CH626452A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroströmungsfühler für Gase, insbesondere für Infrarot-Gasanalysengeräte, bestehend aus einem Heizleiter und zwei im Einflussbereich des Heizleiters angeordneten Widerstandsthermometern, welche aus dünnem Draht bestehen und zwischen dickeren Anschlussdrähten gehalten sind.

Bei einigen physikalischen Messverfahren geht es darum, in Gasen sehr kleine pulsierende Drücke oder Volumenströme zu messen. Hierzu gehören beispielsweise die Infrarot-Gasanalyse, Leckmessungen in niedrigen Empfindlichkeitsbereichen, Atemmessungen in der Medizin oder andere Messungen mit sehr geringem Gasverbrauch aufgrund eines Vorganges.

Für die Messung von Gasvolumen-Strömen können Mikroströmungsfühler der eingangs beschriebenen Gattung verwendet werden, die auch als Hitzdrahtanemometer bezeichnet werden. Unter einem schnellen Mikroströmungsfühler für Gase versteht man ein Strömungs-Messystem für sehr kleine Volu-men-Ströme, dessen funktionsbildende Elemente zwei oder mehrere, über eine Gasstrecke temperaturgekoppelte, zum Teil massearme Festkörpergebilde darstellen. Dabei wird von einem erwärmten Festkörpergebilde, das z.B. ein relativ träges, massebehaftetes Teil sein kann, in dem zu messenden Gas eine heisse Wolke aufgebaut, die durch ein Isothermenfeld beschrieben werden kann. Eine erzwungene Strömung verformt diese Gaswolke bzw. das Isothermenfeld. Durch einen oder mehrere massenarme Temperaturfühler, die innerhalb der Gaswolke angeordnet sind, kann ein in Grenzen strömungsproportionales Signal erzeugt werden.

Die Forderung nach geringer Masseträgheit der Temperaturfühler führt beispielsweise zu Widerstandsthermometern aus äusserst dünnen Widerstandsdrähten, deren Durchmesser zwischen etwa 0,5 und 5 • 10~3 mm liegt. Eine geringe Massenträgheit ist deswegen erforderlich, damit die Widerstandsthermometer auch noch bei pulsierenden Gasströmungen in der Grössenordnung zwischen etwa 10 und 50 Hz ein ausreichendes Auflösungsvermögen besitzen.

Bei einem Strömungsfühler für kleinste Strömungen muss ausserdem dafür gesorgt werden, dass keinerlei freie Konvek-5 tion innerhalb des Fühlers auftreten kann, die im Gegensatz zur erzwungenen Konvektion des Messeffektes steht, Dies erfordert Abmessungen des aktiven Fühlervolumens, die bei etwa 1 mm3 und darunter liegen. Die Länge der Widerstandsthermometer soll dabei nach Möglichkeit zwischen 0,4 und 1,5 mm liegen, io Aus den vorstehend genannten Forderungen und Konstruktionsvorschriften ergibt sich, dass ein derartiger Mikroströmungsfühler ein extremes Produkt der Feinwerktechnik mit hohen Anforderungen an die Präzision der Fertigung ist. Hiermit sind notwendigerweise hohe Gestehungskosten mit erheblichem 15 Lohnanteil verbunden.

Durch die Dissertation von Dr. Günter Schunck «Schnelle Messfühler für kleine Gasströme», 9. Dezember 1974, Fakultät für Elektrotechnik der Universität Karlsruhe, ist ein Mikroströmungsfühler der eingangs beschriebenen Gattung vorbekannt. 20 Bei dem bekannten Mikroströmungsfühler sind der Heizleiter und die beiden Widerstandsthermometer unabhängig voneinander an Anschlussdrähten aufgehängt, die aufgrund ihrer federnden Ausbildung eine thermische Längenausdehnung zulassen. Während ein derartiger Mikroströmungsfühler den an ihn ge-25 stellten messtechnischen Forderungen in vollem Umfange genügt, hat es sich in der Praxis gezeigt, dass er empfindlich gegen Erschütterungen und kostspielig in der Fertigung ist. Durch die bei manchen Messgeräten unvermeidlichen Erschütterungen tritt gelegentlich eine Zerstörung der empfindlichen Wider-30 standsthermometer auf. Auch bei der Montage ergeben sich Probleme, da die Widerstandsthermometer einzeln an eingeschmolzenen Anschlussdrähten befestigt werden müssen, wobei sie mechanisch nicht überfordert werden dürfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikro-35 strömungsfühler der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, der wesentlich unempfindlicher gegen Erschütterungen und mit geringerem Aufwand sowie geringerem Ausschuss herstellbar ist.

40 Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Mikroströmungsfühler erfindungsgemäss dadurch, dass die Anschlussdrähte für die Widerstandsthermo-meter am Heizleiter befestigt sind. Tragendes Element für die Widerstandsthermometer ist somit der ausserordentlich stabile 45 Heizleiter, der üblicherweise aus Platin besteht und einen Durchmesser zwischen etwa 15 und 30 • 10~3 mm besitzt. Dieser Heizleiter ist mindestens einseitig, vorzugsweise sogar beidseitig elastisch aufgehängt, so dass etwaige Erschütterungen elastisch aufgefangen werden. Durch die Befestigung der Anso schlussdrähte am Heizleiter erfolgt unter dem Einfluss der wechselseitigen Erwärmung eine gleichsinnige Ausdehnung, so dass die empfindlichen Widerstandsthermometer mechanisch nur unwesentlich beansprucht werden. Die Fertigung gestaltet sich wesentlich einfacher dadurch, dass die feinen Widerstands-55 thermometer zunächst am Heizleiter befestigt, d.h. mit den am Heizleiter angebrachten Anschlussdrähten verbunden werden, bevor die Gesamtanordnung auf einer Grundplatte oder dergleichen befestigt wird.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn der zwischen den Wider-60 standsthermometern angeordnete Anschlussdraht elektrisch leitend mit dem Heizleiter verbunden ist, und wenn die beiden übrigen Anschlussdrähte mittels eines Isolierkörpers am Heizleiter befestigt sind. Auf diese Weise dient der Heizleiter gleichzeitig als eine der Abgriffstellen für die Messspannung, so dass 65 ein Anschluss bzw. eine Durchführung eingespart wird.

Eine besonders einfache Ausführung ergibt sich dann, wenn der Isolierkörper eine Glasperle ist, in welche der Heizleiter und zwei der Anschlussdrähte eingeschmolzen sind.

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Im Hinblick auf die mechanischen Spannungen in den Wi-derstandsthermometern, die auf unterschiedliche thermische Ausdehnungen im System zurückzuführen sind, ergeben sich besondere Vorteile dann, wenn die Widerstandsthermometer bogenförmig gestaltet sind und an ihren Enden tangential in die Anschlussdrähte übergeben. Durch eine solche Ausbildung, deren Geometrie in den Figuren näher erläutert ist, wird erreicht, dass die entsprechenden Abbiegungen der Anschlussdrähte in Verbindung mit der Krümmung der Widerstandsthermometer deren Ausbiegung vorgegeben ist, so dass die Thermometerdrähte eine eindeutige räumliche Fixierung zuverlässig erhalten.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Einzelheiten werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf einen Mikroströmungsfühler, der in eine Messanordnung für ein Infrarot-Gasanalysengerät eingebaut ist,

Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie II — II in Figur 1 und

Figur 3 einen vergrösserten Teilausschnitt aus Figur 1, ergänzt durch die Zuordnung eines schematischen Messkreises in Form einer Brückenschaltung.

In den Figuren 1 und 2 ist eine Grundplatte bezeichnet, die von einem Befestigungsflansch 11 umgeben ist. In der Grundplatte sind drei Durchführungsisolatoren 12,13 und 14 angeordnet, von denen in Figur 2 nur zwei sichtbar sind. In den Durchführungsisolatoren befinden sich Anschlussstifte 12a, 13a und 14a für die Zuführung des Heizstroms und den Abgriff der Messspannung, worauf im Zusammenhang mit Figur 3 noch näher eingegangen wird. Ein weiterer Anschlussstift 15a dient für die Masseverbindung und ist elektrisch leitend mit der Grundplatte 10 verbunden.

Mit dem Anschlussstift 14a ist über einen Federbügel 16, der aus einer Platin- Iridium-Legierung besteht, ein Heizleiter 17 verbunden, dessen anderes Ende über einen Stützdraht 18 mit der Grundplatte 10 und damit mit Masse in Verbindung steht.

Etwa in der Mitte des Heizleiters 17 befindet sich eine Anordnung 19 aus Anschlussdrähten und Widerstandsthermometern, auf die der Übersichtlichketi halber im Zusammenhang mit Figur 3 näher eingegangen wird. Es sei hier lediglich so viel erwähnt, dass die Anschlussenden der Anordnung 19 mit den Anschlusstiften 12a und 13a verbunden sind. Beiderseits der Anordnung 19 befinden sich zwei Kammern 20 und 21, deren Austrittsöffnungen 22 und 23 einander gegenüber liegen und auf die Anordnung 19 ausgerichtet sind. Die Kammern 20 und 21 sowie die Austrittsöffnungen 22 und 23 werden durch entsprechend profilierte, planparallele Segmentkörper 24 und 25 gebildet, die spiegelbildlich angeordnet sind. Die Anordnung nach den Figuren 1 und 2 setzt sich nach oben hin in einem Gehäuse (nicht dargestellt) fort in dem gasgefüllte grössere Kammern und Verbindungskanäle angeordnet sind, die zu den Kammern 20 und 21 führen. Diese grösseren Kammern erzeugen bei abwechselnder periodischer Beaufschlagung mit Strahlungsenergie, z.B. Infrarot-Strahlung eine zwischen den Kammern 20 und 21 hin und her pulsierende Strömung, wobei die Anordnung 19 von der sich durch die Austrittsöffnungen 22 und 23 ausbildenden Gasströmung getroffen wird. In Figur 3 sind gleiche Teile wie bisher mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Anordnung 19 besteht aus drei Anschlussdrähten 26,27 und 28, von denen die Anschlussdrähte 26 und 27 wie dargestellt schwach gekröpft ausgebildet und gemeinsam mit dem 5 Heizleiter 17 in einen aus Glas bestehenden Isolierkörper 29 eingeschmolzen sind. Die Anschlussdrähte 26 und 27 ragen nach beiden Seiten aus dem Isolierkörper 29 hervor und sind über Zwischenleitungen 30 und 31 mit den Anschlussstiften 12a und 13a verbunden. Die jenseitigen Enden der Anschlussdrähte io26 und 27, die wie der Heizleiter 17 aus Platin bestehen, sind an Lötstellen 32 und 33 mit Widerstandsthermometern 34 und 35 verbunden, die eine schwach bogenförmig gekrümmte Form aufweisen. Die beiden anderen Enden der Widerstandsthermometer sind über Lötstellen 36 und 37 mit dem Anschlussdraht 1528 verbunden, der U-förmig gebogen und am Knotenpunkt 38 elektrisch leitend mit dem Heizleiter 17 verbunden ist.

Es ist zu erkennen, dass die Enden der Anschlussdrähte 26, 27 und 28, die mit den Widerstandsthermometern 34 und 35 verbunden bzw. verlötet sind, unter einem spitzen Winkel zum 2oHeizleiter 17 verlaufen, und dass die Widerstandsthermometer 34 und 35 tangential in die Anschlussdrähte übergehen. Dies hat zusätzlich zu der oben angegebenen Wirkung den Vorteil, dass durch diese Biegung der Anschlussdrähte die Krümmung bzw. der bogenförmige Verlauf der Widerstandsthermometer 25 bei der Montage durch Löten zwangsläufig vorgegeben wird.

Die Anordnung 19, deren Elemente sämtlich in einer Ebene liegen, bildet zusammen mit dem Heizleiter 17 und dem Federbügel 16 eine selbsttragende Einheit, die bei der Montage lediglich noch mit den Anschlusstiften 12a, 13a und 14a bzw. mit der 30 Grundplatte 10 verbunden werden muss.

Beim Betrieb des Mikroströmungsmessers beispielsweise im Rahmen eines Infrarot-Gasanalysengerätes bildet sich eine pulsierende Wechselströmung aus, die durch die einfachen bzw. doppelten Pfeile in den Austrittsöffnungen 22 und 23 in Figur 3 35 gekennzeichnet ist. Durch diese Strömungen wird das Isothermenfeld, welches sich im Ruhezustand koaxial zum Heizleiter 17 ausbildet, definiert gestört, wobei das zuerst angeströmte Widerstandsthermometer abgekühlt und das danach angeströmte Widerstandsthermometer aufgeheizt wird. Durch diesen Ef-40 fekt wird die eingestellte Symmetrie einer Brückenschaltung 40 gestört, die aus den Widerstandsthermometern 34 und 35, aus zwei Widerständen R0 und einer Diagonal-Leitung D besteht, in der ein auf die zu messende Grösse geeichtes Spannungsmessgerät 39 für die Diagonalspannung angeordnet ist. An Klemmen « 41 wird eine Brückenspannung Ub angelegt, an Klemmen 42 eine Heizspannung Uh für den Heizleiter 17. Es gilt der Grundsatz, dass die Widerstände Rq vielfach grösser sind als die Widerstände der Widerstandsthermometer 34 und 35. Die messtechnische Verarbeitung der Widerstandsänderungen an den so Widerstandsthermometern ergibt sich aufgrund der nicht näher bezeichneten Leitungsführung, die im übrigen, für sich genommen, Stand der Technik ist und daher nicht weiter erläutert zu werden braucht. Hinsichtlich der Drahtdurchmesser sie noch erwähnt, dass die Dicke der Anschlussdrähte 26,27 und 28 55 zwischen etwa 10 und 20 • 10_3mm liegt, während die Dicke der Widerstandsthermometer zwischen etwa 0,5 und 5 -lO^nim, vorzugsweise bei etwa 1 • 10_3mm liegt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

626 452 PATENTANSPRÜCHE

1. Mikroströmungsfühler für Gase, insbesondere für Infrarot-Gasanalysengeräte, bestehend aus einem Heizleiter und zwei im Einflussbereich des Heizleiters angeordneten Widerstandsthermometern, welche aus dünnem Draht bestehen und zwischen dickeren Anschlussdrähten gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussdrähte (26,27,28) am Heizleiter (17) befestigt sind.

2. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen den Widerstandsthermometern (34,35) angeordnete Anschlussdraht (28) elektrisch leitend mit dem Heizleiter (17) verbunden ist, und dass die beiden übrigen Anschlussdrähte (26,27) mittels eines Isolierkörpers (29) am Heizleiter befestigt sind.

3. Mikroströmungsfühler nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (29) eine Glasperle ist, in welche der Heizleiter (17) und zwei Anschlussdrähte (26,27) eingeschmolzen sind.

4. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussdrähte (26,27,28) und die zwischen ihnen liegenden Widerstandsthermometer (34,35) in etwa einen lyraförmigen Umriss bilden, welcher zum Heizleiter (17) symmetrisch verläuft.

5. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsthermometer (34,35) bogenförmig gestaltet sind und an ihren Enden tangential in die Anschlussdrähte (26,27,28) übergehen.

6. Mikroströmungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Widerstandsthermometer (34,35) Austrittsöffnungen (22,23) von Kammern (20,21) angeordnet sind.