DE2934565A1

DE2934565A1 - Thermal measurement of fluid flow speed - using thick film heater and downstream temp. sensors on ceramic foil

Info

Publication number: DE2934565A1
Application number: DE19792934565
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Peter 8000 München Kleinschmidt; Dipl.-Phys. Valentin Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-08-27
Filing date: 1979-08-27
Publication date: 1981-03-19

Abstract

A thermal measurement device ascertains speeds of fluid flow less than 2 m/sec. It has a heating wire periodically heating the fluid which passes downstream to a temp. sensor. The phase difference between the heating effects at the two points is measured. Errors due to the variation of heater warm-up time with flow speed are eliminated. The heating element is placed a given distance in front of the start of the measurement section and an additional temp. sensor is placed at the start of the measurement section. The heating and sensors may be mounted on an insulating carrier stretching down the channel in the direction of flow. This may consist of ceramic foil carrying a thick film resistor heating element. A polarised ferro-electric temp sensor is used.

Description

Vorrichtung zur thermischen Messung von Strdmungs-Device for the thermal measurement of flow

geschwindigkeiten Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur thermischen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere unter 2 m/sec, eines fließenden Mediums mit einem Heizelement zur periodischen Erwärmung des an ihm vorbeiströmenden Mediums, mit einem Temperaturfühler am Ende einer Meßstrecke vorbestimmter Länge in dem Medium sowie mit Einrichtungen zur Ermittlung der zeitlichen Phasendifferenz der Erwärmung zwischen den Begrenzungspunkten der Meßstrecke. Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-AS 25 00 897 bekannt.speeds The invention relates to an apparatus for thermal measurement of flow velocities, especially below 2 m / sec, a flowing medium with a heating element for periodic heating of the medium flowing past it, with a temperature sensor at the end of a measuring section predetermined length in the medium and with devices for determining the temporal Phase difference of the heating between the limiting points of the measuring section. One Such a device is known from DE-AS 25 00 897.

Bei dieser Vorrichtung wird ein strömendes Medium mittels eines in dem Medium angeordneten Heizelementes, beispielsweise mit einem Heizdraht, durch periodisches Aufheizen markiert. Das Medium strömt dann an eine.In this device, a flowing medium by means of an in the medium arranged heating element, for example with a heating wire, through periodic Heating marked. The medium then flows to a.

Temperaturfühler vorbei, der in einem vorbestimmten Abstand von dem Heizelement in Strömungsrichtung angeordnet ist. An diesem Temperaturftihler, der beispielsweise ein Widerstandsdraht ist, wird dabei durch das periodisch aufgeheizte Medium eine Wechselspannung mit der Frequenz des Aufheizens hervorgerufen. Aus der Phasendifferenz zwischen den Zeitpunkt der Erwärmung des Mediums an dem Heizelement und dem Zeitpunkt der entsprechenden Erwärmung des Temperaturfühlers durch den gleichen aufgeheizten Bereich des Mediums kann dann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden.Temperature sensor over, which is at a predetermined distance from the Heating element is arranged in the direction of flow. On this temperature sensor, the is for example a resistance wire, is heated by the periodically Medium caused an alternating voltage with the frequency of heating. From the Phase difference between the point in time when the medium was heated on the heating element and the time of the corresponding heating of the temperature sensor by the same The flow rate can then be determined in the heated area of the medium will.

Bei dieser Vorrichtung ist die Meßstrecke zur Bestimmung der zeitlichen Phasendifferenz auf der einen Seite von dem Heizelement und auf der anderen Seite von dem Temperaturfühler begrenzt. Hierbei ergibt sich Jedoch die Schwierigkeit, daß die Aufheizzeit des Heizelementes nicht gleich der Ansprechzeit des Temperaturfühlers ist. Da ferner die Aufheizzeit bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten größer als bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten ist, sind die den zwischen dem Heizelement und dem Temperaturfühler ermittelten Phasendifferenzen zugeordneten Geschwindigkeitswerte dementsprechend ungenau.In this device, the measuring section is used to determine the temporal Phase difference on one side of the heating element and on the other limited by the temperature sensor. Here, however, the difficulty arises that the heating-up time of the heating element does not equal the response time of the temperature sensor is. Furthermore, since the heating-up time is greater than at higher flow velocities at low flow velocities, those are those between the heating element and the speed values associated with the phase differences determined by the temperature sensor accordingly imprecise.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die bekannte Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß die von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Aufheizzeiten die gemessenen Werte der Phasendifferenz und somit die zuzuordnenden Werte der StrOmungßgeschwindigkeit praktisch nicht verfälschen.The object of the present invention is therefore to provide the known device to the effect that the heating times dependent on the flow rate the measured values of the phase difference and thus the values of the flow rate to be assigned practically do not falsify.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Heizelement um ein vorbestimmtes Maß vor dem Anfang der Meßstrecke angeordnet ist und daß der erste Begrenzungspunkt der Meßstrecke ein weiterer Temperaturfühler ist.According to the invention, this object is achieved in that the heating element is arranged by a predetermined amount in front of the beginning of the measuring section and that the The first limit point of the measuring section is another temperature sensor.

Die Vorteile dieser Ausbildung der Vorrichtung bestehen insbesondere darin, daß die Meßstrecke mit zwei auf Temperaturschwankungen gleich reagierenden Temperaturfühlern auszustatten ist und so bei den an diesen Temperaturfühlern erzeugten MeBsignalen die gleiche Aufheizzeit zugrundezulegen ist. Bei der Bildung des Wertes der zeitlichen Phasendifferenz zwischen diesen beiden Signalen wird dann aber die Aufheizzeit eliminiert; d.h., dieser Wert ist praktisch unbeeinflußt von den Aufheizzeiten des Heizelementes.The advantages of this design of the device exist in particular in that the measuring section with two reacts identically to temperature fluctuations Is to equip temperature sensors and so in the case of the temperature sensors generated at these temperature sensors The same heating-up time is to be used as a basis for measuring signals. In forming the value the time phase difference between these two signals is then the Heat-up time eliminated; i.e. this value is practically unaffected by the heating times of the heating element.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further advantageous embodiments of the device according to the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung nach der Erfindung. In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform einer solchen Vorrichtung schematisch veranschaulicht.The invention is explained in greater detail below with reference to the drawing. 1 shows schematically a device according to the invention. In Fig. 2 is another embodiment of such a device schematically illustrates.

Die in Fig. 1 im Längsschnitt angedeutete Vorrichtung zur thermischen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten kann insbesondere zur Messung des Kraftstoffdurchsatzes für den Motor eines Kraftfahrzeuges oder des Wasserzuflusses bei Haushaltsmaschinen vorgesehen sein. Die Vorrichtung enthält ein Meßrohr 2, durch das die zu bestimmende Menge eines flüssigen Mediums M mit einer Geschwindigkeit v hindurchfließt. Als Sender zur Markierung von einzelnen Bereichen des vorbeifließenden Mediums durch eine höhere Temperatur ist in dem Rohr ein Heizelement 3 vorgesehen, durch das über zwei elektrische Anschlußleitungen 4 und 5 periodisch ein elektrischer Strom einer in der Figur nicht dargestellten Stromquelle geleitet wird. Bei einer konstanten Heizleistung nimmt die Temperaturdifferenz zwischen dem aufgeheizten und nichtaufgeheizten Medium mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit ab; dieser Nachteil kann vorteilhaft durch die Verwendung eines Kaltleiters als Heizelement vermieden werden. Bei Betrieb an konstanter Heizspannung wirkt dieses selbstregelnd in der Weise, daß es bei erhöhter Wärmeableitung mehr Heizleistung aufnimmt. Entsprechend wirkt auch ein Heißleiter bei konstantem Strom.The indicated in Fig. 1 in longitudinal section device for thermal Measurement of flow velocities can be used in particular to measure the fuel throughput for the engine of a motor vehicle or the water supply in household machines be provided. The device contains a measuring tube 2 through which the to be determined Amount of a liquid medium M flows through it at a velocity v. as Transmitter for marking individual areas of the passing Medium a heating element 3 is provided in the tube by means of a higher temperature periodically an electrical one via two electrical connection lines 4 and 5 Current is conducted from a power source not shown in the figure. At a constant heating power takes the temperature difference between the heated and unheated medium with increasing flow velocity; this Disadvantage can be advantageous through the use of a PTC thermistor as a heating element be avoided. When operated at constant heating voltage, this has a self-regulating effect in such a way that it absorbs more heating power with increased heat dissipation. Corresponding an NTC thermistor also works at constant current.

Im selbstregelnden Betrieb kann außerdem dann eine gefährliche Uberhitzung des Heizelementes bei Ausfall des strömenden Mediums, beispielsweise beim Auftreten von Luftblasen, mit Sicherheit vermieden werden.In self-regulating operation, dangerous overheating can also occur of the heating element in the event of failure of the flowing medium, for example when it occurs of air bubbles, to be avoided with certainty.

In Strömungsrichtung gesehen befindet sich in dem Me8-rohr 2 in einem nicht zu großen Abstand a von dem Heizelement 3 ein erster Temperaturftfliler 7 mit elektrischen Anschlußleitungen 8 und 9. Dieser Temperaturfühler stellt gemäß der Erfindung den vorderen Begrenzungspunkt einer Meßstrecke vorgegebener Länge 1 dar. Der hintere Begrenzungspunkt der MeSstrecke wird durch einen weiteren, dem Meßftfhler 7 entsprechenden Temperaturfühler 11 mit elektrischen Anschlußleitungen 12 und 13 gebildet. FUr die Temperaturftihler wird vorteilhatt das gleiche Kalt- oder Heißleitermaterial des Heizelementes 3 vorgesehen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung auch zur Messung von Strömungen wechselnder Richtung erweitert werden.Seen in the direction of flow, the Me8 tube 2 is in one A first temperature filter 7 is not too great a distance a from the heating element 3 with electrical connection lines 8 and 9. This temperature sensor is in accordance with of the invention, the front limit point of a measuring section of predetermined length 1. The rear limit point of the measuring section is marked by another, the Measuring sensor 7 corresponding temperature sensor 11 with electrical connection lines 12 and 13 formed. The same cold temperature is advantageously used for the temperature or thermistor material of the heating element 3 is provided. In this way, the Device can also be expanded to measure currents in alternating directions.

In der Figur sind ferner durch das Heizelement 3 einzelne, auf eine Temperatur 2a aufgeheizte Temperaturbereiche durch eine Schraffierung angedeutet, während die übrigen Bereiche des Mediums M sich auf einer Temperatur g befinden sollen. Wird nun an dem Heizelement 3 eine periodische Temperaturänderung durch einen entsprechenden Strom mit einer Frequenz cv eingestellt, so kann aus dem Phasenwinkel y zwischen dem Signal an dem ersten Temperaturfühler 7 und dem zweiten Temperaturfühler 11 die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bestimmt werden. Dabei gilt für die Laufzeit t für die Meßstrecke 1 zwischen den beiden Temperaturfühlern: t l/v und für den Phasenwinkel t = CM . t = 1/v w l. 1.In the figure are also by the heating element 3 individual, on one Temperature 2a heated temperature ranges indicated by hatching, while the remaining areas of the medium M are at a temperature g should. If the heating element 3 is now subjected to a periodic temperature change a corresponding current with a frequency cv is set, then the phase angle y between the signal at the first temperature sensor 7 and the second temperature sensor 11 the flow velocity of the medium can be determined. The following applies to the Running time t for measuring section 1 between the two temperature sensors: t l / v and for the phase angle t = CM. t = 1 / v w l. 1.

Bei Verwendung von ferroelektrischem Material für die Temperaturfühler einer Vorrichtung nach der Erfindung kann ein in Fig. 2 als Längsschnitt angedeuteter Aufbau vorgesehen werden, der besonders einfach herzustellen ist. In .einem Meßrohr 2 ist auf einem geeigneten Trägerkörper 15, beispielsweise auf einer dünnen PZT-Keramikfolie, ein Dickschichtwiderstand 16 als Heizelement aufgedruckt, der über Leitungen 17 und 18 anzuschließen ist. Auf dem Trägerkörper sind ferner zwei die Meßstrecke begrenzende Temperaturfühler 20 und 21 aus einem polarisierten, ferroelektrischen Material aufgebracht, die beidseitig mit Elektroden 22 und 23 bzw. 24 und 25 versehen sind. Aufgrund des Pyroeffektes werden dann an diesen Temperaturfühlern 20 und 21 Temperaturschwankungen in Schwankungen der elektrischen Spannung an ihren Elektroden umgewandelt. Eine Uberhitzung des Heizelementes 16 kann bei einer zweckentspre- chenden Dimensionierung durch Wärme ableitung über die Keramikfolie 15 vermieden werden.When using ferroelectric material for the temperature sensors a device according to the invention can be indicated in Fig. 2 as a longitudinal section Structure can be provided which is particularly easy to manufacture. In .a measuring tube 2 is on a suitable carrier body 15, for example on a thin PZT ceramic film, a thick-film resistor 16 is printed as a heating element, which is connected via lines 17 and 18 is to be connected. On the carrier body there are also two delimiting the measuring section Temperature sensors 20 and 21 made of a polarized, ferroelectric material applied, which are provided with electrodes 22 and 23 or 24 and 25 on both sides. Because of the Pyro effects are then at these temperature sensors 20 and 21 temperature fluctuations converted into fluctuations in the electrical voltage on their electrodes. One Overheating of the heating element 16 can occur with an appropriate related Dimensioning by dissipating heat via the ceramic film 15 can be avoided.

Wie in Fig. 2 ferner angedeutet ist, kann durch eine dem durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Profil der Strömung des Mediums M entsprechende Heizelement- und Temperaturfühlergeometrie eine Bestimmung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit f erreicht werden. Bei gegebener mittlerer Geschwindigkeit r des strömenden Mediums ist der mittlere Abstand der an einem Stromfaden liegenden Teile der beiden Temperaturfühler 20 und 21 der Geschwindigkeit des Stromfadens reziprok. Die Wichtung der verschiedenen Geschwindigkeitsanteile kann durch eine örtliche Variation der Elektrodenbreite der Teaperaturftihler erfolgen. An dem Heizelement 16 ergibt sich eine Wichtung automatisch, da die Randzonen ohnehin wegen der hier geringeren Fließgeschwindigkeit stärker aufgeheizt werden. Aufgrund des in der Figur angegebenen Profils der Strömung sind das Heizelement 16 in Strömungsrichtung gesehen konvex-konkav, der den vorderen Begrenzungapunkt der Meßstrecke bildend erste Temperaturfühler 20 konkar-konkar und der den hinteren Begrenzungspunkt der Meßstrecke bildende zweite Temperaturfühler 21 konkav-konvex gewdlbt.As is also indicated in Fig. 2, can by one by a dashed line indicated profile of the flow of the medium M corresponding Heating element and temperature sensor geometry determine the mean flow velocity f can be achieved. For a given mean speed r of the flowing medium is the mean distance between the parts of the two temperature sensors that are on a current filament 20 and 21 reciprocate the speed of the stream filament. The weighting of the various Speed components can be determined by a local variation of the electrode width the tea temperature cooler. There is a weighting on the heating element 16 automatically, since the edge zones anyway because of the lower flow velocity here be heated up more. Due to the profile of the flow indicated in the figure are the heating element 16 seen in the direction of flow convex-concave, the front The first temperature sensor 20, concave-concave, forms the delimitation point of the measuring section and the second temperature sensor forming the rear limit point of the measuring section 21 concave-convex arched.

8 Patentansprüche 2 Figuren Zusammenfassung Vorrichtung zur thermischen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten Strömungageschwindigkeiten, insbesondere unter 2 m/sec, eines fließenden Mediums lassen sich mit Hilfe eines thermischen Markierungsvertahrens messen. Eine entsprechende Meßvorrichtung enthält ein Heizelement zur periodischen Erwärmung des an ihm vorbeiströmenden Mediums, ferner einen Temperaturfühler am Ende einer Meßstrecke vorbestimmter Länge sowie Einrichtungen zur Ermittlung der zeitlichen Phasendifferenz der Erwärmung zwischen den Begrenzungspunkten der Meßstrecke. Die Strömungageschwindigkeit sowie der Aufbau des Heizelementes und des Temperaturfühlers kennen Jedoch den Meßwert der Phasendifferenz verfälschen1 Die Erfindung sieht deshalb vor, daß das Heizelement (3) um ein vorbestimmtes Maß (a) vor dem Anfang der Meßstrecke (l) angeordnet ist und daß der erste Begrenzungapunkt der Meßstrecke (l) ein weiterer Temperaturfühler (7) ist, Insbesondere können baugleiche Temperaturfühler (7, 11) aus einem Kalt- oder Heißleitermaterial vorgesehen werden (Fig. 1).8 claims 2 figures Summary device for thermal measurement of flow velocities flow velocities, especially below 2 m / sec, a flowing medium can be with the help of a measure thermal marking process. Contains a corresponding measuring device a heating element for periodic heating of the medium flowing past it, also a temperature sensor at the end of a measuring section of predetermined length and Devices for determining the time phase difference of the heating between the limit points of the measuring section. The flow velocity as well as the structure However, the heating element and the temperature sensor know the measured value of the phase difference falsify1 The invention therefore provides that the heating element (3) by a predetermined Dimension (a) is arranged in front of the beginning of the measuring section (l) and that the first delimitation point the measuring section (l) is a further temperature sensor (7), in particular structurally identical Temperature sensors (7, 11) made of a cold or thermistor material can be provided (Fig. 1).

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Claims

Claims 12 device for thermal measurement of flow velocities, especially below 2 m / sec, a flowing medium with a heating element for periodic Heating of the medium flowing past it, with a temperature sensor at the end a measuring section of a predetermined length in the medium and with devices for determination the temporal phase difference of the heating between the limiting points of the Measuring section, d a d u r c h e k e n n n z e i c h -n e t that the heating element (3; 16) is arranged by a predetermined amount (a) in front of the beginning of the measuring section (1) and that the first limit point of the measuring section (1) is a further temperature sensor (7; 20) is.

2. Measuring device according to claim 1, g e k e n n -z e i c h n e t through a cold or thermistor as a heating element (3; 76).

3. Measuring device according to claim 1 or 2, g e -k e n n z e i c h n e t by temperature sensors (7, 11) made of a cold or thermistor material.

4. Measuring device according to one of claims 1 to 3, g e k e n n z e i c h n e t by a carrier body (15) extending in the direction of flow made of thermally insulating material on which the heating element (16) and the temperature sensor (20, 21) are applied (Fig. 2).

5. Measuring device according to claim 4. g e k e n n -z e i c h n e t through a ceramic film (15) as the carrier body.

6. Measuring device according to claim 4 or 5, g e -k e n n z e i c h n e t by a thick-film resistor printed on the carrier body (15) as Heating element (16).

7. Measuring device according to one of claims 1 to 6, g e k e n n z e i c h n e t by at least one temperature sensor (20, 21) made of a polarized, ferroelectric material with electrodes (22, 23; 24, 25) for determining heat fluctuations with the help of the pyro effect.

8. Measuring device according to one of claims 1 to 7, d a d u r c h it is not indicated that the shape of the heating element (16) and / or the Temperature sensor (20, 21) is adapted to the flow profile of the medium (M) (Fig. 2).