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Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchflußsensor
sowie ein Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Fluids.
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Es ist bekannt, den Durchfluß eines
Fluids (d.h. einer Flüssigkeit
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 Temperaturfühler
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.
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Die Durchflußmessung mit Hilfe derartiger thermischer
Strömungssensoren
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.
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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.
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Die WO 90/09567 A1 zeigt einen Strömungssensor
der oben beschriebenen Art, der zusätzlich eine Meßzelle mit
einer weiteren Heizeinrichtung und einem Temperaturfühler enthält. Das
Fluid, dessen Durchfluß bestimmt
werden soll, kann in diese Meßzelle
eindringen, strömt
dort aber nicht direkt hindurch. Die Meßzelle ermöglicht eine Referenzmessung,
die für
die thermischen Eigenschaften des Fluids charakteristisch ist.
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In der
US
4 885 938 ist ein Verfahren zum Korrigieren einer Durchflußmessung
eines Fluids beschrieben. Dabei werden als Korrekturgrößen in einer
statischen Umgebung die Wärmeleitfähig keit,
die spezifische Wärme
bei konstantem Druck sowie die Dichte des Fluids bestimmt.
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Die WO 93/15381 A1 zeigt einen Durchflußmesser
mit einem von einem Fluid durchströmten Rohrabschnitt, in dem
ein Heizelement mit einem Temperaturfühler in einer Kapsel sowie
ein weiterer Temperaturfühler
montiert sind. Zur Auswertung werden Parameter aus Kalibrierungsmessungen
einbezogen.
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Aus der
US 4 480 467 ist ein Strömungswächter für Flüssigkeiten
bekannt, der am Anfang einer Strömungsstrecke
einen ersten gekapselten Temperaturfühler und am Ende der Strömungsstrecke
einen zweiten Temperaturfühler
sowie eine Heizeinrichtung, die in einer gemeinsamen Kapsel angeordnet
sind, aufweist. Die bei konstant gehaltener Temperaturdifferenz
zugeführte
Heizleistung ist ein Maß für den Durchfluß.
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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, und zwar in sicherer Betriebsweise,
selbst wenn das Fluid ein explosionsfähiges Gas ist.
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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
13. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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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.
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Über
die Öffnung
kann ein Teil des Fluids in die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle eintreten. Innerhalb der
Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 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 grundlegende 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 Meßzellengehäuses) und
einem geeigneten Temperaturbereich für die zweite Heizeinrichtung (vorteilhaft
sind relativ niedrige Temperaturen) läßt sich der Anteil der Strahlung
am Wärmetransport
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.
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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 vorteilhaft 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 Wärmeleitfähigkeit
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 Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 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.
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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 Strömungssensors
berücksichtigt
werden können,
um eine zuverlässige
Durchflußmessung
zu erzielen. Da der erfindungsgemäße thermische Durchflußsensor
sowohl den Strömungssensor als
auch die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle aufweist, ist
sichergestellt, daß alle
Messungen immer an demselben Fluid erfolgen.
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Die erste Heizeinrichtung und/oder
die zweite Heizeinrichtung weisen einen Heizwiderstand auf, der
im Arbeitsbereich einen positiven Temperaturkoeffizienten hat. Ein
derartiger PTC-Heizwiderstand bildet
eine zuverlässige
Sicherung gegen Überhitzung,
was zum Beispiel wichtig ist, wenn das Fluid ein explosionsfähiges 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 zusätzliche
Sicherheitseinrichtungen stabil.
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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 Wärmeabführvermögen 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 charakterisierendes 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 Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle unter
den oben erläuterten
Umständen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung 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.
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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 Temperatur der zweiten Heizeinrichtung und der
weitgehend mit der Umgebungstemperatur übereinstimmenden Temperatur des
Meßzellengehäuses ein.
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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 vorgegebenen Wert
oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. So läßt sich zum Beispiel die Temperatur
der ersten Heizeinrichtung und der zweiten Heizeinrichtung durch Regeln
der jeweiligen Heizleistungen 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.
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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 Meßzellengehäuses ein
Unterdruck erzeugt, der Fluid durch den Sinterkörper in das Meßzellengehäuse einsaugt.
Dadurch ist gewährleistet,
daß das
Fluid ständig
ohne störende Konvektionsbewegungen
aus dem Meßzellengehäuse ausgetauscht
wird und somit in seiner Zusammensetzung mit dem an dem Strömungssensor
vorbeiströmenden
Fluid übereinstimmt.
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Die erste Heizeinrichtung sowie der
erste Temperaturfühler
sind vorzugsweise in thermischem Kontakt in einer ersten Kapsel
angeordnet; Entsprechendes kann auch für die zweite Heizeinrichtung
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.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 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
Schmutzpartikel, die in der Fluidströmung mitgeführt werden, weitgehend verhindern.
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Vorzugsweise sind der Strömungssensor und
die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 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.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Zeichnungen zeigen in
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch
einen thermischen Durchflußsensor,
der in einem T-Stück
montiert ist, das in einer Rohrleitung mit strömendem Fluid eingebaut sein
kann,
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2 einen
schematischen Querschnitt durch die Anordnung aus 1 in Höhe der Linie II-II aus 1,
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3 einen
vergrößerten Längsschnitt durch
Teile des thermischen Durchflußsensors
entsprechend 1 entlang
der abgewinkelten Linie A-A aus 2 und
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4 einen
Längsschnitt,
der den inneren Aufbau einer bei dem thermischen Durchflußsensor gemäß 1 verwendeten Kapsel verdeutlicht.
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In 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.
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Der thermische Durchflußsensor 1 hat
einen Sockel 2 aus Metall, an dem ein Strömungssensor 3 und
eine Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 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.
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In 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 1 mit zugehörigen Schneidringen 16 und 17 in
Explosionsansicht dargestellt sind, dienen zum Verbinden des T-Stücks 10 mit
einem Rohrleitungssystem. Mit Hilfe des T-Stücks 10 kann der thermische
Durchflußsensor 1 auf
einfache Weise in eine Rohrleitung eingefügt und bei Bedarf schnell ausgetauscht
werden.
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht der Anordnung aus 1 in Höhe der Linie II-II. Die Strömungsrichtung
des durch die Rohrleitung fließenden Fluids
ist in 2 durch den Pfeil
S gekennzeichnet. Man erkennt im Querschnitt den Strömungssensor 3 und
die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 sowie
den bereits erwähnten
Temperatursensor, der in 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 2 die
Wandung 19 des T-Stücks 10 zu
erkennen.
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In bezug auf die Lage des Strömungssensors 3 und
der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 ist
die Schnittebene in 1 nicht
präzise
definiert. Im Unterschied dazu gibt 2 die
Anordnung des Strömungssensors 3,
der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 und
des Temperatursensors 18 in dem Sockel 2 genau
wieder und verdeutlicht mit Hilfe der Linie A-A die Schnittebenen
der Längsschnittdarstellung
in 3. Im folgenden wird
der thermische Durchflußsensor 1 insbesondere
anhand der 3 und 4 im einzelnen erläutert.
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Wie 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 unerwünschten 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.
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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 Bohrung 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.
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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 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
Zuleitungen 38 zu der ersten Heizeinrichtung 32 und
dem ersten Temperaturfühler 34 ins
Innere der Kapsel 30 geführt. Die Heizeinrichtung 32 ist ein
PTC-Widerstand, also ein Heizwiderstand, dessen Widerstandswert
im Arbeitsbereich mit der Temperatur zunimmt. Der erste Temperaturfühler 34 ist
im Ausführungsbeispiel
ein Platin-Meßwiderstand.
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Wie 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 Durchflußsensors 1 an der
ersten Heizeinrichtung 32 eine Temperatur einstellen kann,
die unabhängig
von der Temperatur des Sockels 2 ist, also unabhängig von
der Umgebungstemperatur.
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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 3 dargestellt.
Das Meßzellengehäuse 42 hat
eine Stirnseite 44, in die als Öffnung ein Sinterkörper 46 eingesetzt
ist. In dem in 3 gezeigten
montierten Zustand der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 wird
durch das Meßzellengehäuse 42 eine
geschlossene Wandung geschaffen, die die Kapsel 40 in einem
Abstand umgibt und so einen Innenraum schafft, der nur über den
Sinterkörper 46 und
eine kleine weitere Öffnung 48 an
der Mantelfläche
des Meßzellengehäuses 42 zugänglich ist. Durch
den Sinterkörper 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 Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 findet
daher ein Wärmetransport
zwischen der Kapsel 40 und dem Meßzellengehäuse 42, das sich praktisch
auf Umgebungstemperatur befindet, im wesentlichen nur durch Wärmeleitung
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 entlangströmt, 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 übereinstimmt.
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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 Heizeinrichtung.
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Die Zuleitungen zu dem Strömungssensor 3, der
Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 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 Temperaturfühler
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 Strömungssensor 3,
die Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 4 und
der Temperatursensor 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 herauszustellen.
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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.
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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 Temperaturfühler 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.
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Die benötigten Informationen werden
mit Hilfe der Wärmeleitfähigkeitsmeßzelle 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.
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Anschaulich gesehen, verwendet die
Steuer- und Auswerteeinrichtung 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 Wärmeleitvermögen 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.