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Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Strömungssensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines fluiden Mediums, welcher mindestens einen Wirbelkörper, einen ersten als Heizelement ausgestalteten Temperatursensor und mindestens einen zweiten Temperatursensor umfasst.
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Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten werden meist thermische Sensoren zur Strömungsmessung verwendet. Hierbei gibt es prinzipiell zwei Messtechniken. Die erste sieht vor, das strömende Medium über eine bestimmte Wegstrecke durch Vorbeiführen an einem mit konstanter Leistung beheizten Widerstand zu erwärmen und die Temperatur des Mediums vor und nach dieser Heizstrecke zu bestimmen. Die Temperaturdifferenz ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Der Nachteil dieser Technik ist, dass entweder eine große Menge an Medium erwärmt werden muss, was mit einem hohen Energieverbrauch verbunden ist, oder ein separates Rohrleitungsstück, in welches ein Anteil des Mediums zur Messung geleitet wird, an der bestehenden Rohrleitung angebracht werden muss.
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In einer zweiten Technik wird ein Sensor, welcher einen elektrisch beheizbaren Widerstand umfasst, in die Strömung eingebracht und durch variable Leistungszufuhr auf einer konstanten Temperatur gehalten. Das vorbeiströmende Medium führt hierbei eine zu seiner Geschwindigkeit proportionale Wärmemenge ab. Um den beheizbaren Widerstand auf einer konstanten Temperatur zu erhalten wird die Heizspannung entsprechend der abgeführten Wärmemenge nachgeregelt. Anhand der Spannung, welche nötig ist, um die Temperatur aufrecht zu erhalten, kann so auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden.
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Auf Grund der geringen Abmessungen des Sensors beeinträchtigt dieser die Strömung nur wenig, sodass der Sensor prinzipiell eine hohe Messgenauigkeit aufweist. Der Nachteil solcher Sensoren ist, dass sich Verunreinigungen wie Ansatz auf der Sensoroberfläche stark auf die Messgenauigkeit auswirken, was eine häufige Kontrolle des Sensors erforderlich macht. Zudem ist eine sorgfältige Kalibrierung notwendig.
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Thermische Sensoren weisen eine so genannte thermische Drift auf. Dies bedeutet, dass im Laufe der Messzeit in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessgrößen wie beispielsweise der Temperatur, die einer bestimmten Geschwindigkeit zugeordnete Spannung nicht mehr exakt dieser Geschwindigkeit entspricht, was zu einer Ungenauigkeit in der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit führt.
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Ist die Strömungsgeschwindigkeit hoch genug, dass sich hinter einem Wirbelkörper Wirbel ausbilden können, so kann die Strömungsgeschwindigkeit anhand der Frequenz der sich bildenden Wirbel mit einem Wirbelsensor bestimmt werden. Meist werden die von den Wirbeln verursachten lokalen Druckschwankungen gemessen, wobei mit kapazitiven oder piezoelektrischen Sensoren die besten Ergebnisse erzielt werden.
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Aus der Schrift
DE 41 02 920 A1 ist ein Wirbelsensor bekannt, der auf einem thermischen Prinzip beruht. Der Sensor weist eine beheizbare Widerstandsschicht auf, die in ständigem thermischen Kontakt mit dem Medium steht und sich in der von einem Wirbelkörper verursachten Wirbelzone befindet. Durch die an der Widerstandsschicht anliegenden Wirbel und deren strömungsbedingte Ablösung oszilliert die vom Medium abgeführte Wärmemenge und damit auch die Heizleistung, welche zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur nötig ist. Durch die Oszillation der Heizleistung kann damit auf die Wirbelfrequenz und damit auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden.
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Der Vorteil von Wirbelsensoren jeglicher Art ist zum einen deren Einsatzmöglichkeit sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gas oder Dampf und zum anderen die weitgehende Unabhängigkeit gegenüber Prozessdruck, Prozesstemperatur und Viskositätsänderungen. Wirbelsensoren enthalten keine dem thermischen Drift entsprechende Verschiebung der Messwerte, sodass sie gegenüber den thermischen Sensoren das genauere Ergebnis liefern.
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Da die Wirbelbildung jedoch erst bei einer von der Reynoldszahl abhängigen Grenzgeschwindigkeit einsetzt, kann dieses Messprinzip erst bei Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb dieser Grenzgeschwindigkeit eingesetzt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Strömungssensor bereit zu stellen, mit welchem die Durchflussmessung über einen weiten Bereich von sehr geringen bis hin zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten möglich ist.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der thermische Strömungssensor derart ausgestaltet ist, dass er sowohl Anemometer als auch thermischer Wirbeldetektor ist, wobei das Heizelement sowohl Teil des Anemometers als auch des thermischen Wirbeldetektors ist, dass eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche von dem Heizelement einen analogen Spannungswert erhält, welcher einen Anemometeranteil und einen Wirbeldetektoranteil aufweist, und dass die Regel-/Auswerteeinheit basierend auf einem aus dem analogen Spannungswert hervorgegangenen digitalen Spannungssignal, welches ebenfalls einen Anemometeranteil und einen Wirbeldetektoranteil aufweist, ein Ausgangssignal erzeugt, welches die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums angibt.
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Da der erfindungsgemäße thermische Strömungssensor nicht nur thermischer Wirbelzähler, sondern gleichermaßen thermisches Anemometer ist, ist die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums in einem weiten Bereich möglich. Der thermische Strömungssensor ist somit vielseitig einsetzbar und erspart den Einsatz mehrerer Geräte für unterschiedliche Bereiche der Strömungsgeschwindigkeit.
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Da dasselbe Heizelement zur Messung nach dem thermischen Anemometerprinzip zur thermischen Massendurchflussbestimmung und nach dem Prinzip der Wirbeldetektion dient, ist eine Autokalibrierung des thermischen Strömungssensors möglich. Der analoge Spannungswert, welcher vom Heizelement an die Regel-/Auswerteeinheit übergeben wird, enthält einen Anemometeranteil und einen Wirbeldetektoranteil. Der Anemometeranteil ist ein Spannungswert, welcher auf einer mit der Strömungsgeschwindigkeit ansteigenden Kurve liegt. Der Wirbeldetektoranteil ist ein Spannungswert, welcher auf einer Oszillation liegt, die der Kurve des Anemometeranteils superponiert ist. In dem Fall, dass die Strömungsgeschwindigkeit zu gering ist um zur Ausbildung von Wirbeln zu führen, ist der Wirbeldetektoranteil des analogen Spannungswerts gleich Null.
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Die Regel-/Auswerteeinheit enthält einen Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung des vom Heizelement an sie übergebenen analogen Spannungswerts in ein digitales Spannungssignal. Auf der Basis dieses digitalen Spannungssignals erzeugt sie ein Ausgangssignal, welches ebenfalls einen Anemometeranteil und einen Wirbeldetektoranteil aufweist, und welches die am Heizelement anliegende Spannung steuert. Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit wird entweder das Ausgangssignal der Regel-/Auswerteeinheit in ein externes Gerät weitergeleitet, wo die Umrechnung in eine Strömungsgeschwindigkeit geschieht, oder in der Regel-/Auswerteeinheit selbst wird ein zweites Ausgangssignal erzeugt, welches die Strömungsgeschwindigkeit angibt.
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Der Anemometeranteil ist thermischer Drift unterlegen, was bedeutet, dass die am Heizelement anliegende Spannung nicht eindeutig einer Strömungsgeschwindigkeit zuzuordnen ist, sondern sich beispielsweise in Abhängigkeit der Temperatur verschiebt. Im Gegensatz hierzu ist die Oszillationsfrequenz des Spannungssignals, welche der Ablösefrequenz entstehender Wirbel entspricht und proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist, weitgehend unabhängig von anderen Prozessgrößen. Solange die Wirbelbildung eine detektierbare Oszillation des Spannungssignals hervorruft, kann daher dieser Wirbeldetektoranteil des Spannungssignals zur Kalibrierung des Anemometeranteils des Signals verwendet werden. Sind keine Wirbel mehr vorhanden, kann dann auf zuverlässige Art und Weise die Strömungsgeschwindigkeit aus dem Anemometeranteil des Spannungssignals bestimmt werden. Da sowohl die Auswahl des Anemometeranteils oder des Wirbeldetektoranteils zur Erzeugung eines die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums repräsentierenden Ausgangssignals des thermischen Strömungssensors als auch die Kalibrierung des Anemometeranteils automatisch erfolgen, ist der thermische Strömungssensor sehr benutzerfreundlich und wartungsarm.
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In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sind das Heizelement und der Temperatursensor, bzw. im Fall, dass mehrere Temperatursensoren vorgesehen sind, das Heizelement und die Temperatursensoren auf einem gemeinsamen Chip angeordnet. Dies ermöglicht einen Platz sparenden Aufbau des thermischen Strömungssensors.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strömungssensors sind das Heizelement und der Temperatursensor, bzw. im Fall, dass mehrere Temperatursensoren vorgesehen sind, das Heizelement und die Temperatursensoren getrennt voneinander angeordnet.
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Bei einer weiteren Weiterbildung der Erfindung sind ein Heizelement und drei Temperatursensoren vorgesehen. Das Heizelement und die drei Temperatursensoren sind hierbei derart in Strömungsrichtung zwischen zwei Wirbelkörpern angeordnet, dass das Heizelement zwischen zwei Temperatursensoren liegt und der dritte Temperatursensor oberhalb, unterhalb oder seitlich des Heizelements angeordnet ist, sodass der dritte Temperatursensor von dem vom Heizelement erwärmten Medium nicht überstrichen wird. Durch diese Art der Anordnung ist zusätzlich zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit auch eine Richtungsbestimmung der Strömung möglich, da der in Strömungsrichtung vor dem Heizelement liegende Temperatursensor gegenüber dem in Strömungsrichtung hinter dem Heizelement liegende Temperatursensor eine niedrigere Temperatur misst. Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit geschieht in diesem Ausführungsbeispiel über das Heizelement und den dritten Temperatursensor, da der dritte Temperatursensor unbeeinflusst von dem Heizelement die Umgebungstemperatur misst.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Wirbelkörper eine Aufprallfläche aufweist und derart angeordnet ist, dass die Aufprallfläche gegen die Strömungsrichtung zeigt, und dass das Heizelement und der mindestens eine Temperatursensor in Strömungsrichtung nach dem Wirbelkörper angeordnet sind.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Wirbelkörper eine Aufprallfläche aufweist und derart angeordnet ist, dass die Aufprallfläche gegen die Strömungsrichtung zeigt, dass das Heizelement in Strömungsrichtung nach dem Wirbelkörper angeordnet ist, und dass der mindestens eine Temperatursensor an einer der parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Seitenflächen des Wirbelkörpers angeordnet ist.
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Sind mehrere Temperatursensoren vorgesehen, so ist denkbar, dass einer der Temperatursensoren an einer Stelle, an welcher keine Wirbelbildung stattfindet, angebracht ist. Durch diese Art der Positionierung kann die Umgebungstemperatur unbeeinflusst vom Heizelement bestimmt werden. Weitere Temperatursensoren können dann im Nahbereich des Heizelements angeordnet sein, um beispielsweise die Temperaturerhöhung des Mediums durch das Heizelement zu messen.
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Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Regel-/Auswerteeinheit die Heiztemperatur des Heizelements in Abhängigkeit von der Wirbelfrequenz erhöht, um einen konstanten Abstand des Wirbeldetektoranteils des Spannungssignals zu Rauschen und/oder eine konstante Signalamplitude des Wirbeldetektoranteils zu erhalten.
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Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strömungssensors nimmt die Regel-/Auswerteeinheit eine automatische Kalibrierung des Anemometeranteils des Spannungssignals auf der Basis des Wirbeldetektoranteils vor.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung führt die Regel-/Auswerteeinheit einen ständigen Vergleich des Mittelwerts des Wirbeldetektoranteils mit dem Anemometeranteil des Spannungssignals durch. Anhand dessen erfolgt in Kombination mit den Werten der Erstkalibrierung des thermischen Strömungssensors eine automatische Nachkalibrierung des Anemometeranteils des Spannungssignals. Der Absolutwert der Spannung, welche am Heizelement anliegt, wird auf diese Weise auf den Wert eingestellt, der gemäß der Erstkalibrierung der jeweiligen Frequenz zugeordnet ist.
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Eine weitere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass eine Wheatstone'sche Brückenschaltung mit zwei an einer Seite getrennten Brückenzweigen vorgesehen ist und der eine Brückenzweig das Heizelement enthält. Weiterhin wird der andere Brückenzweig – der ohne Heizelement – mit einer Spannung versorgt, deren Regelung über die Regel-/Auswerteeinheit erfolgt, während sich die Spannung des Brückenzweigs, der das Heizelement enthält, durch die Wheatstone'sche Brücke entsprechend der am anderen Zweig anliegenden Spannung einregelt. Die Spannung am Brückenzweig ohne das Heizelement wird von der Regel-/Auswerteeinheit bestimmt und beispielsweise über einen Digital-Analog-Wandler, welcher an der getrennten Seite zwischen den beiden Brückenzweigen angeordnet ist, an den Brückenzweig übergeben. Die Spannung, die an dem Brückenzweig anliegt, der das Heizelement enthält, wird bevorzugt dem Digital-Analog-Wandler als Referenzspannung zugeführt. Gemäß des Ausgangssignals der Regel-/Auswerteeinheit wird der entsprechende Anteil der Referenzspannung dem Brückenzweig ohne Heizelement zugeführt.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strömungssensors umfasst, dass in einer zur Regel-/Auswerteeinheit gehörigen Speichereinheit eine programmierbare Funktion hinterlegt ist, die die Abhängigkeit der Spannung desjenigen Brückenzweigs ohne das Heizelement von der Spannung desjenigen Brückenzweigs, der das Heizelement enthält, und von der mit dem Temperatursensor bestimmten Temperatur, angibt und dass die Regel-/Auswerteeinheit die an dem das Heizelement enthaltenden Brückenzweig anliegende Spannung gemäß dieser Funktion regelt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der separaten Anordnung eines Temperatursensors und eines Heizelements auf einem Wirbelkörper,
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung dreier Temperatursensoren und eines Heizelements auf einem gemeinsamen Chip zwischen zwei Wirbelkörpern,
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3 zeigt eine Skizze des Schaltkreises zur Steuerung und Auswertung des thermischen Strömungssensors nach 1.
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In 1 ist erfindungsgemäßer thermischer Strömungssensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums dargestellt. Hierzu ist ein keilförmiger Wirbelkörper 2 zur Erzeugung von Wirbeln in das Medium eingebracht. In anderen Ausgestaltungen kann der Wirbelkörper 2 beliebige Formen annehmen, die sich zur Erzeugung von Wirbeln eignen. Die Strömung trifft in diesem Beispiel auf die vordere Seitenfläche 2b, welche der Keilspitze 2a gegenüberliegt auf, sodass die Wirbel rechts und links der vorderen Seitenfläche 2b entstehen und in Richtung Keilspitze 2a getragen werden.
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An einer der beiden Seitenflächen des Wirbelkörpers 2, welche in der Strömungsebene liegen, ist ein Temperatursensor 3 angeordnet. In einer alternativen Ausgestaltung ist der Temperatursensor 3 an einer anderen Stelle des Wirbelkörpers 2 angeordnet, welche sich zur Temperaturmessung eignet. Im Wirbelbereich des Wirbelkörpers 2, welches in diesem Ausführungsbeispiel der Bereich um die Keilspitze 2a des Wirbelkörpers 2 ist, befindet sich ein als Heizelement 4 ausgestalteter Temperatursensor. In einem nicht gesondert dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Heizelement 4 und der Temperatursensor 3 gemeinsam im Wirbelbereich angeordnet.
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Das Heizelement 4 und der Temperatursensor 3 sind bevorzugt als mäanderförmige Widerstandstrukturen ausgestaltet.
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Der thermische Strömungssensor 1 basiert bei Strömungsgeschwindigkeiten, welche unterhalb einer geometrieabhängigen Grenzgeschwindigkeit, ab der es zur Ausbildung von Wirbeln kommt, bevorzugt auf dem Prinzip des auf einer konstanten Temperatur gehaltenen Anemometers (constant temperature anemometer, CTA). Bevorzugt wird hierbei die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Heizelements 4 und der Umgebungstemperatur auf einem konstanten Wert gehalten. Strömt das Medium an dem Heizelement 4 vorbei, so führt es Wärme ab. Hierdurch sinkt der Widerstand des Heizelements 4 und somit auch die an dem Heizelement 4 anliegende Spannung. Die Spannung, die notwendig ist, um das Heizelement 4 wieder auf seine ursprüngliche Temperatur zum Erhalt der konstanten Temperaturdifferenz zu erhitzen, stellt das Spannungssignal des Heizelements 4 dar. Es steigt also mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit an.
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Ab einer von der Geometrie des Rohres, in welchem das Medium strömt, abhängigen Grenzgeschwindigkeit des Mediums bilden sich am Wirbelkörper 2 Wirbel aus, welche von der Strömung fort getragen werden. Im Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb dieser Grenzgeschwindigkeit misst der thermische Strömungssensor 1 gleichzeitig nach dem Prinzip des thermischen Anemometers und eines thermischen Wirbeldetektors. Überstreichen die Wirbel das Heizelement 4, so führt dies zu einer Oszillation der Temperatur des Heizelements 4 und somit zu einer Oszillation des Spannungssignals des Heizelements 4.
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Das Spannungssignal enthält immer einen Anemometeranteil und einen Wirbeldetektoranteil, wobei der Anemometeranteil einer mit der Strömungsgeschwindigkeit monoton wachsenden Spannungskurve entspricht und der Wirbeldetektoranteil eine dieser Spannungskurve überlagerte Oszillation darstellt, deren Frequenz gleich der Wirbelfrequenz ist und mit steigender Strömungsgeschwindigkeit ebenfalls anwächst. Ist die Strömungsgeschwindigkeit zu gering, als dass sich Wirbel ausbilden können, so ist der Wirbeldetektoranteil Null.
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Im Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten, bei denen Wirbelbildung erfolgt, entspricht der zeitliche Mittelwert des Spannungssignals einem nach dem Anemometerprinzip gewonnenen Spannungssignal. Die Regel-/Auswerteeinheit 5 vergleicht diesen Mittelwert des Wirbeldetektoranteils des Spannungssignals mit dem der jeweiligen Frequenz entsprechenden Wert der Erstkalibrierung und regelt die Eingangsspannung des Heizelements 4 entsprechend nach. Auf diese Weise kann eine so genannte thermische Drift, welcher nur der Anemometeranteil des Spannungssignals unterliegt, und bei welcher es sich um eine Abschwächung des Anemometeranteils des Spannungssignals bei zunehmender Mediumstemperatur handelt, kompensiert werden. Der thermische Strömungssensor 1 bleibt auf diese Weise stets kalibriert, sodass bei nachlassender Strömungsgeschwindigkeit eine zuverlässige Messung nach dem Anemometerprinzip erfolgen kann.
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2 offenbart eine bevorzugte Anordnung des thermischen Strömungssensors auf einem Chip 11 zwischen einem ersten Wirbelkörper 6 und einem zweiten Wirbelkörper 7. Durch die Anordnung des Chips 11 zwischen dem ersten Wirbelkörper 6 und dem zweiten Wirbelkörper 7, wird das Heizelement 4 auf dem Chip 11 unabhängig von der Strömungsrichtung von Wirbeln überstrichen, sobald sich diese ausbilden.
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Weiterhin ist das Heizelement 4 zwischen einem ersten Temperatursensor 8 und einem zweiten Temperatursensor 9 auf dem Chip 11 angeordnet. Der erste Temperatursensor 8 und der zweite Temperatursensor 9 sind jeweils senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet, sodass das vom Heizelement 4 erwärmte Medium je nach Strömungsrichtung den ersten Temperatursensor 8 oder den zweiten Temperatursensor 9 überstreicht. Ein dritter Temperatursensor 10 ist so angeordnet, dass er nicht von dem vom Heizelement 4 erwärmten Teil des Mediums überstrichen wird, sodass der dritte Temperatursensor 10 die Umgebungstemperatur bestimmen kann. Derjenige Temperatursensor, welcher in Strömungsrichtung hinter dem Heizelement 4 angeordnet ist, misst eine höhere Temperatur als derjenige Temperatursensor, welcher vor dem Heizelement 4 angeordnet ist. Durch Vergleich der vom ersten Temperatursensor 8 gemessenen Temperatur mit der vom zweiten Temperatursensor 9 gemessenen Temperatur ist somit zusätzlich zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eine Bestimmung der Strömungsrichtung möglich.
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In 3 ist der schematische Aufbau der Schaltung dargestellt, über welche der thermische Strömungssensor 1 nach 1 gesteuert und ausgelesen wird. Es sind zwei Wheatstone'sche Brücken gezeigt, wobei der rechte Zweig 12b der ersten Wheatstone'schen Brücke 12 das Heizelement 4 und die zweite Wheatstone'sche Brücke 13 den Temperatursensor 3 enthält.
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Die Ausgangsspannung der zweiten Wheatstone'schen Brücke 13 gelangt über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 14 in die Regel-/Auswerteeinheit 5, wobei der ADC 14 in diesem Ausführungsbeispiel in die Regel-/Auswerteeinheit 5 integriert ist und kein separates Bauteil darstellt. Die Ausgangsspannung der zweiten Wheatstone'schen Brücke stellt ein Maß für die aktuelle Mediumstemperatur dar. Der Temperatursensor 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einer zweiten Wheatstone'schen Brücke 13 angeordnet, um einen größeren Messbereich mit dem Analog-Digital-Wandler 14 zugänglich zu machen, als dies beispielsweise über einen Spannungsteiler möglich ist. Durch die Wheatstone'sche Brücke werden nur Spannungsdifferenzen und nicht absolute Spannungswerte in den ADC 14 geleitet.
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Die beiden Zweige 12a und 12b der ersten Wheatstone'schen Brücke 12 sind an einer Seite getrennt, sodass sie über einen bestimmten Zeitraum unterschiedliche Spannungen tragen können. Der analoge Spannungswert des rechten Zweigs 12b der ersten Wheatstone'schen Brücke gelangt ebenfalls über den ADC 14 in die Regel-/Auswerteeinheit 5. Dort wird ein digitales Spannungssignal erzeugt, welches einerseits zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird und andererseits zur Berechnung eines Ausgangssignals der Regel-/Auswerteeinheit 5, welches die Sollspannung des Heizelements 4 im rechten Zweig 12b der ersten Wheatstone'schen Brücke angibt.
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Die Sollspannung des Heizelements 4 zu einem Zeitpunkt t2 wird gemäß einer vorprogrammierten oder vom Anwender umprogrammierten Funktion, welche in einer Speichereinheit 16 in der Regel-/Auswerteeinheit 5 hinterlegt ist, berechnet. Die Sollspannung zum Zeitpunkt t2 ist über diese Funktion mit der zum Zeitpunkt t1 < t2 am rechten Zweig 12b der ersten Wheatstone'schen Brücke anliegenden Spannung und der Mediumstemperatur verknüpft.
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An der Seite, an welcher die beiden Zweige 12a und 12b der ersten Wheatstone'schen Brücke getrennt sind, ist ein vorzugsweise als Digital-Analog-Wandler (DAC) 15 ausgestaltetes Übertragungsglied zwischen den beiden Zweigen 12a und 12b eingebracht. Über den DAC 15 wird der linke Zweig 12a der ersten Wheatstone'schen Brücke 12 mit der Sollspannung beaufschlagt. Die Spannung, die am rechten Zweig 12b der ersten Wheatstone'schen Brücke anliegt, regelt sich nach kurzer Zeit, welche in der Größenordnung einiger hundert Millisekunden liegt, auf den Wert der Sollspannung ein. Diese Spannung behalten beide Brückenzweige 12a und 12b solange bei, bis sich die Mediumstemperatur oder die Temperatur des Heizelements ändert und von der Regel-/Auswerteeinheit 5 eine neue Sollspannung berechnet wird. Ändert sich also die Spannung, die an dem das Heizelement 4 beinhaltenden rechten Zweig 12b anliegt, so ändert sich auch die Spannung am linken Zweig 12a, jedoch nicht in gleicher Weise, sondern gemäß einer programmierbaren Funktion. Auf diese Weise werden Temperatureinflüsse, welche das Spannungssignal zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit negativ beeinträchtigen, kompensiert.
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Die Regel-/Auswerteeinheit 5 enthält in dieser Ausgestaltung einen Mikrocontroller mit einer Speichereinheit 16 und einen DAC 15. Im Mikrocontroller werden sowohl die vom Heizelement 4 und vom Temperatursensor 3 erhaltenen Messdaten verarbeitet, als auch ein Ausgangssignal zur Steuerung der am Heizelement 4 anliegenden Spannung erzeugt. In 3 nicht explizit dargestellt ist der Signalausgang, über welchen das vom Mikrocontroller aus dem digitalen Spannungssignal in eine Strömungsgeschwindigkeit umgerechnete Ausgangssignal ausgegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Thermischer Strömungssensor
- 2
- Wirbelkörper
- 2a
- Keilspitze
- 2b
- Vordere Seitenfläche/Aufprallfläche
- 3
- Temperatursensor
- 4
- Heizelement
- 5
- Regel-/Auswerteeinheit
- 6
- Erster Wirbelkörper
- 7
- Zweiter Wirbelkörper
- 8
- Erster Temperatursensor
- 9
- Zweiter Temperatursensor
- 10
- Dritter Temperatursensor
- 11
- Chip
- 12
- Erste Wheatstone'sche Brücke
- 12a
- Linker Brückenzweig
- 12b
- Rechter Brückenzweig
- 13
- Zweite Wheatstone'sche Brücke
- 14
- ADC (Analog-Digital-Wandler)
- 15
- DAC (Digital-Analog-Wandler)
- 16
- Speichereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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