DE3105876A1

DE3105876A1 - Probe

Info

Publication number: DE3105876A1
Application number: DE19813105876
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr.Rer.Nat. 2300 Kiel Hiss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-02-18
Filing date: 1981-02-18
Publication date: 1982-09-09

Abstract

Probe for detecting flows of gas and liquid, consisting of a one-part or multipart housing which, if appropriate, in addition to the measuring elements detecting the flow also accommodates a section of the evaluating electronic system, and is introduced into a flow of gas or liquid in such a way that only a partial component of the flowing medium influences the measuring operation, and whose functioning is based on the calorimetric principle and is designed in such a way that the measuring elements detecting the flow are arranged in a trough of the probe so that the measuring elements are located below the tangential level of the flow of the medium. The design avoids direct immersion of the probe into the flowing medium, and thus a considerable mechanical stressing of the measuring elements. The measurement accuracy is sufficient for determining limit speeds dependent on the medium.

Description

Meßfühler Probe

Die Erfindung betrifft einen Meßfühler zur Erfassung von Gas- und Flussigkeitsströmungen, bestehend aus einem ein oder mehrteiligen Gehause , welches ggf. außer den die Strömung erfassenden Meßelementen auch einen Teil der auswertenden Elektronik aufnimmt und in der Weise in einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom eingebracht ist, daß nur ein partieller Anteil des Strömungsmediums den Meßvorgang beeinflußt.The invention relates to a sensor for detecting gas and gas Fluid flows, consisting of a one-part or multi-part housing, which possibly in addition to the measuring elements that detect the flow, also part of the evaluating elements Receives electronics and introduced in the way in a gas or liquid flow is that only a partial proportion of the flow medium influences the measuring process.

Die Erfassung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Gas-oder Flussigkeitsströmung ist ein seit langem bekanntes Probleim. In der Meteorologie wird heute noch die Wind -geschwindigkeit mit schoufelförmigen Anordnungen ge -messen, die vom Wind angetrieben werden. Ein ähnliches Schaufelprinzip wird auch bei der Wasseruhr verwendet. Beide eßverfahren unterscheiden sich jedoch dadurch, daß bei der Windmessung das anströmende Medium auch an dem Meß -gerät vorbeiströmt, d.h. das Gerät wird nur von einem Teil der Strömung erfaßt, wdhrend z.B. bei der Wasseruhr die Gesamtmenge des Mediums durch die Meßkammer hindurchfließen muß.The detection of the propagation speed of a gas or liquid flow is a long-known problem. In meteorology today the Wind speed measured with a bowl-shaped arrangement, measured by the wind are driven. A similar scoop principle is also used in the water meter. Both eating methods differ, however, in that the wind measurement uses the incoming medium also flows past the measuring device, i.e. the device is only recorded by part of the current, while the total amount is recorded by the water meter, for example of the medium must flow through the measuring chamber.

Gegenstand dieser Erfindung sind Meßprinzipien, die nicht von der Gesamtmenge der Strömung durchflossen werden. FUr solche Messungen sind außer Schaufel-oder Auftriebsrödern auch andere Meßprinzipien bekannt geworden, z.B. das kalorimetrische Prinzip. Ein Meßelement wird aufgeheizt und in ein anströmendes Medium eingetaucht. Die Strömung nimmt hierbei einen Teil der Wärmeenergie des Meßelementes auf.This invention relates to measurement principles that are not of the Total amount of current to be traversed. For such measurements are except blade or Other measuring principles have also become known to buoyancy, e.g. the calorimetric Principle. A measuring element is heated up and immersed in a flowing medium. The flow absorbs part of the thermal energy of the measuring element.

Hierdurch wird das Meßelement abgekühlt. Diese Abkühlung wird in ein elektrisches Signal gewandelt, z.B. vermittels einer Widerstandsönderung.This cools the measuring element. This cooling is turned into a electrical signal converted, e.g. by means of a change in resistance.

Um bei solchen Meßprinzipien eine eichbare Abhbngigkeit zwischen der elektrischen Ausgangsgröße und der Mediumsgeschwindigkeit zu erhalten, ist eine laminare Strömung zwingend erforderlich. Bei industrieellen Anwendungen ist es jedoch häufig nur wichtig, zu erfohren, ob z.B. in einem KUhlsystem noch eine gewisse Mindestströmung oder Uberhaupt eine Strömung vorhanden ist. Zu diesem Zweck sind Strömungswächter entwickelt worden, die bei Erreichen einer Grenzströmung ein Schaltsignal abgeben. Wird von diesem Strömungswächter eine schnelle Reaktionsfähigkeit gefordert, so muß mit Me(3fuhlern kleinster Wdrmekopazitdt gearbeitet werden, z.B. mit in Gasstöben eingeschmolzenen NTC-Partikeln.In order to establish a verifiable dependency between the Obtaining electrical output and medium velocity is one laminar flow is essential. In industrial applications, however, it is It is often only important to find out whether, for example, there is still a certain minimum flow in a cooling system or there is a current at all. Flow monitors are used for this purpose have been developed which emit a switching signal when a limit flow is reached. If this flow monitor is required to be able to react quickly, see below must be worked with measuring 3 sensors of the smallest thermal capacity, e.g. with gas flares melted NTC particles.

Diese kleinen FUhler sind naturgemäß sehr bruchempfindlich und mechnaisch schnell zerstörbar.These small sensors are naturally very fragile and mechanically quickly destructible.

Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Meßfuhlergestaltung zu entwerfen, bei der diese Bruchgefdhrdung der nach dem kalorimetrischen Prinzip arbeitenden Meßfühler entscheidend herabgesetzt war.The object of the invention was therefore to design a measuring sensor, at which this risk of breakage works according to the calorimetric principle Sensor was significantly degraded.

Um dieses Zeil zu erreichen mußte grundsotzlich geprüft werden, ob fur den vorgesehenen Meßzweck eine laminare Strömung un -bedingt erforderlich war, denn alle bislang hergestellten FUhler waren so konstruiert, daß sie möglichst frei in das strömende Medium direkt hineinragten, d.h. die FUhler wurden so konstruiert, wie sie in physikalischen Anwendungen zur Messung von Gasgeschwindigkeiten benutzt wurden.In order to achieve this goal it was fundamentally necessary to check whether a laminar flow was absolutely necessary for the intended measurement purpose, because all sensors manufactured so far have been designed in such a way that they are as free as possible protruded directly into the flowing medium, i.e. the sensors were designed in such a way that as used in physical applications to measure gas velocities became.

Dieses Vorurteil, daß sich der Meßfühler möglichst frei in dem anströmenden Medium befinden muß, damit sich keine nichtlinearen Turbulenzen bilden können, besteht nicht zurecht, sondern fuhrt zwangsläufig zu " FUhlerabschUssen " durch die in der Strömung mitgeschemmten Teilchen, die z. B. aus KesselsteinbruchstUcken bestehen können.This prejudice that the sensor is as free as possible in the incoming flow Medium must be so that no non-linear turbulence can form not right, but inevitably leads to "FUhlerverschUssen" by those in the Flow entrained particles that z. B. consist of boiler quarry pieces can.

Nach dieser Erfindung ist eine Eichung einer Fühleranordnung auch möglich, wenn kUnstlich erzeugte Strömungsturbulenzen zur Kühlung des FUhlers ausgenutzt werden. Hiernach ist es nicht erforderlich die Meßelemente des Meßfühlers direkt in die Strömung einzubringen, sondern es genUgt, sie in einer Mulde des Meßfuhlerkopfes anzuordnen. Diese Mulde kann z.B. Kugel-Halbkugel- oder zylinderförmig ausgebildet sein , wobei die Strömung Uber die Mulde hinwegstreicht, ohne die Meßelemente direkt zu treffen. In solcher Mulde bilden sich in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit mehr oder weniger starke Wirbel aus, eine induzierte Sekundörströmung.According to this invention, a calibration of a sensor arrangement is also possible if artificially generated flow turbulence is used to cool the sensor will. Thereafter it is not necessary to directly contact the measuring elements of the sensor to be introduced into the flow, but it is sufficient to place it in a depression in the measuring sensor head to arrange. This trough can, for example, have a spherical, hemispherical or cylindrical shape be, the flow sweeps over the trough without the measuring elements directly hold true. Such troughs are formed depending on the flow velocity more or less strong eddies, an induced secondary flow.

Nach diesem Prinzip kUhlt nicht die laminare Strömung die Meßelemente, sondern die sekundäre, induzierte , ggf. turbulente Strömung. Auch diese Strömung kann zu einer Eichung, zumindest fUr eine Grenzströmungsgeschwindigkeit, benutzt werden. Nach Uberwindung des Eingangs genonnten Vorurteils fUr die Anwendung industrieeller Strömungswdchter , die das kalorimetrische Prinzip benutzen, ist es daher mühelos möglich, einen " abschußsicheren " MeßfUhler zu entwerfen.According to this principle, the laminar flow does not cool the measuring elements, but the secondary, induced, possibly turbulent flow. This current too can be used for a calibration, at least for a limit flow velocity will. After overcoming the prejudice mentioned above for the application of industrial It is therefore effortless to use flow monitors that use the calorimetric principle possible to design a "bulletproof" probe.

Wie schon beschrieben, wird der MeßfUhler so konstruiert, daß die empfindlichen Meßelemente in einer zylinder- oder kugelförmigen Einmuldung des Meßkopfes, der in die Strömung hineinragt, versenkt sind. Die Strömung fließt hierbei nur am offenen Rand der Mulde Vorbei. Innerhalb der offenen Meßkammer bildet sich eine sekundäre, kreisende Strömung aus, die von der Hauptströmung induziert wird. Diese induzierte Sekundorströmung und die Mediumsströmung sind einander weitgehend proportional. Oberschreitet die Mediumsströmung jedoch eine von den Abmessungen der Meßkammer abhängige Grenz -geschwindigkeit, so treten nichtlineare Turbulenzen auf.As already described, the measuring sensor is designed in such a way that the sensitive measuring elements in a cylindrical or spherical recess of the measuring head, which protrudes into the current are sunk. The current only flows on the open edge of the hollow over. One forms inside the open measuring chamber secondary, circular flow induced by the main flow. These induced secondary flow and the medium flow are largely proportional to each other. However, if the medium flow exceeds one of the dimensions of the measuring chamber dependent speed limit, non-linear turbulence occurs.

Erfindungsgemöß kann daher durch eine geeignete Dimensionierung der partiell offenen Meßkammer, wie z.B. durch Variation der Meßkammertiefe, des Meßkammerdurchmessers, der Meßkammerformgebung - wie Kantenabrundungen oder Kugelrodius-, die Mediums-Meß-Grenzgeschwindigkeit bestimmt werden, so daß für die häufigsten Anwendungen angepaßte Meßkammern entworfen werden können.According to the invention, therefore, by suitable dimensioning of the partially open measuring chamber, e.g. by varying the measuring chamber depth, the measuring chamber diameter, the shape of the measuring chamber - such as rounded edges or Kugelrodius-, the medium measuring limit speed can be determined so that measuring chambers adapted for the most common applications are designed can be.

Damit bei einem senkrechten Einbringen der Meßkammer in ein flUssiges Medium , z.B. Wasser, keine Luftblasen den Kontakt Meßelement-Wasser unterbrechen können, werden ggf. seitliche EntlUftungsbohrungen am Meßkopf angebracht.This means that when the measuring chamber is introduced vertically into a liquid Medium, e.g. water, no air bubbles interrupt contact between measuring element and water ventilation holes on the side of the measuring head can be made if necessary.

Ein entscheidender Vorteil ist nach dieser Erfindung aber nicht nur der Schutz der empfindlichen MeßfUhler gegen direkte Zerstörung durch von der Strömung mitgerissene Teilchen, sondern auch die Einfügung der z.B. glasumhullten NTC-Widerstände in eine metallische Bohrung am Boden der Meßmulde; denn in den bekannten Anwendungen werden die MenfUhler in Kunststoffteilen, die Bohrungen fUr die FUhler aufweisen, verankert, wie z.B. in PTFE-Teilen. Wegen der erheblich verschiedenen Ausdehnungs und Fließeigenschaften solcher Kunststoffe zu dem z.B. glasumhüllten Meßfühler, kann es zur Zerreißung des Meßfühlers innerhalb der Einbettungsbohrung kommen. Bei Wahl einer metallischen Durchfuhrung, kann dieser Zerretßungseffekt fast ausgeschaltet werden, insbesondere dann, wenn die Tiefe der Bohrung nicht zu groß und ein Spannungsausgleichendes Einbettungsmaterial als Trennschicht zwischen Meßfühler und metallischer Bohrung - z.B. Epoxidharz -, gebracht wird.However, this invention is not the only decisive advantage the protection of the sensitive measuring sensors against direct destruction by the flow entrained particles, but also the insertion of e.g. glass-encased NTC resistors into a metallic hole in the bottom of the measuring well; because in the known applications the menu sensors are in plastic parts that have holes for the sensors, anchored, e.g. in PTFE parts. Because of the vastly different stretch and flow properties of such plastics to the e.g. glass-encased sensor, the probe inside the embedding bore can tear. at Choosing a metallic bushing can almost eliminate this tearing effect especially if the depth of the hole is not too great and a stress equalizer Embedding material as a separating layer between the sensor and the metal bore - e.g. epoxy resin - is brought.

Anhand eines AusfUhrungsbeispiels wird die Erfindung ner erläutert.The invention is explained using an exemplary embodiment.

Ein zylindrischer Edelstahlstab (l) ist beidseitig auf -gebohrt (2). Beide Bohrungen sind durch eine Trennwand (3) voneinander getrennt. Diese Trennwand enthält in ihrer Mitte zwei kleine Bohrungen (4), durch die hindurch zwei in GlashUlsen eingeschmolzene NTC-Widerstdnde (5) hindurch -geführt sind. Ein Widerstand dient der Messung der Mediumstemperatur, der andere kann Energie an das strömende Medium abgeben. Die GlashUlsen sind mit Epoxidharz in den Bohrungen verklebt (6). Die Bohrung auf der Seite der Anschlußdrähte ist mit Harz aufgefüllt (7). In der Meßkammer sind EntiUftungsbohrungen angebracht (8). Die Meßelemente (5) befinden sich am Boden der Meßkammer (9) . Das zu erfassende Medium (10) streicht nur Uber den offenen Teil der Meßkammer (11) hin -weg.A cylindrical stainless steel rod (l) is drilled open on both sides (2). Both holes are separated from one another by a partition (3). This partition contains two small holes (4) in the middle, through which two in glass sleeves Fused NTC resistors (5) are passed through. A resistance serves the measurement of the medium temperature, the other can transfer energy to the flowing medium hand over. The glass sleeves are glued into the holes with epoxy resin (6). The hole on the side of the connecting wires is filled with resin (7). Are in the measuring chamber Vent holes attached (8). The measuring elements (5) are on the floor the measuring chamber (9). The medium (10) to be detected only brushes over the open one Part of the measuring chamber (11) away.

Zur Vereinfachung der Fuhlerherstellung kann dieser Teil des Meßkopfes, der die Meßmulde enthalt, als separates Einschraubteil gefertigt sein (12). Eine haibkugelförmige Ausbildung der Meßkammer ist in (13) dargestellt.To simplify the production of the sensor, this part of the measuring head, which contains the measuring trough, be manufactured as a separate screw-in part (12). One The hemispherical design of the measuring chamber is shown in (13).

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Claims

Claims 1.

Measuring sensors for the detection of gas and liquid flows, consisting from a one-part or multi-part housing which, if necessary, apart from the one that detects the flow Measuring elements also part of the evaluating electronics takes up and in the way is introduced into a gas or liquid stream that only a partial proportion of the flow medium influences the measuring process and its function on the calorimetric Principle based, characterized in that the flow sensing elements are arranged in a trough of the measuring sensor, in such a way that they are below of the tangential level of the medium flow.

2.

Measuring sensor according to Claim 1, characterized in that the measuring sensors are arranged in a cylindrical bore which is open to the flow.

3.

Measuring sensor according to Claims 1 and 2, characterized in that the trough Partly spherical.

4th

Measuring sensor according to Claims 1 to 3, characterized in that the Has sensor vent holes.

5.

Measuring sensor still claims 1 to 4, characterized in that the The measuring trough containing part of the sensor is designed to be screwed on separately.

6th

Measuring sensor according to Claims 1 to 5, characterized in that the sensor housing made of plastic and / or ceramic.

7th

Measuring sensor according to Claims 1 to 6, characterized in that the Measuring elements are glass-encased NTC or PTC resistors.

8th.

Measuring sensor according to Claims 1 to 7, characterized in that the Measuring elements are constructed in such a way that they 9-means of a heating element are heated and the temperature measured by means of a temperature sensor will.

9.

Measuring sensor according to Claims 1 to 8, characterized in that the Sensor has two measuring elements, one of which is measuring olemont exclusively for the medium temperature and the other measures the energy dissipation.