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DE3429729A1 - Nach kalorimetrischem prinzip arbeitende stroemungsmessanordnung - Google Patents

Nach kalorimetrischem prinzip arbeitende stroemungsmessanordnung

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DE3429729A1
DE3429729A1 DE19843429729 DE3429729A DE3429729A1 DE 3429729 A1 DE3429729 A1 DE 3429729A1 DE 19843429729 DE19843429729 DE 19843429729 DE 3429729 A DE3429729 A DE 3429729A DE 3429729 A1 DE3429729 A1 DE 3429729A1
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DE
Germany
Prior art keywords
arrangement according
heater
measured
temperature
temperature difference
Prior art date
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Ceased
Application number
DE19843429729
Other languages
English (en)
Inventor
Günther Dipl.-Ing. 2201 Kollmar Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Weber Sensortechnik 2201 Kollmar De GmbH
Original Assignee
Weber Sentec 2201 Kollmar GmbH
WEBER SENTEC GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Weber Sentec 2201 Kollmar GmbH, WEBER SENTEC GmbH filed Critical Weber Sentec 2201 Kollmar GmbH
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Publication of DE3429729A1 publication Critical patent/DE3429729A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/698Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters
    • G01F1/6986Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters with pulsed heating, e.g. dynamic methods
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/698Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters
    • G01F1/699Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters by control of a separate heating or cooling element
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/0006Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances
    • G01P13/006Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances by using thermal variables
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Description

  • Auf Grund der einfachheit und der heutigen Verfügbarkeit
  • entsprechender Bauelementete, wie z.B. temperaturabhängiger Halbleiter in Miniaturaus+Jthrung, gewinnen Strömungsüberwachtungsgeräte, die nach dem k.alorimetrischen Prinzip arbeiten, ständig an Bedeutung Siehe hierzu- z .
  • Offenlegungsschrift DE 32 22 o\046 Ai.
  • Gemeinsam ist allen bislang bekannten Geräten und: Verfahren,-dass ein der zu kontrollierenden Strömung ausgesetztes Teil elektrisch aufgeheizt wird und die sich an diesem Teil einstellende Temperatur gemessen wird. Die sich einstellende Temperat.ur hangt von der Wärmeleitfähigkeit des Mediums, der Temperatur ds Mediums und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und der zugeführten Heizleistung ab.
  • m den einfluss der Mediumtemperatur zu eliminieren wird im Allgemeinen zusätzlich die mediumtemperatur erfasst und als weiter zu verarbeitende Grösse die Temperaturdifferenz zwischen Medium und geheiztem FLthlerelement verwandt.
  • Prinzipgemäss ist dabei die Temperaturdifferenz um so geringer, je grösser die Strömungsgeschwindigkeit des zu kontrollierenden Mediums ist Die sich so ergebende Temperaturdifferenz wird dann wahlweise zu einem elektrischen Schaltsignal, im Falle von Strömungsw wächtern, oder zu einem analogen Messignal, im Falle von Str ömungsmessern, weiter verarbeitet.
  • Gemeinsam ist allen bislang bekannten* nach dem vorbeschriebenen kalorimetrischen Prinzip arbeitenden Geräten, dass die zur Erwärmung des FiJthlerelemenetes erforderliche Heizleistung konstant ist. Somit ergibt sich als primäre, für den gewünschten Effekt weiter zu verarbeitende Messgrösse die Temperaturdifferenz zwischen einem mit konstanter Heizleistung beau+schl agtem Fühlerelement und der Mediumtemperatur Nachteilig wirkt sich bei den bekannten Verfahren die konstante Heizleistung des Fithlerelementes aus, da hierdurch der Ärbeitsbereich der Geräte erheblich eingeschränkt wird.
  • Bei konstanter Heizleistung muss diese nämlich so bemessen sein, dass bei ruhendem Medium eine unzulässige überhitzung austreten kann.
  • Da prinzipgemäss die primäre Messgrösse die Temperaturdifferenz zwischen geheiztem Fithlerelement und Medium ist, sinkt diese bei konstanter, aus vorbeschriebenen Gründen begrenzter Heizleistung sehr schnell unter die Messbarkeitsgrenze ab, womit die Anwendbarkeit dieses Prinzips nach grösseren Strömungsgeschwindigkeiten senr begrenzt ist.
  • Das nachstehend beschriebene Verfahren, welches der Erfindung zu Grunde liegt, erweitert die Änwendbarkeit des kalorimetrischen Verfahrens wesentlich.
  • Erfindungsgemäss wird dass bekannte kalorimetrische Verfahren dahingehend erweitert, dass die Temperaturdifferenz zwischen geheiztem Fühlerelement und Medium nicht, wie bislang, als Messgrösse, sondern als Regel grösse verwandt wird und die Messgrösse durch die Regel grösse gebildet wird Dises Verfahren besitzt gegenüber den bekannten Verfahren ein Reihe wesentlicher Vorzüge: t. Die Temperaturdifferenz zwischen Hessfühler und Medium kann extrem gering gehalten werden.
  • 2. Bei ruhendem Medium ist die Heizleistung sehr gering und es besteht keine Gefahr von überhitzungen.
  • Der Arbeitsbereich des kalorimetrischen Prinzips wird nach höheren Strömungsgeschwindigkeiten erheblich erweitert.
  • 4. Die Beziehung zwischen Messgrösse und Signalgrösse folgt einer lineareren Funktion als bei. konstanter Heizleistung.
  • 5. Der Messwert lässt sich mit einfachen technischen Mitteln digitalisieren und damit sehr leicht, zers. mit einem Mikroprozessor, beliebig weiter verarbeiten.
  • Nach der hier beschriebenen Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe der Strömungsmessung ein Regelkreis aufgebaute der aus den nachfolgenden Elemeneten besteht 1 Fühlerelement bestehend aus Heizelement mit zugeordnetem Temperaturfiihler 2. Temperaturfühler zur Erfassung der Mediumtemperatur dem dem zu kontrollierenden Medium und 4. einem Regel organ Diese Anordnung ist generell anwendbar, unabhängig von der Gestaltung der Fühlerelemente. So sind z.B. Anordnungen bekannt, bei denen der Temperaturfühler eine direkte thermische Verbindung mit dem geheizten Strömungs-+Lthlerelement besitzt und somit ebenfalls über die Mediumtemperatur hinaus erwärmt ist. rauch für derartige Anordnungen lässt sich das beschriebene Verfahren anwenden.
  • Ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Äbb. 1 dargestellt. Ein Temperaturfühler (Halbleiter oder temperaturabhängiger Widerstand) (RTh) wird von einem Heizwiderstand (H) erwärmt und ist mit einem die Temperatur des Mediums erfassenden zweiten Temperaturfühler (etc) in Reihe geschaltet und zu. einer Brückenschaltung erweitert. Mit dem Potentiometer (Rr) lässt sich als Regel spannung ein Wert einstellen, der die Grösse der Temperaturdiffenz zwischen Medium und Meßfühler bestimmt und damit den Heizstrom regelt.
  • Die dargestellte anordnung hält in vorgegebenen Grenzen die Temperaturdifferenz zwischen Mess+ ühl er und Medi umkonstant.
  • Der durch den Heizer fliessende Strom ist proportional der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit.
  • Zur Erhöhung der Linearität des ausgangssignales lässt sich auch durch entsprechende Schaltmittel die Heizleistung als Mass für die Strömungsgeschwindigkeit wählen.
  • Ein anderes Äus+ührungsbeispiel zeigt Abb.2. Hier wird das Brückensignal einem Zweipunktregler zugeführt, der den Heizstrom, je nach Brückenspannung, ein- oder ausschaltet.
  • Hierdurch ergeben sich die in Abb. 2a für eine geringe Strömungsgeschwindigkeit und in Äbb. 2b für eine grössere Strömungsgeschwindigkeit dargestellte Diagramme für die Heizpulse.
  • Das sich ergebende Puls- P a u s e n v e r h ä l t n i s ist hierbei ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit. Dieses Puls-Pausenverhältnis lässt sich wahlweise durch Integration analog ausgeben oder durch digitale Weiterverarbeitung als Digitalwert.
  • Eine weitere mögliche einfache Ausführungsform zeigt Abb. .s.
  • Hier ist eine Strömungsmessanordnung nach dem vorbeschriebenen Regelprinzip in Zweileitertechnik dargestellt. über einen Vorwiderstand, der auch als F.:onstantstromquelle ausgebildet sein kann, wird eine BrfJtckenschal tung, wie vorbeschri eben, gespeist. Der Ausgang des Verstärkers steuert einen in Reihe zum Heizwiderstand liegenden Regler derart, dass die Bedingungen des Regelkreises, nämlich die Temperaturdifferenz zwischen Medium und Hessfühler konstantzuhalten, erfüllt wird. Dieser Regler lässt sich durch einen beliebigen steuerbaren Widerstand, beispielsweise einen Transistor, darstellen. Ein in Reihe zu der Anordnung geschalteter Strommmesser zeigt dann einen der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Strom an. Diese Anordnung lässt sich in der vorgestellten Form sowohl zum Betrieb an Gleichspannungs- wie auch an Wechselspannungsnetzen verwenden, wenn sie durch eine einfache, hier nicht dargestelte Gleichrichterschaltaing erweitert wird.
  • Eine weitere Äusgestaltung der Erfindung ist in Abb.4 dargestellt. Hier wird das Brückensignal zunächst einem Schwellwertschalter (SS) zugeführt und danach von einem nachgeschalteten Impulsformer (IF) zu einem definierten Impuls weiter verarbeitet, mit dem dann der Heizer betrieben wird.
  • Die sich daraus ergebenden Impulsdiagramme für niedrige und hohe Strömungsgeschwindigkeit zeigen Äbb.4a und 4b. Da somit die Strömungsgeschwindigkeit proportional der Zeit zwischen den einzelnen Heizimpulsen ist, lassen sich mit dieser Anordnung besonders vorteilhafte Schaltungen realisieren. In Verbindung mit den heute in grosser Zahl zur Verfügung stehenden digitalen IC's lassen sich damit alle praktisch vorstellbaren Mess- Regel - oder Steueraufgaben realisieren.
  • Eie weitere Ausführung unter Verwendung heute verfügbarer IC's wird nachstehend unter Zugrundelegung der in bb.4 erläuterten Grundschaltung an Hand des Blockschaltbildes der Äbb.5 beschrieben: Die Rufgabe ist es eine unbekannte, vorhandene Strömungsgeschwindigkeit als Sollströmungsgeschwindigkeit zu registrieren und bei abweichung von dieser Sollströmungsgeschwindigkeit um einen einstellbaren Wert ein Signal abzugeben.
  • Die Anordnung besteht aus einer Erundschaltung, wie mit Abb.4 beschrieben zur abgabe von der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Impulsen, einem integrierten Impulsgeber (IG), einem Hauptzähle:- (HZ), einem ansteuerbaren Vorwahlzähler (SOLL), einem einstellbaren Vorwahlzähler (WÄHL) und einem Taster (T).
  • Der Impulsgeber (IG) ist fest mit dem Hauptzähler (HZ) verbunden und wird durch die von der Messchaltung (MESS) abgegebenen Pulse jeweils wieder auf "0" zurückgesetzt.
  • Mit der Taste (T) wird der Hilfszähler (SOLL) vorübergehend mit der Messchaltung derart verbunden, dass der gerade registrierte Wert für die Strömungsgeschwindigkeit als Sollwert in diesen Hilfszähler eingelen wird.
  • über einen weiteren Hilfszähler (WAHL) wird ein Vorwahlwert Verhältnis zum in den Hilfszähler (SOLL) eingelesenen Wert Qell eingestellt. Dieses ist der Wert, ber dessen Erreichen ein Schaltsignal abgegeben worden soll.
  • Das geforderte Schaltsignal wird solange nicht abgegeben, wie der Hauptzähler durch den Messimpuls vor Erreichen des eingestellten Schaltwertes wieder auf "0" gestellt wird.
  • Da es sich bei der vorstehend beschriebenen anordnung um heute allgemein bekannte Digital technik handelt, wird hier auf ausführliche schaltungstechnische Beschreibung verzichtet.

Claims (3)

  1. Nach kalorimetrischem Prinzio arbeitende Strömungsmessanordnung P a t e n t a n s p r ü c h e i. unordnung für eine nach dem kalorimetrischen Prinzip arbeitende Strömungsmessanordnung, bestehend aus einem geheizten, von der zu messenden Strömung beeinflussbaren Temperaturmesselement und einem zweiten, vornehmlich die Temperatur des zu messenden Mediums erfassenden Temperaturmesselement dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz der beiden Temperaturmesselementen als Regelgrösse für einen Regelkreis verwandt wird und der Regelkreisden Messwert bildet.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch t dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdif f erenz zwischen den bei den Temperaturmesselementen durch eine elektrische BrLtckenschaltung fest vorgegeben wird.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturmesselementen einstellbar ist.
    4. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturmesselementen durch nie kückführung des Messwertes verändert wird.
    5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstrom als Mass für die Strömungsgeschwindigkeit verwandt wird.
    6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnett dass die Heizspannunq als Mass für die zu messende Strömungsgeschwindigkeit verwandt wird.
    7. Anordnung nach Anspruch ibis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung als Mass für die zu messende Strömungsgeschwindigkeit verwandt wird.
    8. Anordnung nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturmesselementen erzeugende Heizenergie pulsweise dem Heizer zugeführt wird.
    9. Anordnung nach anspruch i und 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Ein- und Åusschalten des Heizers durch einen Zweipunktregler erfolgt, der durch die Temperaturdifferenz der beiden Temperatur- messelemente derart gesteuert wird, dass bei Unterschreiten einer vorgegebenen Temperaturdifferenz der Heizer ein- und bei überschreiten einer vorgegebenen Temperaturdifferenz der Heizer ausgeschaltet wird 10. Anorcinungnach Anspruch 1 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Puls- Pausenverhältnis als Mass für die Strömungsgeschwindigkeit verwandt wird.
    11. anordnung nach Anspruch 1 und 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Puls- Pausenverhältnis durch Integration ermittelt wird und der Messwert analog ausgegeben wird.
    12. anordnung nach anspruch 1 und 1 dadurch gekennzeichnet dass das Puls- Pausenverhältnis digital ermittelt wird und der Messwert analog ausgegeben wird.
    13 anordnung nach Anspruch i und 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Puls- Pausenverhälnis digital ermittelt wird und der Messwert digital ausgegeben wird.
    14 anordnung nach anspruch 1 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten einer vorgegebenen Temperaturdifferenz der beiden Temperaturmesselemente der Heizer eingeschaltet wird.
    15 Anordnung nach Anspruch i und 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltdauer des Heizers konstant ist.
    Xb. Anordnung nach Anspruch 1 und 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltdauer des Heizers durch die Messgrösse bestimmt wird.
    17. Anordnung nach Anspruch 1 und 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltdauerdes Heizers nicht konstant ist und extern gewählt werden kann.
    18 Anordnung nach Anspruch t und 8 dadurch gekennzeichnet, dass bei überschreiten einer vorgegebenen Temperaturdifferenz der beiden Temperaturmesselemente der Heizer ausgeschaltet wird.
    19. Anordnung nach Anspruch 1 und 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschaltdauer des Heizers konstant ist 2. Anordnung nach Anspruch 1 und 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Äusschaltdauer der Heizers durch die Hessgrösse bestimmt wird.
    21. Anordnung nach Anspruch 1 und 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Äusschaltdauer des Heizers nicht konstant ist und extern gewählt werden kann.
    22. anordnung nach Anspruch 1, 8,14 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit, die zwischen den einzelnen Heizpulsen verstreicht, gemessen und als Mass für die Messgrösse verwand wird anordnung nach Anspruch 1, 8 und 22 dadurch gekennzeichnet, dass die als Messgrösse dienende Zeit analog ermittelt wird.
    24. Anordnung nach Anspruch 1, 8 und 22 dadurch gekennzeichnet, dass die als Messgrösse dienende Zeit digital ermittelt wird.
    25. Anordnung nach Anspruch 1, 8 und ?4 dadurch gekenzeichnet, dass anstelle der impulsdauer für den Heizimpuls die Heizspannung verändert wird.
    26. anordnung nach Anspruch 1 und 8 bis 24 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Impulsdauer, als auch die Heizspannung verändert wird.
    27. Anordnung nach Anspruch 1 bis 26 dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand aus einem temperaturabhängigen Widerstand besteht.
    28. Anordnung nach Anspruch t und 8 bis 27 dadurch gekennzeichnet, dass ihr ein digitaler Speicher zugeordnet ist in den der jeweilige Messwert durch eingesondertes t«ommando tr spätere, weitere verarbeitung hineingeschrieben werden kann.
    29. Anordnung nach Anspruch 1 und 8 bis 27 dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu derMessanordnung ein Mikroprozessor gehört der den Messwert entsprechend einem vorgegebenen Programm verarbeitet.
    3 anordnung nach Anspruch 1, 28 und 29 dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor vergleichende Operationen entsprechend wählbarem Programm zwischen Speicherwert und Messwert durchführt.
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