 dargestellt. Das Meßzellengehäuse 42 hat eine Stirnsei­ te 44, in die als Öffnung ein Sinterkörper 46 eingesetzt ist. In dem in Fig. 3 gezeigten montierten Zustand der Wärmeleitfähig­ keitsmeßzelle 4 wird durch das Meßzellengehäuse 42 eine ge­ schlossene Wandung geschaffen, die die Kapsel 40 in einem Abstand umgibt und so einen Innenraum schafft, der nur über den Sinter­ körper 46 und eine kleine weitere Öffnung 48 an der Mantelfläche des Meßzellengehäuses 42 zugänglich ist. Durch den Sinterkör­ per 46 kann Fluid in den genannten Innenraum eintreten. Dies geschieht im wesentlichen durch Diffusion, denn der Sinterkörper hat eine derartig geringe Porengröße, daß praktisch keine makroskopischen Strömungen vorkommen. Im Betrieb der Wärmeleit­ fähigkeitsmeßzelle 4 findet daher ein Wärmetransport zwischen der Kapsel 40 und dem Meßzellengehäuse 42, das sich praktisch auf Umgebungstemperatur befindet, im wesentlichen nur durch Wärmelei­ tung statt, weshalb die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 eine Messung der Wärmeleitfähigkeit des Fluids ermöglicht. Wenn Fluid durch das T-Stück 10 außen an der weiteren Öffnung 48 entlang­ strömt, entsteht im Innenraum des Meßzellengehäuses 42 ein geringfügiger Unterdruck, über den ständig frisches Fluid durch den Sinterkörper 46 nachgesaugt wird. Daher ist gewährleistet, daß die Zusammensetzung des Fluids innerhalb des Meßzellengehäu­ ses 42 mit der des in dem T-Stück 10 strömenden Fluid überein­ stimmt.

Auch der Temperatursensor 18 weist eine Kapsel auf, die so aufgebaut ist wie die Kapsel 30. In deren Innenraum befindet sich lediglich ein Temperaturfühler, der über eine Vergußmasse in thermischem Kontakt mit der Kapsel steht, aber keine Heiz­ einrichtung.

Die Zuleitungen zu dem Strömungssensor 3, der Wärmeleitfähig­ keitsmeßzelle 4 und dem Temperatursensor 18 sind alle mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung verbunden, wie bereits erwähnt. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung regelt die Heizleistung der ersten Heizeinrichtung 32, deren Temperatur von dem ersten Temperaturfühler 34 erfaßt wird, die Heizleistung der zweiten Heizeinrichtung, deren Temperatur von dem zweiten Temperaturfüh­ ler gemessen wird (Kapsel 40), betreibt diese Temperaturfühler sowie den Temperatursensor 18 und führt im Ausführungsbeispiel einen vollautomatischen Meßablauf durch, dessen Ergebnis, nämlich der Durchfluß des Fluids durch das T-Stück 10, an der Steuer- und Auswerteeinrichtung abgelesen werden kann. Wie der Strömungs­ sensor 3, die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 und der Temperatur­ sensor 18 als solche betrieben werden, ist einem Fachmann klar. Für das Folgende reicht es daher, die wesentlichen Punkte sowie die Bedeutung der Wärmeleitfähigkeitsmessung im Ablauf her­ auszustellen.

Im Ausführungsbeispiel werden die erste Heizeinrichtung 32 (Kapsel 30) und die zweite Heizeinrichtung (Kapsel 40) in der Heizleistung so geregelt, daß die jeweilige Heizeinrichtung eine Temperatur hat, die um 50 K über der von dem Temperatursensor 18 erfaßten Umgebungstemperatur liegt. Die dafür erforderliche Heizleistung wird ständig gemessen.

Fluid, das durch das T-Stück 10 strömt, führt Wärme von dem Strömungssensor 3 ab, die von der ersten Heizeinrichtung 32 ständig nachgeliefert werden muß, um die von dem ersten Tempera­ turfühler 34 gemessene Temperatur konstant um 50 K über der Umgebungstemperatur zu halten. Je größer der Durchfluß ist, um so mehr Wärme wird abgeführt. Die Heizleistung der ersten Heizeinrichtung 32 ist also ein Maß für den zu bestimmenden Durchfluß. Da das Wärmeabführvermögen des Fluids jedoch auch von dessen Zusammensetzung abhängt, sind Informationen hierüber erforderlich.

Die benötigten Informationen werden mit Hilfe der Wärmeleitfähig­ keitsmeßzelle 4 gewonnen. Die Zusammensetzung des Fluids läßt sich nämlich empirisch aus der Wärmeleitfähigkeit ermitteln. Wie die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 betrieben wird, wurde bereits erläutert. Weitere Größen, die zur Auswertung der Meßergebnisse und damit zur Bestimmung des Durchflusses erforderlich sind, können durch separate Kalibrierungsmessungen gewonnen und von der Steuer- und Auswerteeinrichtung als Parameter benutzt werden.

Anschaulich gesehen, verwendet die Steuer- und Auswerteein­ richtung eine Kurvenschar, die die Heizleistung der ersten Heizeinrichtung 32 als Funktion des zu bestimmenden Durchflusses angibt. Welche Kurve dieser Kurvenschar zu einem gegebenen Zeitpunkt eingesetzt werden muß, hängt von der Zusammensetzung des Fluids zu diesem Zeitpunkt ab, also von dessen Wärmeleitver­ mögen oder dem hierfür maßgeblichen Meßwert, nämlich der der zweiten Heizeinrichtung zugeführten Heizleistung. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung kann daher in Reaktion auf diese Heizleistung ein Meßsignal erzeugen, mit dem die geeignete Kurve aus der Kurvenschar ausgewählt wird, um den Durchfluß zu bestimmen und gegebenenfalls anzuzeigen.

Claims (20)

1. Thermischer Durchflußsensor,

• - mit einem Strömungssensor (3), der eine erste Heizeinrich­ tung (32) und einen auf die Temperatur der ersten Heizein­ richtung (32) reagierenden ersten Temperaturfühler (34) aufweist und der einem strömenden Fluid, dessen Durchfluß zu bestimmen ist, aussetzbar ist, und
• - mit einer Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle (4), die ein Meßzel­ lengehäuse (42), eine zweite Heizeinrichtung und einen auf die Temperatur der zweiten Heizeinrichtung reagierenden zweiten Temperaturfühler aufweist, wobei das Meßzellengehäu­ se (42) mindestens eine zum Eintreten des Fluids in das Meßzellengehäuse (42) eingerichtete Öffnung (46) hat.

2. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die dazu einge­ richtet ist, mittels der der zweiten Heizeinrichtung zuge­ führten Heizleistung und der Temperatur des zweiten Tempe­ raturfühlers ein das Wärmeabführvermögen des Fluids charak­ terisierendes erstes Meßsignal zu erzeugen sowie mittels der der ersten Heizeinrichtung (32) zugeführten Heizleistung, der Temperatur des ersten Temperaturfühlers (34) und des ersten Meßsignals ein den Durchfluß des Fluids charakteri­ sierendes zweites Meßsignal zu erzeugen.

3. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Meßsignal der Zusammensetzung des Fluids zugeordnet ist.

4. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, mittels bei Kalibrierungsmessungen bestimmter Parameter und dem zweiten Meßsignal den Durchfluß des Fluids zu bestimmen.

5. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen dritten Temperaturfühler (18), der zum Messen der Umgebungstemperatur eingerichtet ist.

6. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, die Heizleistung der ersten Heizeinrich­ tung (32) so zu regeln, daß die Temperatur des ersten Tempe­ raturfühlers (34) um einen vorgegebenen Wert oberhalb der Umgebungstemperatur liegt und/oder daß die Steuer- und Aus­ werteeinrichtung dazu eingerichtet ist, die Heizleistung der zweiten Heizeinrichtung so zu regeln, daß die Temperatur des zweiten Temperaturfühlers um einen vorgegebenen Wert ober­ halb der Umgebungstemperatur liegt.

7. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßzellengehäuse (42) einen porösen Sinterkörper (46) aufweist, der für das Fluid durchlässig ist.

8. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßzellengehäuse (42) entfernt von dem Sinterkörper (46) eine weitere Öffnung (48) aufweist.

9. Thermischer Durchflußsensor nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßzellengehäuse (42) eine zylindrische Grundform hat, wobei der Sinterkörper (46) an einer Stirn­ seite (44), die weitere Öffnung (48) an der Mantelfläche der zylindrischen Grundform und die zweite Heizeinrichtung sowie der zweite Temperaturfühler im Bereich um die Längsachse der zylindrischen Grundform angeordnet sind.

10. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Heizeinrich­ tung (32) sowie der erste Temperaturfühler (34) in ther­ mischem Kontakt in einer ersten Kapsel (30) angeordnet sind und/oder daß die zweite Heizeinrichtung sowie der zweite Temperaturfühler in thermischem Kontakt in einer zweiten Kapsel (40) angeordnet sind.

11. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeitsmeß­ zelle (4) im Strömungsschatten angeordnet ist, vorzugsweise im Strömungsschatten des Strömungssensors (3).

12. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Heizeinrich­ tung (32) einen Heizwiderstand aufweist, der im Arbeitsbe­ reich einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, und/oder daß die zweite Heizeinrichtung einen Heizwiderstand auf­ weist, der im Arbeitsbereich einen positiven Temperaturko­ effizienten hat.

13. Thermischer Durchflußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungssensor (3) und die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle (4) an einem gemeinsamen Sockel (2) montiert sind und über ein an einer Rohrleitung für das strömende Fluid vorgesehenem T-Stück (10) mit dem Fluid in Kontakt bringbar sind.

14. Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids,

• - bei dem das Fluid an einem Strömungssensor (3) vorbei­ strömt, der eine erste Heizeinrichtung (32) und einen auf die Temperatur der ersten Heizeinrichtung (32) reagierenden ersten Temperaturfühler (34) aufweist,
• - bei dem ein Teil des Fluids in eine Wärmeleitfähigkeits­ meßzelle (4) eintritt, die ein Meßzellengehäuse (42), eine zweite Heizeinrichtung und einen auf die Temperatur der zweiten Heizeinrichtung reagierenden zweiten Temperaturfüh­ ler aufweist, wobei das Meßzellengehäuse (42) mindestens eine zum Eintreten des Fluids in das Meßzellengehäuse (42) eingerichtete Öffnung (46) hat, und
• - bei dem mittels der der zweiten Heizeinrichtung zugeführ­ ten Heizleistung und der Temperatur des zweiten Temperatur­ fühlers ein das Wärmeabführvermögen des Fluids charakteri­ sierendes erstes Meßsignal erzeugt wird sowie mittels der der ersten Heizeinrichtung (32) zugeführten Heizleistung, der Temperatur des ersten Temperaturfühlers (34) und des ersten Meßsignals ein den Durchfluß des Fluids charakteri­ sierendes zweites Meßsignal erzeugt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines dritten Temperaturfühlers (18) die Umgebungs­ temperatur gemessen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung der ersten Heizeinrichtung (32) so geregelt wird, daß die Temperatur des ersten Temperaturfühlers (34) um einen vorgegebenen Wert oberhalb der Umgebungstemperatur liegt und/oder daß die Heizleistung der zweiten Heizeinrich­ tung so geregelt wird, daß die Temperatur des zweiten Tempe­ raturfühlers um einen vorgegebenen Wert oberhalb der Umge­ bungstemperatur liegt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das erste Meßsignal der Zusammensetzung des Fluids zugeordnet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Durchfluß des Fluids aus dem zweiten Meßsignal und bei Kalibrierungsmessungen bestimmten Parame­ tern bestimmt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Meßzellengehäuse (42) einen porösen Sinterkörper (46) aufweist, der für das Fluid durchlässig ist, daß das Meßzellengehäuse (42) entfernt von dem Sinter­ körper (46) eine weitere Öffnung (48) aufweist, und daß durch das außerhalb des Meßzellengehäuses (42) an der weite­ ren Öffnung (48) vorbeiströmende Fluid innerhalb des Meßzel­ lengehäuses (42) ein Unterdruck erzeugt wird, der Fluid durch den Sinterkörper (46) in das Meßzellengehäuse (42) einsaugt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Durchfluß eines aus Luft und aus Koh­ lenwasserstoffen mit bis zu vier Kohlenstoffatomen bestehen­ den Gemisches bestimmt wird.