WO2006037312A1 - Method for maintaining the temperature of an electrically heated sensor on load changes - Google Patents
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- G01F1/6986—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters with pulsed heating, e.g. dynamic methods
Definitions
- the invention relates to a method for keeping constant one and the same average temperature of an electrically heated sensor before and after a load change, wherein this temperature is maintained above the temperature of the medium surrounding the sensor.
- CTA Constant-temperature anemometry
- CTA circuits of type 2 are known (switching method, see Fig. 11), in which a comparator ver ⁇ by the rapid on / off a fixed heating voltage ver ⁇ tries to keep the sensor temperature constant.
- the CTA technology has received great general significance for about 10-15 years as “air genome meter” or “air mass meter” (LMM) in connection with internal combustion engines in automobiles, after the ever stricter emission standards only today still from electronic engine control units. can be met with metered fuel injection. However, these can only generate an optimum air-fuel mixture if the amount of air taken in per working cycle can be measured (see Auto & Elektronik 1/2002, p.
- the automotive supplier Bosch for example, has LMMs according to the latest, conventional design in its product range.
- the mean sensor temperature can always be kept within a selectably small tolerance range by using suitably calculated heating voltages.
- Cooling time which elapses between reaching an upper temperature T 0 and reaching a lower temperature T u :
- Time during heating which passes between leaving the ambient temperature T um and reaching an upper temperature T 0 :
- thermal inertia of a sensor always occurs only when its temperature changes. If the temperature is kept artificially constant by means of a control circuit, the reason why thermal inertia effects should be eliminated is also eliminated. Of course, no control circuit can make do without any slightest changes in the sensor temperature, but these changes could be amplified, for example, electronically, so that they would not be macroscopically noticeable on the sensor. A more or less strong heat loss of the sensor to the medium makes itself noticeable immediately on a tiny change in the sensor temperature, which, however, compensates the control circuit again in practically the same moment by a correct adaptation of the electrical heating power. The sensor temperature has therefore not changed, and there is no reason why thermal inertia effects should occur.
- the method according to the invention can be described as a true constant temperature method, since it comes very close to the above-described ideal image, as will be described in more detail below.
- the usable load control range must be limited.
- the effective load control range is in fact not sufficient, for example, to change the context from a gas to a flowing liquid or vice versa to be able to tolerate (it always comes to regulatory failure).
- Fig. 9 is intended to illustrate the basic operation of this method. Shown is the behavior before and after a load change (in the left half of the drawing is a low heat loss, in the right half, the heat loss has increased).
- the bold curve represents the course of the sensor temperature
- the thinly marked, triangular curve shows the course of the electrical power (P e ⁇ ) converted at the sensor. It can be seen here: a) the average sensor temperature remains constant before and after the load change, b) this happens automatically and therefore requires no adjustment measures with an accuracy that is close to the impossible, c) the above method can be varied to a large extent without significantly affecting its character
- Fig. 9 is intended to illustrate the basic operation of this method. Shown is the behavior before and after a load change (in the left half of the drawing is a low heat loss, in the right half, the heat loss has increased).
- the bold curve represents the course of the sensor temperature
- the thinly marked, triangular curve shows the course of the electrical power (P e ⁇ ) converted at the
- the temperature of the sensor must be at the upper limit T 0 . Now the supply of electric heating power is reduced to a minimum. There is a drop in the sensor temperature according to Eq. 1. Now the time is measured ⁇ , which passes until the sensor temperature has dropped from the upper limit T 0 to the lower limit T u .
- the time t k is measured as the time nz ⁇ t, where n is the number of temperature measurements that occurred between the receipt of the measured value T 0 and the receipt of the measured value T 11 , wherein as a rule between the two marginal measured values, between which T 0 or T u is interpolated must be.
- the circuit of Fig. 7 uses this measuring method. However, a direct measurement of the time t k (as in the circuit of FIG. 6) is always preferable, since time measurements are among the most technically feasible measurements ever.
- the upper limit T 0 is regularly reached, whereupon the next measuring cycle is triggered.
- the upper limit T 0 is reached only as a result of a load change, the measurement cycle is then triggered.
- the load change in type 1 leads first to reach the lower one Limit T u , the sensor temperature is forcibly and briefly brought to the upper limit T 0 with a high heating voltage, followed by the measuring cycle followed.
- U max the measured time
- the quality assessment consists of the quotient t h / t k (or what is basically exactly the same, from the quotient t k / t h ) and has the optimum value 1.
- Case 2 increases the sensor temperature too much, so that the upper limit T 0 is reached too early.
- the quality assessment (t h / t k ⁇ 1) is poor, but the estimate may be considered process neutral (ie, not harmful to the process) since the upper limit has been reached and a new measurement cycle can be initiated.
- the estimated value is deemed to be potentially harmful to the process (ie there is a risk that the Sensor ⁇ temperature so that can not be kept within the temperature window, in particular at too low heating voltages) and the temperature rise to T 0 is enforced by the application of a high or maximum heating voltage.
- the sensor temperature reaches the lower limit T u during the measurement of t h or can not exceed this limit already from the start (more precisely: if the sensor temperature has not yet exceeded the limit T u after elapse of a selectable minimum measurement time t w ).
- Case 1 has just been described, in case 2 T H (t) deviates upwards from the setpoint temperatures (gets a bad score, Q ⁇ 1), and case 3, where T ⁇ (t) deviates downwards from the setpoint temperatures. This case can lead to Q> 1 and to Q »1 (if the sensor temperature reaches T 11 despite heating or does not even exceed it). One then also immediately breaks off and forces the temperature rise to T 0 , as described above.
- the heating is not possible as planned, it can be assumed that a change of the medium from gaseous to liquid, whereupon only the actual maximum available heating power is used.
- the default setting can be made manually, done automatically (by evaluating the heating voltages used in the previous average) or ignored again on a case-by-case basis (eg with drop counters). Since high-frequency medium changes rarely occur in practice, said presetting would be a gain in terms of the achievable temperature stability under normal load changes. However, heavy load changes (in particular medium change from gaseous to liquid) would still be tol- erated, whereby the control would only be busy for one clock cycle longer.
- the improvement of the estimated value always amounts to choosing the heating voltage higher than before, if a ratio t h / t k > 1 was obtained or to choose it lower (at t h / t k ⁇ 1).
- step 1 1): apply maximum heating power, measure the heating time t h , turn off the heating power when T 0 is reached, measure the cooling time t k , quotient t h / t k and because of t h / t k ⁇ 1 select the continuation with step 2.a (FIG. 4 no. 2): Reduction of the applied heating power by a halving step.
- FIG. 4 No. 2 Reduction of the applied heating power by a halving step.
- step 2.b increase the heating power by a further halving step, Fig. 4 No. 3.
- Switch off the heating power cool down mes ⁇ sen. Quotient t h / t k , finding that again t h / t k ⁇ 1, that is to say in FIG. 4 no. 4, lowering the heating power by a further halving step, etc.
- the prerequisite for this method is the knowledge of the "temperature window heat" W f , ie the heat energy required to increase the temperature of the sensor from T u to T 0. Conversely, the sensor returns exactly this amount of heat to the medium when its temperature reduced from T 0 to T 11 . From each (at least short-term) stable load situation W f can be easily determined, for example by applying the first-mentioned interval halving method. As soon as there is a stable control with the equality of the times t k and t h , it is always ensured that the mean sensor temperature is just the value T so n. Since one directly knows the heating voltage used during a heating phase (it was deliberately applied in the selected height), one can calculate from this the electrical power P h , which is proportionately attributable to the sensor and which was consequently delivered to the medium.
- the method can independently adapt to factors on which W f can still depend (for example, partial soiling of the sensor, aging) and compensate for this.
- FIG. 5 shows the time profile of the sensor temperature within the temperature window before and after the occurrence of a very abrupt load change in the case of an extremely high temperature! convergent method (here type 2).
- FIG. 1 shows a situation with a relatively stable instantaneous heat loss, which is applied in a stable manner
- FIG 2 shows the situation under the conditions of a stable, relatively high heat loss. It can be seen that the control obviously aims at keeping the quotient t h / t k always at the value 1 and that it activates heating voltages at different levels for this purpose.
- Fig. 3 shows the new method based on the type 1, here before and after a load change.
- a permanent heating voltage U 1 which compensates the instantaneous heat loss at the sensor so precisely that a final temperature has been set, which corresponds to the setpoint T so n.
- the load change here an increase in the instantaneous heat loss
- U max brings the sensor temperature in a short time to the upper limit T 0 , then Ab ⁇ lowering the heating voltage to a value close to zero (U k ) and measuring the Abkühl ⁇ time t k , which is already determined by the newly occurred value of the instantaneous heat loss.
- the CTA method described here initially allows nothing else than the determination of the instantaneous heat loss at the sensor.
- This loss of heat depends not only on the height of the temperature difference between the sensor and the medium, but also on the heat dissipation capability of the surrounding medium, the latter, in turn, being dependent on various material properties and last but not least on the flow state in which the medium is located relative to the sensor how much sensor surface is in contact with the medium, etc.
- the heat dissipation capability is even influenced by the magnitude of the contact pressure, and even that does not mention all the known influencing factors.
- the heat dissipation capability is therefore a relatively complex physical quantity, in the formation of which very different other physical, geometric and chemical influencing factors are involved.
- the medium temperature (T um ) must be additionally measured, for example in a known manner with a second, conventional temperature sensor or, at least as well, with a second CTA according to the inventive method in which all parameters except the temperature of the medium are kept constant.
- the current time constant T of the sensor can be calculated from the measured time t k (see equation 2):
- the values of the upper temperature limit T 0 and the lower temperature limit T 11 are known in advance, T um and t k were measured.
- the time constant of the sensor is not a constant in the usual sense, but, inter alia, a practically inertia-free function of the current heat transfer from the sensor to the medium (compare equation 3):
- the display of 1 / ⁇ can be used to measure changes in the contact area A.
- robust sensors which can be thought of as arbitrarily shaped (for example, also as a long wire), this results in possible applications for the measurement of immersion depths, water levels, fill levels and the like.
- this circuit has an atypical bridge with 5 resistors, wherein R2 for the formation of two resistors. fined, exact switching or temperature limits ensures. The switching limits are sym metrically to the setpoint temperature of the sensor, and the value of R2 determines how far apart the boundaries.
- the circuit generates a comparator signal ("too hot”) when the upper temperature limit is exceeded and another comparator signal (“too cold”) when it falls below the lower temperature limit.
- phase duration t h and cooling phase duration t k can be obtained here from the time offset between the switching of the comparators measured by the microcontroller (.mu.C).
- the microcontroller controls a D / A converter (DAC).
- DAC D / A converter
- the usually relatively high-impedance output voltage of the D / A converter supplies after amplification and impedance conversion (OP1) the loadable variable heating voltages (eg U f1 during the heating phases and U k during the cooling phases) for the measuring bridge.
- OP1 the loadable variable heating voltages
- the evaluation of the time profile of the sensor temperature (for example, by virtue of the virtual simulation of a temperature window) and the determination of the matching heating voltages could be carried out completely by software.
- the ambient temperature (fluid temperature) T is generally additionally measured by a second temperature sensor in a conventional manner (not shown in Fig. 7 shown). It would be possible here purely by software to change the setpoint temperature during operation, z. B. to maintain a constant temperature difference to Mediumstempera ⁇ tur. Of course, the same can be achieved with the circuit according to FIG. 6, if R 1 or R 3 are made variable there (eg via a digital potentiometer controlled by the microcontroller).
- the sensor is that element of a measuring device which, in principle, can never be completely concealed or cast in.
- the electrical supply lines of the sensor can be directly accessible, but need not. If one approaches the electrical supply lines (possibly nevertheless), one can simply connect an oscilloscope and see directly whether, after a load change, variably high, convergently connected heating voltages are used (compare FIGS. 1, 2, 4) , 5).
- heating voltages naturally also includes (alternating, PWM) voltages whose effective values can produce the objectively identical thermal effects as direct voltages DC voltages, this should ultimately include more exotic types of indirect heating of the sensor, such as by laser fall.
- e) devices for the rapid measurement of mass flows e.g. for measuring the intake air amount in internal combustion engines or e.g. for Verbrauchser ⁇ mediation in the industrial application of compressed air, industrial gases, liquids and other fluids.
- the heat loss of the flowing media increases in gases approximately proportional to the root from the flow velocity of the medium (at constant pressure) and also proportional to the pressure (at a different pressure). With some correction calculations (calibration), therefore, the mass flow and (with additional measurement of the pressure) also the real volume flow can be determined.
- High-speed dosing devices eg for liquid adhesives, toothpaste or coffee powder, to name only three arbitrary examples that would normally lead to the immediate destruction of the sensor in classical hot wire anemometers and which, with sufficiently robust measuring instruments according to the CCA principle, would previously have been unthinkable for reasons of speed.
- Respiration monitoring by measuring the air flow, e.g. by a clip attached to the nose wing sensor.
- the temperature of the sensor must be kept just above body temperature, and the sensor can detect the true air flow (the bigger, the better), without being irritated by local air movements in the room. Dittos can e.g. In pulmonary function tests, due to the high time resolution of the method, oscillations can also be detected, which can result from illness-related narrowing of the respiratory tract.
- k k measurements of the moisture content of various substances and objects.
- n) Applications as a thermostat e.g.
- a small quartz watch quartz could be brought into firm thermal contact with the sensor, so that to a certain extent it would itself become part of the sensor whose temperature is kept constant. This would result in an increase in the accuracy of the accuracy with respect to quartz, which are exposed to changing temperatures with little effort.
- quartz crystals kept constant temperature served as official time standards, so that with the solution proposed here cheap and yet excellent timepieces could be installed in devices that should not depend on the local reception of Zeit ⁇ time transmitters.
- h max (Fig 8 No. 4) be the height of the vessel and at the same time half the total length of the wire (because of the double wire guide).
- the height to which the liquid wets the wire is h F (Fig. 8 No. 5).
- the sensor temperature also remains at load changes between or in the immediate vicinity of an upper temperature limit T 0 and a lower limit T u . If the distance between the limits is chosen to be small, short response times can also be achieved with robust sensors.
- variable-height heating voltages are used, which are estimates whose quality of results is assessed in relation to the targets.
- iterative, convergent improvements of the estimates occur until the estimated value and exactly required heating voltage are identical.
- process-neutral and process-harmful estimates the latter being converted into process-neutral estimates by means of acute countermeasures before they can have a negative effect on the temperature constancy.
- FIG. 3 shows curves similar to those in FIG. 1 or 2, with a sudden increase in the heat dissipation capability of the sensor, according to the invention
- FIG. 4 shows the time profile of the sensor temperature (thin sawtooth curve) and that of the heating voltages (bold rectangular curve) in a very rapidly converging method according to the invention
- FIG. 4 shows the time profile of the sensor temperature (thin sawtooth curve) and that of the heating voltages (bold rectangular curve) in a very rapidly converging method according to the invention
- FIG. 6 shows a circuit used in the method according to the invention, in which a sensor with NTC characteristic is used
- FIG. 7 shows another circuit used in the method according to the invention, in which a sensor with a fast A / D converter is used.
- FIG. 8 shows a representation of a sensor in the form of an insulated wire in the use of the method according to the invention for the rapid measurement of liquid levels
- Fig. 11 is a known in the art CTA circuit of a second type.
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Abstract
Description
Beschreibung description
Verfahren zum Konstanthalten der Temperatur eines elektrisch beheizten Sensors bei Lastwechseln.Method for keeping constant the temperature of an electrically heated sensor during load changes.
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konstanthalten ein und derselben mittleren Tem¬ peratur eines elektrisch beheizten Sensors vor und nach einem Lastwechsel, wobei diese Temperatur über der Temperatur des den Sensor umgebenden Mediums gehalten wird.The invention relates to a method for keeping constant one and the same average temperature of an electrically heated sensor before and after a load change, wherein this temperature is maintained above the temperature of the medium surrounding the sensor.
Stand der TechnikState of the art
Die Konstanthaltung der Temperatur eines beheizten Sensors wird überwiegend als Messverfahren in der Anemometrie eingesetzt. Hier ist die Konstanttemperatur-Anemo- metrie (CTA, constant temperature anemometry) eine schon seit vielen Jahrzehnten, hauptsächlich in der Forschung zur Fluiddynamik, eingesetzte Technik mit kurzen An¬ sprechzeiten. Wegen ihres häufigen Einsatzes im akademischen Umfeld existiert dazu eine große Zahl von allgemein zugänglichen wissenschaftlichen Arbeiten und Untersuch¬ ungen.The constant maintenance of the temperature of a heated sensor is mainly used as a measuring method in anemometry. Constant-temperature anemometry (CTA) is a technique that has been used for many decades, mainly in fluid dynamics research, with short response times. Because of their frequent use in the academic environment, there are a large number of generally accessible scientific papers and investigations.
Den prinzipiellen Aufbau einer CTA-Schaltung vom Typ 1 (Proportionalverfahren) zeigt Fig. 10 (nach einer Darstellung der Firma Dantec Dynamics). Neben der Firma Dantec Dynamics A/S, Skovlunde / Dänemark zählt gegenwärtig noch die Firma TSI Inc., St. Paul, Minnesota / USA, zu den Weltmarktführern bei Konstanttemperatur-Anemometern. Weiterhin sind CTA-Schaltungen vom Typ 2 bekannt (Schaltverfahren, s. Fig. 11), bei de¬ nen ein Komparator durch das schnelle Ein-/Ausschalten einer festen Heizspannung ver¬ sucht, die Sensortemperatur konstant zu halten.The basic structure of a type 1 CTA circuit (proportional method) is shown in FIG. 10 (according to a representation by Dantec Dynamics). In addition to Dantec Dynamics A / S, Skovlunde / Denmark, TSI Inc., St. Paul, Minn., Is one of the world leaders in constant temperature anemometers. Furthermore, CTA circuits of type 2 are known (switching method, see Fig. 11), in which a comparator ver¬ by the rapid on / off a fixed heating voltage ver¬ tries to keep the sensor temperature constant.
Große allgemeine Bedeutung hat die CTA-Technik seit ca. 10-15 Jahren als „Luftmen¬ genmesser" bzw. „Luftmassenmesser" (LMM) in Verbindung mit Verbrennungsmotoren in Automobilen erhalten, nachdem die immer strenger werdenden Abgasnormen heute nur noch von elektronischen Motorsteuergeräten . mit dosierter Kraftstoffeinspritzung erfüllt werden können. Diese können aber nur dann ein optimales Luft-Kraftstoffgemisch erzeu¬ gen, wenn die Menge der pro Arbeitstakt angesaugten Luft gemessen werden kann (s. Auto & Elektronik 1/2002, S. 28). Der Automobilzulieferer Bosch beispielsweise hat LMMs nach neuester, konventioneller Bauart im Lieferprogramm.The CTA technology has received great general significance for about 10-15 years as "air genome meter" or "air mass meter" (LMM) in connection with internal combustion engines in automobiles, after the ever stricter emission standards only today still from electronic engine control units. can be met with metered fuel injection. However, these can only generate an optimum air-fuel mixture if the amount of air taken in per working cycle can be measured (see Auto & Elektronik 1/2002, p. The automotive supplier Bosch, for example, has LMMs according to the latest, conventional design in its product range.
Die Hauptkritik am Stand der Technik ist, dass das Problem der thermischen Trägheit des Sensors noch immer nicht befriedigend gelöst werden konnte: Nach dem derzeit gelten¬ den Verständnis verhalten sich die erreichbaren Ansprechzeiten stets proportional zur Masse des Sensors.The main criticism of the prior art is that the problem of the thermal inertia of the sensor could still not be solved satisfactorily: According to the currently valid understanding, the achievable response times are always proportional to the mass of the sensor.
Die CTA-Technik und die Hitzdraht- bzw. Hitzfilm-Anemometrie (mit verschwindend gerin¬ ger Sensormasse) werden deshalb zurzeit gemeinhin als Synonyme verstanden.The CTA technique and the hot-wire or Hitzfilm anemometry (with vanishingly small sensor mass) are therefore currently commonly understood as synonyms.
LMMs im Automobilbau besaßen anfangs tatsächlich einen erhitzten, sehr dünnen Platin¬ draht als Sensorelement. Später ging man zu Sensoren in Hitzfilmtechnik über, die we¬ gen ihrer winzigen Abmessungen aber immer noch eine notorische Ursache für Betriebs¬ störungen darstellen (z.B. Ausfall bei Verschmutzung durch Rußpartikel und, vornehmlich bei Schaltungen nach Typ 2, Ausfall durch Regelungsversagen wegen des ungenügen¬ den Lastregelbereiches dieser Schaltungsart beim Kontakt des Sensors mit einer Flüssig¬ keit, z.B. mit einem Wassertröpfchen).Initially, automotive LMMs actually had a heated, very thin platinum wire as the sensor element. Later, sensors were transferred to heat-film technology, which, however, still represent a notorious cause of operating disturbances due to their tiny dimensions (eg failure due to soot particles and, mainly in the case of type 2 circuits, failure due to control failure due to inadequacy) the load control range of this type of circuit upon contact of the sensor with a liquid, eg with a water droplet).
Ähnliche Probleme betreffen die Hitzdrähte der Forschungs-CTAs, deren Durchmesser von 5 μm oder weniger nur einen kleinen Bruchteil der Dicke eines menschlichen Haares beträgt (zum Vergleich: 60 bis 100 μm) und die nicht nur sehr leicht zerreissen, sondern bei unvorsichtiger Bedienung auch augenblicklich elektrisch durchbrennen können.Similar problems relate to the hot wires of the research CTAs whose diameter of 5 microns or less is only a small fraction of the thickness of a human hair (for comparison: 60 to 100 microns) and not only very easily tear, but also careless with careless operation can burn through electrically.
Wegen der hohen Zerbrechlichkeit der Hitzdraht-Sensoren (und wegen ihrem hohen Preis) gilt der Einsatz der CTA-Technik allgemein als sehr teuer; in der Forschung ande¬ rerseits gilt ihr Einsatz trotzdem als unverzichtbar.Because of the high fragility of the hot wire sensors (and because of their high price), the use of the CTA technique is generally considered very expensive; In research, on the other hand, their use is nonetheless indispensable.
Robuste Sensoren, wie sie die Industrie benötigt, können zwar prinzipiell auch im CTA- Modus nach dem Stand der Technik betrieben werden (s. Seydel, Kolahi, Rock - „Modell¬ gestützte Strömungsdetektion unter Verwendung eines am Markt verfügbaren Strö- mungswächters" in: Tagungsband zur MessComp 1997, Wiesbaden, S. 249-258). Dabei werden gegenüber dem in der Industrie benutzten, ausgesprochen trägen Konstantstrom- Verfahren (CCA) aber nur relativ geringe Geschwindigkeitsvorteile erreicht, die die Nach¬ teile dieser Technik (u. a. können im CTA-Modus starke Schwingungen auftreten) nicht aufwiegen.Although robust sensors, such as those required by industry, can in principle also be operated in state-of-the-art CTA mode (see Seydel, Kolahi, Rock - "Model-based flow detection using a current available on the market). mungswächters "in: Proceedings of the MessComp 1997, Wiesbaden, pp. 249-258), but only relatively small speed advantages are achieved compared to the extremely slow-acting constant current method used in industry (CCA). inter alia, strong vibrations can occur in the CTA mode) do not outweigh.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Bei dem neuen, erfindungsgemäßen CTA-Verfahren kann die mittlere Sensortemperatur durch die Verwendung passend berechneter Heizspannungen immer innerhalb eines wählbar kleinen Toleranzbereichs gehalten werden. Dabei kommt es zu einer eindeutigen Verbesserung der Temperaturkonstanz gegenüber den bekannten CTA-Verfahren, bei denen ein Lastwechsel regelmäßig entweder zu starken Schwingungen oder zu einer Veränderung der im Mittel effektiv konstant gehaltenen Temperatur führt. Als direkte Fol¬ ge dieser Verbesserung können kurze Ansprechzeiten erreicht werden, die nicht im ge¬ wohnten Umfang von der Masse des Sensors abhängig sind, so dass „Hitzdraht-typische" Ansprechzeiten auch mit deutlich robusteren Sensoren möglich werden.In the new CTA method according to the invention, the mean sensor temperature can always be kept within a selectably small tolerance range by using suitably calculated heating voltages. This results in a clear improvement in the temperature stability compared to the known CTA method, in which a load change regularly either leads to strong vibrations or to a change in the average effectively kept constant temperature. As a direct result of this improvement, short response times can be achieved which are not dependent on the mass of the sensor to the extent that is usual, so that "hot-wire-typical" response times are possible even with significantly more robust sensors.
1) Grundlegende Formeln1) Basic formulas
Zeitlicher Abkühlungsverlauf am Sensor (Abkühlungsgesetz nach Newton), der Sensor kühlt ohne Zufuhr von elektrischer Leistung wie folgt ab:Time-dependent cooling of the sensor (cooling law according to Newton), the sensor cools without supply of electrical power as follows:
(Tum = Umgebungstemperatur, T0 = Anfangstemperatur) Zeit beim Abkühlen, die zwischen dem Erreichen einer oberen Temperatur T0 und dem Erreichen einer unteren Temperatur Tu vergeht:(T um = ambient temperature, T 0 = initial temperature) Cooling time, which elapses between reaching an upper temperature T 0 and reaching a lower temperature T u :
tk = t k =
Zeitkonstante:Time constant:
_ m - c T = ~^A <3) _ m - c T = ~ ^ A < 3)
(m = Masse des Sensors [in kg], c = Wärmekapazität des Sensors [in Ws/(kg*K)], α = flächen- und temperaturbezogene Wärmeverlustleistung [in W/(m2*K)], A = wirksame Fläche des Sensors im Kontakt mit dem Medium [in m2], Zeitkonstante T [in s]).(m = mass of the sensor [in kg], c = heat capacity of the sensor [in Ws / (kg * K)], α = surface and temperature related heat dissipation [in W / (m 2 * K)], A = effective area of the sensor in contact with the medium [in m 2 ], time constant T [in s]).
Zeitlicher Aufheizungsverlauf:Time heating process:
(Te = Endtemperatur im thermischen Gleichgewicht unter dem Einfluss einer konstanten elektrischen Heizleistung)(T e = final temperature in thermal equilibrium under the influence of a constant electric heating power)
Zeit beim Aufheizen, die zwischen dem Verlassen der Umgebungstemperatur Tum und dem Erreichen einer oberen Temperatur T0 vergeht:Time during heating, which passes between leaving the ambient temperature T um and reaching an upper temperature T 0 :
2.1) Wie sich ein echtes Konstanttemperatur-Verfahren verhalten sollte 2.1) How a true constant temperature method should behave
Die thermische Trägheit eines Sensors tritt immer nur dann in Erscheinung, wenn sich seine Temperatur ändert. Hält man die Temperatur künstlich mit Hilfe einer Regelungs¬ schaltung konstant, so entfällt auch der Grund, warum sich thermische Trägheitseffekte zeigen sollten. Natürlich kann keine Regelungsschaltung gänzlich ohne kleinste Änderun¬ gen der Sensortemperatur auskommen, aber diese Änderungen ließen sich z.B. elektro¬ nisch verstärken, so dass sie makroskopisch am Sensor nicht bemerkbar wären. Ein mehr oder weniger starker Wärmeverlust des Sensors an das Medium macht sich augen¬ blicklich an einer winzigen Änderung der Sensortemperatur bemerkbar, die die Rege¬ lungsschaltung aber in praktisch dem selben Moment durch eine korrekte Anpassung der elektrischen Heizleistung wieder ausgleicht. Die Sensortemperatur hat sich also de fakto nicht geändert, und es gibt weiterhin keinen Grund, warum thermische Trägheitseffekte auftreten sollten. Nebenbei muss auch kein exorbitantes Temperaturgefälle zwischen Sensor und Medium herrschen, denn schon bei einer leichten Übertemperatur reagiert der Sensor und die Regelungsschaltung im Prinzip augenblicklich auf jeden Lastwechsel. Weil also schon eine leichte Übertemperatur gegenüber dem Medium im Prinzip völlig ausreicht und weil die Temperatur des Sensors auch bei starken Lastwechseln konstant bleibt, kann man Widerstände mit einer sehr hohen Temperaturempfindlichkeit (z.B. NTCs, PTCs) als Sensoren verwenden, deren allgemeine Temperatur-/Widerstandskenn- linie überhaupt keine weitere Rolle spielt (sie werden ja stets nur in der engsten Umge¬ bung eines einzigen Punktes auf ihrer Kennlinie betrieben). Außerdem besteht, wie ge¬ sagt, kein Grund, sie jemals dermaßen heiß betreiben zu müssen, dass sie eventuell Schaden nehmen könnten. Und um nocheinmal darauf zu sprechen zu kommen: wenn keine thermischen Trägheitseffekte auftreten, dann könnte, stark übertrieben gesagt, doch eigentlich sogar ein elektrisch beheizter Backstein als zügig reagierender Sensor benutzt werden, sofern nur sichergestellt ist, dass die recht große Wärmemenge, die er an das Medium abgibt, von einer ausreichend leistungsfähigen Stromquelle jederzeit nachgeliefert werden kann. Würde man den „Backstein" weiterhin wie einen Brotteig aus¬ walzen, so dass sich seine aktive Oberfläche, die im Kontakt mit dem Medium steht, im Verhältnis zu seiner Masse erhöhen würde, so würde a) sein Wärmeverlust zunehmen und gleichzeitig würde b) seine Reaktionsgeschwindigkeit als Sensor beschleunigt. Eine größere aktive Oberfläche bringt nicht nur höhere Reaktionsgeschwindigkeiten, sie inte¬ griert auch über die gesamte Fläche, d.h. lokale Mikroturbulenzen, einzelne Flüssigkeits- tröpfchen, Rußpartikel etc. würden das Messergebnis nicht merklich beeinträchtigen. Eine Unterscheidung „für Gase" bzw. „für Flüssigkeiten" ist auch nicht nötig. Man kann den Sensor beliebig oft und schnell von einem gasförmigen Medium in ein flüssiges Medium und umgekehrt bewegen, ohne dass sich an seiner Temperaturkonstanz etwas ändert.The thermal inertia of a sensor always occurs only when its temperature changes. If the temperature is kept artificially constant by means of a control circuit, the reason why thermal inertia effects should be eliminated is also eliminated. Of course, no control circuit can make do without any slightest changes in the sensor temperature, but these changes could be amplified, for example, electronically, so that they would not be macroscopically noticeable on the sensor. A more or less strong heat loss of the sensor to the medium makes itself noticeable immediately on a tiny change in the sensor temperature, which, however, compensates the control circuit again in practically the same moment by a correct adaptation of the electrical heating power. The sensor temperature has therefore not changed, and there is no reason why thermal inertia effects should occur. Incidentally, no exorbitant temperature gradient between sensor and medium must prevail, because even at a slight excess temperature, the sensor and the control circuit reacts in principle immediately to any load change. Because even a slight over-temperature compared to the medium in principle completely sufficient and because the temperature of the sensor remains constant even under heavy load changes, you can use resistors with a very high temperature sensitivity (eg NTCs, PTCs) as sensors whose general temperature / resistance characteristics - line plays no further role (they are always operated only in the closest surrounding of a single point on their characteristic curve). Moreover, as said, there is no reason ever to have to operate it so hot that it could possibly be damaged. And again to come to speak of it: if no thermal inertia effects occur, then could be, very exaggeratedly said, but actually an electrically heated brick used as a fast-reacting sensor, as long as it is ensured that the very large amount of heat that he the medium gives off, can be replenished at any time by a sufficiently powerful power source. If one were to continue to roll the "brick" like a bread dough so that its active surface in contact with the medium would increase in proportion to its mass, then a) its heat loss would increase and at the same time b) its A larger active surface not only brings higher reaction rates, it also integrates over the entire surface, ie local microturbulences, individual liquid droplets, soot particles etc. would not significantly affect the measurement result. A distinction "for gases" or "for liquids" is also not necessary. You can move the sensor as often and quickly from a gaseous medium in a liquid medium and vice versa, without changing its temperature stability something.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann als ein echtes Konstanttemperaturverfahren be¬ zeichnet werden, da es dem oben geschilderten Idealbild sehr nahe kommt, wie noch nachstehend näher beschrieben wird.The method according to the invention can be described as a true constant temperature method, since it comes very close to the above-described ideal image, as will be described in more detail below.
2.2) Warum die bisher bekannten Verfahren keine echten Konstanttemperatur-Verfahren sind2.2) Why the previously known methods are not true constant temperature methods
Nachdem die beiden Begriffe „Konstanttemperatur-Verfahren" bzw. „Konstanttemperatur- Anemometrie (CTA)" schon seit vielen Jahrzehnten besetzt sind, stellt sich die Frage, warum die bisher bekannten CTA-Verfahren eigentlich nur so wenig praktische Ähnlich¬ keiten mit dem oben gezeichneten Bild eines echten CTA-Verfahrens aufweisen.Since the two terms "constant temperature method" and "constant temperature anemometry (CTA)" have been occupied for many decades, the question arises as to why the CTA methods known hitherto have only so few practical similarities to the one shown above Have a picture of a true CTA method.
Da die Antwort auf diese Frage der Schlüssel zum Verständnis des hier beschriebenen Verfahrens ist, sei sie vorab gegeben: keines der bekannten CTA-Verfahren ist in der Lage, die elektrische Heizleistung im Augenblick eines Lastwechsels sofort korrekt anzu¬ passen.Since the answer to this question is the key to understanding the method described here, it should be given in advance: none of the known CTA methods is able to adapt the electrical heating power at the moment of a load change immediately correctly.
Dadurch sind die im ersten Absatz nach dem Passus „...in praktisch dem selben Moment durch eine korrekte Anpassung der elektrischen Heizleistung..." aufgeführten Eigenschaf¬ ten für die bisher bekannten CTA-Verfahren schon aus Prinzip nicht erreichbar. Dies lässt sich wie folgt erklären:As a result, the properties listed in the first paragraph after the passage "... in virtually the same moment by a correct adaptation of the electrical heating power ..." for the previously known CTA methods are not attainable on principle explain follows:
Beim bekannten Proportionalverfahren (Typ 1) sei eine sprunghafte Erhöhung des mo¬ mentanen Wärmeverlustes angenommen. Dabei sinkt die Sensortemperatur in den ers¬ ten Augenblicken nur geringfügig, worauf die Regelungsschaltung ebenfalls nur mit ge¬ ringfügigen Erhöhungen der Heizspannung reagiert. Tatsächlich sollte sie jetzt aber schon mit einer massiven, sprunghaften Erhöhung antworten, um ein noch weiteres Ab¬ sinken der Sensortemperatur unter den neuen Bedingungen zu verhindern. Im Endeffekt sinkt die Sensortemperatur über eine längere Zeit ab, bevor der (zu langsam) zuneh¬ mende Heizstrom endlich in der Lage ist, die Absenkungstendenz umzukehren. Mit der gleichen Verfahrensträgheit kommt es danach sogar wieder zu einem Überschießen über die Solltemperatur, weil der jetzt zu hohe Heizstrom auch nur sehr langsam wieder ge¬ senkt werden kann. In der Praxis werden diese Schwingungen deshalb immer (die CTA- Hersteller schreiben es auch vor!) durch eine unvollständige Kompensation der am Sensor verloren gehenden Wärme reduziert, was freilich die unschöne Konsequenz hat, dass damit unter verschiedenen Lastsituationen zwangsläufig verschiedene mittlere Sen¬ sortemperaturen konstant gehalten werden (Lastwechsel -> Temperaturänderung des Sensors-> thermische Trägheit).In the case of the known proportional method (type 1), a sudden increase in the instantaneous heat loss is assumed. In this case, the sensor temperature drops only slightly in the first moments, whereupon the control circuit likewise reacts only with slight increases in the heating voltage. In fact, it should now respond with a massive, erratic increase in order to prevent a further drop in the sensor temperature under the new conditions. In the end The sensor temperature drops over a longer period of time before the (too slow) increasing heating current is finally able to reverse the lowering tendency. With the same inertia of the process, there is even an overshoot above the setpoint temperature, because the now too high heating current can only be lowered very slowly. In practice, these oscillations are therefore always (the CTA manufacturers also prescribe it!) Reduced by an incomplete compensation of the heat lost at the sensor, which of course has the unfortunate consequence that under different load situations inevitably different average Sen¬ semperaturemperaturen constant held (load change -> temperature change of the sensor -> thermal inertia).
Beim bekannten Schaltverfahren (Typ 2) sei ebenfalls eine sprunghafte Erhöhung des momentanen Wärmeverlustes angenommen. Das Verfahren produziert nun automatisch längere Heizphasen (EIN) als Abkühlphasen (AUS). Betrachtet man die dabei entste¬ hende, konstant gehaltene mittlere Sensortemperatur mathematisch, d.h. berechnet man die mittlere Sensortemperatur mittels der Integrale über die Abkühl- und Aufheizkurven, so stellt man fest, dass die mittlere Sensortemperatur in Wahrheit schon unter den Sollwert gefallen ist. Erhöht sich der Wärmeverlust noch weiter, so kann es passieren, dass nur noch eine einzige, endlose Heizphase produziert wird, während der die Sensor¬ temperatur unrettbar absinkt (das Verfahren hat versagt). Dies geschieht z.B. regelmäßig dann, wenn ein für Gase ausgelegtes CTA vom Typ 2 mit einer Flüssigkeit, z.B. mit ei¬ nem Wassertröpfchen, in Berührung kommt. Dass dies z.B. bei Luftmengenmessern im Automobilbau ein sehr ernsthaftes Problem darstellt, sieht man an ständigen Lösungsver¬ suchen, wie z.B. im US-Patent 6,752,014 der Firma Hitachi. Wenn die Solltemperatur sehr weit über der Mediumstemperatur liegt und wenn eine hohe Aufheizspannung ver¬ wendet wird, was häufig der Fall ist, werden Abkühl- und Aufheizkurven beim Typ 2 nähe¬ rungsweise zu Geraden, so dass sich das mathematische Problem der mittleren Sensor¬ temperatur relativiert. Das größere Problem stellt, unabhängig davon, jedoch der geringe Lastregelbereich der Typ 2-Verfahren dar, der aus dem Arbeitsprinzip P = Pmax * th / (th + tk ) herrührt: es ist leicht einzusehen, dass weder der Wert P=O noch der Wert P= Pmax im Rahmen einer sinnvollen Regelung realisierbar sind. Daraus folgt die Existenz von Grau¬ zonen für noch vertretbare Verhältnisse von th / tk zueinander und daraus folgt wiederum, dass der nutzbare Lastregelbereich beschränkt sein muss. In der Praxis reicht der effek¬ tive Lastregelbereich tatsächlich nicht aus, um z.B. einen Kontextwechsel aus einem ru- henden Gas zu einer strömenden Flüssigkeit oder umgekehrt tolerieren zu können (es kommt dabei stets zum Regelungsversagen).In the known switching method (Type 2) is also assumed a sudden increase in the instantaneous heat loss. The process now automatically produces longer heating phases (ON) than cooling phases (OFF). If one considers mathematically the resulting mean sensor temperature which is kept constant, ie if one calculates the average sensor temperature by means of the integrals via the cooling and heating curves, then one realizes that the mean sensor temperature has in fact already fallen below the setpoint value. If the heat loss increases even further, it may happen that only a single, continuous heating phase is produced during which the sensor temperature drops unrecoverably (the method has failed). This happens, for example, regularly when a type 2 CTA designed for gases comes into contact with a liquid, for example with a water droplet. That this represents a very serious problem, for example, with air flow meters in the automotive industry, one sees in constant Lösungsver¬ search, such as in US Patent 6,752,014 Hitachi. If the setpoint temperature is very far above the medium temperature and if a high heating voltage is used, as is often the case, then cooling and heating curves in type 2 become approximately straight lines, so that the mathematical problem of the mean sensor temperature perspective. Regardless, however, the larger problem is the low load control range of the Type 2 method, which results from the principle of operation P = P max * t h / (t h + t k ): it is easy to see that neither the value P = O still the value P = P max can be realized within the scope of a meaningful control. From this follows the existence of gray zones for still acceptable ratios of t h / t k to each other, and it follows again that the usable load control range must be limited. In practice, the effective load control range is in fact not sufficient, for example, to change the context from a gas to a flowing liquid or vice versa to be able to tolerate (it always comes to regulatory failure).
2.3) Wie die mittlere Sensortemperatur vor und nach einem Lastwechsel auf ein und demselben Wert konstant gehalten werden kann2.3) How the average sensor temperature can be kept constant at one and the same value before and after a load change
Wie in 2.2 erklärt wurde, gelingt im Stand der Technik bisher nur die (lastabhängige) Kon¬ stanthaltung verschiedener mittlerer Sensortemperaturen. Mit anderen Worten: nach je¬ dem Lastwechsel wird eine etwas andere mittlere Sensortemperatur eingestellt und kon¬ stant gehalten (dadurch thermisches Trägheitsproblem). Nach allen bisherigen Recher¬ chen ist davon auszugehen, dass dieser Umstand zurzeit wohl nicht allgemein bekannt ist und dass das Phänomen der „thermischen Trägheit", wie es bei den bekannten CTA- Verfahren immer noch auftritt, deshalb allgemein auf die Masse des Sensors zurückge¬ führt wird. Tatsächlich sind es jedoch die genannten methodischen Mängel der bekannten CTA-Ve rfahren, die den größten Beitrag zur so genannten thermischen Trägheit des Sen¬ sors leisten. Von den bekannten CTA-Verfahren könnte bisher lediglich das Proportional¬ verfahren (Typ 1) im Sonderfall einer genau 100,0-prozentigen Rückführung der am Sen¬ sor verloren gegangenen Wärme vor und nach einem Lastwechsel theoretisch ein und dieselbe mittlere Sensortemperatur konstant halten. Diese theoretische Möglichkeit lässt sich aber kaum in der Praxis realisieren, denn man müsste dazu den einzigen akzeptab¬ len Verstärkungsfaktor ja exakt punktgenau einstellen können -> dies ist praktisch meist nicht möglich. Führt man weniger als 100,0 % der Verlustwärme zurück (in der Praxis be¬ nutzt man meist ca. 80 %), so erhält man die besagten lastabhängigen, verschiedenen mittleren Sensortemperaturen, führt man dagegen mehr als 100,0 % zurück, so entsteht eine Eigenoszillation, in deren Verlauf die mittlere Sensortemperatur ständig ansteigt.As has been explained in 2.2, in the prior art so far only the (load-dependent) constant maintenance of various mean sensor temperatures has been achieved. In other words, after each load change, a slightly different mean sensor temperature is set and kept constant (as a result of this thermal inertia problem). According to all research so far, it can be assumed that this circumstance is currently not generally known and that the phenomenon of "thermal inertia", as it still occurs in the known CTA methods, therefore generally refers back to the mass of the sensor In fact, however, it is the aforementioned methodological deficiencies of the known CTA methods which make the greatest contribution to the so-called thermal inertia of the sensor. In the special case of exactly 100.0% recirculation of the heat lost at the sensor before and after a load change theoretically keep one and the same average sensor temperature constant, but this theoretical possibility can hardly be realized in practice, because one would have to do this Yes, you can exactly set the exact amplification factor -> this is practically the case t is not possible If less than 100.0% of the heat loss is returned (in practice, it is usually about 80%), then one obtains the said load-dependent, different average sensor temperatures, while on the other hand one leads more than 100.0%. back, this results in a self-oscillation, in the course of which the mean sensor temperature constantly increases.
Im folgenden wird gezeigt, wie man bereits mit den Grundelementen der Erfindung, d.h. mit berechneten Heizspannungen und mit der Benutzung eines Temperaturfensters, d.h. mit einer oberen Temperaturgrenze T0 und einer unteren Temperaturgrenze Tu, die beide über der Mediumstemperatur Tm liegen, zu einem einfachen Verfahren findet, welches die gestellte Aufgabe problemlos löst: Es wird a) eine erste, niedrige Heizspannung Uho an den Sensor angelegt, die in aufein¬ ander folgenden Schritten um einen Spannungsbetrag Δ\J gemäß Uhn = Uhn-i + Δ\J solan¬ ge erhöht wird, bis sich der Sensor auf eine hohe Sensortemperatur T0 aufgeheizt hat. Danach wird b) die Heizspannung gemäß Uhn = Uhn-i - ^U solange wieder gesenkt, bis sich der Sensor infolge Wärmeverlust auf eine niedrigere Sensortemperatur Tu abgekühlt hat, dann wird c) die Heizspannung gemäß Uhn = Uhn-i + ^U wieder erhöht, bis sich der Sensor wieder auf die hohe Sensortemperatur T0 aufgeheizt hat, und letztlich wird das Verfahren mit den Schritten b) und c) ständig wiederholt.In the following it is shown, how already with the basic elements of the invention, ie with calculated heating voltages and with the use of a temperature window, ie with an upper temperature limit T 0 and a lower temperature limit T u , which are both above the medium temperature T m , to a simple procedure that solves the task without any problem: It is a) a first, low heating voltage U h o applied to the sensor, which is successively increased in successive steps by a voltage amount Δ \ J U hn = U hn -i + Δ \ J until ge the sensor has heated to a high sensor temperature T 0 . Thereafter, b) the heating voltage according to U hn = U hn -i - ^ U lowered again until the sensor has cooled due to heat loss to a lower sensor temperature T u , then c) the heating voltage according to U hn = U h ni + ^ U again increased until the sensor has heated up again to the high sensor temperature T 0 , and ultimately the process with steps b) and c) is repeated constantly.
Fig. 9 soll die grundsätzliche Arbeitsweise dieses Verfahrens verdeutlichen. Dargestellt ist das Verhalten vor und nach einem Lastwechsel (in der linken Hälfte der Zeichnung liegt ein niedriger Wärmeverlust vor, in der rechten Hälfte hat sich der Wärmeverlust erhöht). Die fett gezeichnete Kurve stellt den Verlauf der Sensortemperatur dar, die dünn gezeich¬ nete, dreiecksförmige Kurve zeigt den Verlauf der am Sensor umgesetzten elektrischen Leistung (Peι). Man sieht hier: a) die mittlere Sensortemperatur bleibt vor und nach dem Lastwechsel konstant, b) dies geschieht automatisch und erfordert demzufolge keine Einstellmaßnahmen mit einer an's Unmögliche grenzenden Präzision, c) man kann das oben genannte Verfahren weitgehend variieren, ohne seinen Charakter wesentlich zu verändern, z.B. wurde in Fig. 9 nicht Uhn = Uhn-i ± Δ\J benutzt, sondern Phn = Phπ-i ± ^P, d) der Begriff „Berechnung" impliziert nicht automatisch die Benutzung eines digitalen Mikrocontrollers, sondern kann oft auch mit Mitteln der Analogrechentechnik realisiert werden (was hier übrigens der Fall war, sonst wäre die glatte, dreiecksförmige Kurve eher eine dreiecksförmige Treppenkurve geworden).Fig. 9 is intended to illustrate the basic operation of this method. Shown is the behavior before and after a load change (in the left half of the drawing is a low heat loss, in the right half, the heat loss has increased). The bold curve represents the course of the sensor temperature, the thinly marked, triangular curve shows the course of the electrical power (P e ι) converted at the sensor. It can be seen here: a) the average sensor temperature remains constant before and after the load change, b) this happens automatically and therefore requires no adjustment measures with an accuracy that is close to the impossible, c) the above method can be varied to a large extent without significantly affecting its character For example, in Fig. 9, U hn = U hn -i ± Δ \ J was not used, but P hn = P h π-i ± P, d) The term "computation" does not automatically imply the use of a digital microcontroller but can often also be realized with means of analogue technology (which incidentally was the case here, otherwise the smooth, triangular curve would have become rather a triangular-shaped stair curve).
Obwohl dieses Verfahren eine Grundaufgabe eines echten CTA, nämlich die tatsächlich konstant gehaltene mittlere Sensortemperatur unter allen Lastsituationen identisch beizu¬ behalten, automatisch lösen kann und damit den bekannten CTA-Verfahren bereits etwas voraus hat, ist es doch selbst wiederum (z.B. durch seine dem bekannten Typ 1 ähnelnde Schwingungsneigung, die immer noch von der Masse des Sensors abhängt) noch weit von einem echten CTA-Verfahren entfernt, wie es Gegenstand der noch folgenden Aus¬ führungen sein wird. 2.4) Wie die mittlere Sensortemperatur idealerweise konstant gehalten werden sollteAlthough this method can automatically solve the basic task of a true CTA, namely to maintain the mean sensor temperature which is actually kept constant under all load situations and thus already somewhat ahead of the known CTA method, it is in turn itself (eg by means of its known Type 1 similar tendency to oscillate, which still depends on the mass of the sensor) still far from a true CTA method, as will be the subject of the following Aus¬ guides. 2.4) Ideally, the average sensor temperature should be kept constant
Verfahren in Anlehnung an Typ 1: Unter der Annahme eines gleichbleibenden Wärmever¬ lustes am Sensor ist unmittelbar klar, dass man im Grunde nur einmalig die dazu genau passende Heizspannung anlegen müsste, um den Wärmeverlust dauerhaft zu kompen¬ sieren. Unter der Wirkung dieser passenden Heizspannung würde die Aufheizkurve nach Gl. 4 dazu führen, dass sich die Endtemperatur Te des Sensors exakt auf der Solltempe¬ ratur einstellen würde. Nach einer Änderung des momentanen Wärmeverlustes könnte man bereits aus den ersten messbaren Folgen der Änderung prinzipiell sofort eine neue, genau passende Heizspannung berechnen, diese anlegen und hätte dann wieder er¬ reicht, dass die Endtemperatur mit der Solltemperatur identisch wird.Method based on Type 1: Assuming a constant loss of heat at the sensor, it is immediately clear that one would basically only have to apply the heating voltage which is exactly suitable for this purpose in order to permanently compensate for the heat loss. Under the effect of this matching heating voltage, the heating curve according to Eq. 4 lead to the end temperature T e of the sensor would set exactly at the Solltempe¬ temperature. After a change in the instantaneous heat loss, it would be possible, in principle, to immediately calculate a new, exactly matching heating voltage from the first measurable consequences of the change, apply this and then have again achieved that the final temperature becomes identical to the setpoint temperature.
Verfahren in Anlehnung an Typ 2: Bei einem zyklischen „EIN/AUS"-Verfahren kann die mittlere Sensortemperatur nur dann auf dem Sollwert Tson konstant gehalten werden, wenn sich die Abkühlkurve zwischen einer oberen Grenze T0 (=Tsou + Z-T) und einer un¬ teren Grenze T11 (die auch immer über der höchsten möglichen Mediumstemperatur lie¬ gen muss, Tu =Tson - ZiT) und die Aufheizkurve zwischen denselben Grenzen gegenseitig ergänzen. Mit anderen Worten: die mittlere Sensortemperatur der Aufheizkurve (Gl. 4) muss immer um den genau gleichen Betrag („Berg") größer sein, um den umgekehrt die mittlere Sensortemperatur der Abkühlkurve (GI.1 , „Tal") aus physikalischen / mathemati¬ schen Gründen stets etwas unterhalb der Solltemperatur bleibt. Diese Forderungen las¬ sen sich dann, und nur dann, erfüllen, wenn in der Heizphase keine fixe Maximalspan¬ nung angelegt wird, sondern eine berechnete Spannung, die zu einer Endtemperatur von genau Te = 2*Tson -Turπ führen würde, wenn man sie permanent anliegen ließe. Zum wirklichen Anstieg auf 2*Tson -Tum kommt es dabei nie, weil es zum Wesen eines an den Typ 2 angelehnten Verfahrens gehört, dass die Heizspannung schon beim Erreichen von T0 wieder abgeschaltet wird. Aber der zwischen Tu und T0 gelegene Abschnitt dieser speziellen Aufheizkurve ist das genau benötigte Gegenstück zum Verlauf der vorange¬ gangenen Abkühlkurve zwischen T0 und T11. Auch in diesem Fall könnte man nach einer Änderung des momentanen Wärmeverlustes prinzipiell aus den ersten messbaren Folgen der Änderung eine neue, genau passende Heizspannung berechnen, diese anlegen und hätte dann wieder erreicht, dass die mittlere Sensortemperatur mit der Solltemperatur identisch bleibt. Zusammenfassung: unter der Voraussetzung, dass die momentan exakt benötigte Heiz¬ spannung ermittelt werden konnte, können sowohl für Verfahren vom Typ 1 als auch für Verfahren vom Typ 2 optimale Aufheizkurvenverläufe im Sinne eines echten CTA-Verfah- rens erzielt werden. Bei einem echten CTA-Verfahren ist die Kenntnis des momentanen Wärmeverlustes außerdem eine Begleiterscheinung der Regelung, die sich mit dieser ständigen Kenntnis selbst im Idealbetrieb hält, und ist nicht, wie bei den bekannten CTA- Verfahren, nur das Endergebnis einer vorher vergleichsweise blind abgelaufenen Rege¬ lung.Method based on Type 2: In a cyclic "ON / OFF" method, the average sensor temperature can only be kept constant at the setpoint T so n when the cooling curve between an upper limit T 0 (= T so u + ZT ) and an un¬ direct limit T 11 (which also always n above the highest possible medium temperature lie¬ gen needs, T u = T - ZiT) and the heating curve between the same limits complement each other In other words, the average sensor temperature of the heating curve. (Equation 4) must always be greater by the exact same amount ("mountain"), by which the mean sensor temperature of the cooling curve (GI.1, "valley") always remains slightly below the setpoint temperature for physical / mathematical reasons These requirements can then be satisfied, and only then, if no fixed maximum voltage is applied in the heating phase, but a calculated voltage which leads to a final temperature of exactly T e = 2 * T so n -Tr would, if you let it rest permanently. For real change to 2 * T so -T n to occur while never because it is in the nature of a style similar to the Type 2 method is that the heating voltage is already switched off when reaching T 0 again. But the section of this special heating curve lying between T u and T 0 is the exact counterpart to the course of the preceding cooling curve between T 0 and T 11 . In this case too, after a change in the instantaneous heat loss, it would be possible in principle to calculate a new, exactly matching heating voltage from the first measurable consequences of the change, to apply this and then to ensure that the mean sensor temperature remains identical to the setpoint temperature. Summary: assuming that the currently exactly required heating voltage could be determined, optimum heating curve characteristics in the sense of a true CTA process can be achieved both for Type 1 and Type 2 processes. In a true CTA method, the knowledge of the instantaneous heat loss is also a concomitant of the scheme, which holds itself with this constant knowledge even in ideal operation, and is not, as in the known CTA method, only the end result of a previously relatively blind expired Rege ¬ ment.
2.5) Wie man die exakt benötigte Heizspannung findet2.5) How to find the exact required heating voltage
2.5.1) Durchführung eines Mess-Taktes2.5.1) Execution of a measuring cycle
Zunächst muss sich die Temperatur des Sensors an der oberen Grenze T0 befinden. Jetzt wird die Zufuhr der elektrischen Heizleistung auf ein Minimum reduziert. Es kommt zu einem Absinken der Sensortemperatur nach Gl. 1. Nun wird die Zeit ^ gemessen, die vergeht, bis die Sensortemperatur von der oberen Grenze T0 auf die untere Grenze Tu abgesunken ist.First, the temperature of the sensor must be at the upper limit T 0 . Now the supply of electric heating power is reduced to a minimum. There is a drop in the sensor temperature according to Eq. 1. Now the time is measured ^, which passes until the sensor temperature has dropped from the upper limit T 0 to the lower limit T u .
Man kann t|< notfalls auch mit einer Folge von vielen, in kurzen Zeitabständen Δ\ aufein¬ ander folgenden Temperaturmessungen bestimmen. Die Zeit tk wird dabei als Zeit nz\t gemessen, wobei n die Zahl der Temperaturmessungen ist, die zwischen dem Erhalt des Messwertes T0 und dem Erhalt des Messwertes T11 angefallen sind, wobei in der Regel zwischen den je zwei randständigen Messwerten, zwischen denen T0 bzw. Tu liegt, inter¬ poliert werden muss. Die Schaltung nach Fig. 7 verwendet diese Messmethode. Eine direkte Messung der Zeit tk (wie in der Schaltung nach Fig. 6) ist jedoch stets vorzuzie¬ hen, da Zeitmessungen zu den am genauesten technisch durchführbaren Messungen überhaupt zählen.You can t | If necessary, also with a sequence of many, at short intervals Δ \ aufein¬ other temperature measurements determine. The time t k is measured as the time nz \ t, where n is the number of temperature measurements that occurred between the receipt of the measured value T 0 and the receipt of the measured value T 11 , wherein as a rule between the two marginal measured values, between which T 0 or T u is interpolated must be. The circuit of Fig. 7 uses this measuring method. However, a direct measurement of the time t k (as in the circuit of FIG. 6) is always preferable, since time measurements are among the most technically feasible measurements ever.
Bei einem Verfahren in Anlehnung an den Typ 2 wird die obere Grenze T0 regelmäßig er¬ reicht, worauf der nächste Mess-Takt ausgelöst wird. Bei einer Anlehnung an den Typ 1 wird die obere Grenze T0 nur als Folge eines Lastwechsels erreicht, wobei der Mess-Takt dann ausgelöst wird. Führt der Lastwechsel beim Typ 1 zuerst zum Erreichen der unteren Grenze Tu, so wird die Sensortemperatur mit einer hohen Heizspannung zwangsweise und kurzfristig an die obere Grenze T0 gebracht, worauf sich der Mess-Takt anschließt.In a method based on type 2, the upper limit T 0 is regularly reached, whereupon the next measuring cycle is triggered. With a reference to the type 1, the upper limit T 0 is reached only as a result of a load change, the measurement cycle is then triggered. The load change in type 1 leads first to reach the lower one Limit T u , the sensor temperature is forcibly and briefly brought to the upper limit T 0 with a high heating voltage, followed by the measuring cycle followed.
2.5.2) Bildung von Zielvorgaben für die anzulegende Heizspannung2.5.2) Formation of targets for the heating voltage to be applied
Hier wird festgelegt, zu welchem Ergebnis die anzulegende Heizspannung führen sollte.Here it is determined to which result the heating voltage to be applied should result.
Bei einem Verfahren vom Typ 1 würde man von der anzulegenden Heizspannung for¬ dern, dass sie nach Möglichkeit eine Endtemperatur des Sensors einstellen soll, die mit der Solltemperatur identisch ist. Da sich die Endtemperatur des Sensors aber nicht sofort einstellen kann und deshalb erst relativ spät festgestellt werden könnte, ob das gewün¬ schte Ergebnis eingetreten ist, ist es besser, grundsätzlich nur eine Zielvorgabe für den gleichwertigen Typ 2 zu bilden: hier weiß man, dass die ideale Heizspannung zu einer Endtemperatur Te = 2 * Tson -Tum führen würde, wenn man sie permanent anliegen ließe. Gleichzeitig hat diese ideale Aufheizkurve auch die leicht messbare Eigenschaft, dass da¬ mit, ausgehend von der unteren Grenze T11, die obere Grenze T0 in der genau gleichen Zeit th erreicht wird, wie sie bei der Abkühlung als Zeit tk im so genannten Mess-Takt ge¬ messen wurde.In a method of type 1, one would demand from the heating voltage to be applied that, if possible, it should set a final temperature of the sensor which is identical to the setpoint temperature. However, since the final temperature of the sensor can not be set immediately and therefore it could not be determined until relatively late whether the desired result has occurred, it is better to form basically only one target for the equivalent type 2: here it is known that the ideal heating voltage would lead to a final temperature T e = 2 * T so n -T um , if you let it rest permanently. At the same time, this ideal heating curve also has the easily measurable property that, starting from the lower limit T 11 , the upper limit T 0 is reached in exactly the same time t h as when t k in the case of cooling said measuring cycle was measured ge.
Die Zielvorgabe lautet also th / tk = 1. Wenn eine angelegte Heizspannung die Temperatur des Sensors in der Zeit th = tk von der unteren Grenze Tu bis an die obere Grenze T0 steigen lässt, dann muss sie die momentan exakt benötigte Heizspannung Uh2 sein (für ein schaltendes Verfahren in Anlehnung an den Typ 2).The target value is thus t h / t k = 1. If an applied heating voltage causes the temperature of the sensor to increase from the lower limit T u to the upper limit T 0 in the time t h = t k , then it must now be exactly required heating voltage U h2 (for a switching process based on type 2).
Man kann dann auch sofort die exakt benötigte Heizspannung UM für ein Verfahren nach Typ 1 angeben, denn beide Spannungen hängen auf einfachste Weise miteinander zu¬ sammen:It is then also possible to indicate immediately the exactly required heating voltage U M for a method according to type 1, since both voltages are related to one another in the simplest manner:
U - ^ (6) Übrigens kann man auch mit der weniger strengen Zielvorgabe th / tk = const in vielen Fäl¬ len zu einer passablen Regelung kommen, nur dass dann ein etwas anderer als der ge¬ naue Sollwert konstant gehalten wird.U - ^ (6) Incidentally, even with the less stringent target value t h / t k = const, in many cases it is possible to arrive at a passable control, except that then a slightly different setpoint than the corresponding nominal value is kept constant.
Grundsätzlich könnte man das hier beschriebene echte CTA-Verfahren auch als eine Synthese zwischen den bekannten Verfahren vom Typ 1 und vom Typ 2 beschreiben, was hier aber zu weit führen würde. Es sei daher nur gesagt, dass bei einem echten CTA-Verfahren keine ausschließliche Anlehnung an nur einen der beiden bekannten Grundtypen besteht, vielmehr können (was durch Gl. 6 naheliegt) Elemente beider Grundtypen in freier Kombination verwendet werden. Z.B. kann die Spannung, die ein Verfahren vom Typ 1 benötigt, durch ein sehr kurzes Intermezzo (einige wenige Zyklen) eines Verfahrens vom Typ 2 ermittelt werden, worauf dann auf unbestimmt lange Zeit (bis zum nächsten Lastwechsel) wieder ausschließlich die Verfahrenseigenschaften des Typs 1 wirksam sind. Ein anderes Synthese-Beispiel ist die Benutzung der variablen Heizspan¬ nungen des Typs 1 (die sich dort prinzipbedingt nur mathematisch stetig verändern kön¬ nen) und die bei einem echten CTA nach Art des Typs 2 (also mathematisch unstetig) aufgeschaltet werden. Anstelle von „echtes CTA" könnte man daher auch z.B. „syntheti¬ sches CTA" sagen.In principle, one could also describe the real CTA process described here as a synthesis between the known processes of type 1 and type 2, but this would lead too far here. It should therefore be said that in a true CTA method there is no exclusive reference to only one of the two known basic types, but (as is obvious from equation 6) elements of both basic types can be used in free combination. For example, For example, the voltage required by a Type 1 method can be determined by a very short interlude (a few cycles) of a Type 2 method, and then, for an indefinite time (until the next load change), only the Type 1 process characteristics become effective again are. Another example of synthesis is the use of the variable heating voltages of type 1 (which in principle can only change mathematically continuously there) and which are switched on in the case of a true type 2 CTA (that is, mathematically discontinuous). Therefore, instead of "true CTA" one could also say, for example, "synthetic CTA".
2.5.3) Bildung eines Schätzwertes für die anzulegende Heizspannung2.5.3) Formation of an estimate of the heating voltage to be applied
Es wird eine erste Heizspannung Uh geschätzt (0 < Uh <= Umax) und angelegt. Im Allge¬ meinen wird man eine fundierte Schätzung benutzen, die auf der gemessenen Zeit tk be¬ ruht (s. 2.5.5.2), aber man könnte prinzipiell auch eine völlig freie Wahl treffen.A first heating voltage U h is estimated (0 <U h <= U max ) and applied. In general, one will use a well-founded estimate based on the measured time t k (see 2.5.5.2), but in principle one could make a completely free choice.
2.5.4) Qualitätsbeurteilung der angelegten Heizspannung2.5.4) Quality assessment of the applied heating voltage
Die folgenden Ausführungen gelten für ein Verfahren in Anlehnung an den Typ 2: im Au¬ genblick des Anlegens der Heizspannung (die Sensortemperatur liegt dann aktuell an der unteren Grenze Tu ) beginnt man mit der Messung der Aufheizzeit th, die vergeht, bis die obere Grenze T0 erreicht wird. Es gibt genau drei mögliche Fälle, die eintreten können: 1) der Schätzwert stimmt mit der momentan exakt benötigten Heizspannung genau überein, 2) der Schätzwert liegt zu hoch und 3) der Schätzwert liegt zu niedrig.The following statements apply to a method based on type 2: in view of the application of the heating voltage (the sensor temperature is then currently at the lower limit T u ) one begins with the measurement of the heating time t h , which passes until the upper limit T 0 is reached. There are exactly three possible cases that can occur: 1) the estimated value exactly matches the currently exactly required heating voltage, 2) the estimated value is too high and 3) the estimated value is too low.
Fall 1) bereitet keine Probleme, die obere Grenze T0 wird genau in th = tk erreicht, damit hat man die gewünschte Regelung erhalten und kann einen neuen Mess-Takt einleiten. Die Qualitätsbeurteilung besteht aus dem Quotienten th / tk (oder, was im Grunde genau das Gleiche ist, aus dem Quotienten tk/ th) und hat den Optimalwert 1.Case 1) presents no problems, the upper limit T 0 is reached exactly in t h = t k , thus one has obtained the desired control and can initiate a new measurement cycle. The quality assessment consists of the quotient t h / t k (or what is basically exactly the same, from the quotient t k / t h ) and has the optimum value 1.
Fall 2) erhöht die Sensortemperatur zu stark, so dass die obere Grenze T0 zu früh erreicht wird. Die Qualitätsbeurteilung (th / tk < 1) fällt schlecht aus, aber der Schätzwert kann als verfahrensneutral (d.h., als nicht verfahrensschädlich) angesehen werden, da die obere Grenze erreicht wurde und ein neuer Mess-Takt eingeleitet werden kann.Case 2) increases the sensor temperature too much, so that the upper limit T 0 is reached too early. The quality assessment (t h / t k <1) is poor, but the estimate may be considered process neutral (ie, not harmful to the process) since the upper limit has been reached and a new measurement cycle can be initiated.
Fall 3) erhöht die Sensortemperatur nicht ausreichend schnell. Wenn die Sensortempera¬ tur ansteigt und die obere Grenze T0 innerhalb einer noch tolerierten Zeit th = f * tk erreicht wird (f = Toleranzfaktor, z.B. f = 1 ,15) wird der Schätzwert eine ungünstige Qualitätsbeur¬ teilung erhalten (th / tk > 1), aber als verfahrensneutral bewertet, da ein neuer Mess-Takt ohne weitere Maßnahmen eingeleitet werden kann.Case 3) does not increase the sensor temperature sufficiently fast. If the sensor temperature rises and the upper limit T 0 is reached within a still tolerated time t h = f * t k (f = tolerance factor, eg f = 1, 15), the estimated value is given an unfavorable quality assessment (t h / t k > 1), but evaluated as process neutral, since a new measurement cycle can be initiated without further action.
Wenn die Sensortemperatur dagegen nicht in der tolerierten Zeit bis an die obere Grenze T0 gelangt ist, dann wird die Zeitmessung abgebrochen (th / tk » 1), der Schätzwert wird als potenziell verfahrensschädlich eingestuft (d.h. es besteht die Gefahr, dass die Sensor¬ temperatur damit nicht innerhalb des Temperaturfensters gehalten werden kann, insbe¬ sondere bei zu niedrigen Heizspannungen) und der Temperaturanstieg auf T0 wird durch das Anlegen einer hohen oder der maximalen Heizspannung erzwungen. Das Gleiche geschieht, wenn die Sensortemperatur während der Messung von th die untere Grenze Tu erreicht oder diese Grenze schon vom Start weg nicht überschreiten kann (genauer: wenn die Sensortemperatur nach Ablauf einer wählbaren Mindestmesszeit tw die Grenze Tu noch nicht überschritten hat). Der potenziell verfahrensschädliche Schätzwert wird durch diese Zwangsmaßnahme also in einen verfahrensneutralen Wert (Fall 2) umge¬ wandelt. Danach wird ein neuer Mess-Takt eingeleitet. Man kann sicher nicht alle Möglichkeiten, wie man eine Qualitätsbeurteilung durchführen kann, im Detail ausführen. Wenn man z.B. den zeitlichen, nicht durch einen Lastwechsel gestörten Verlauf der Abkühlkurve mit einer Folge von n aufeinander folgenden Tempera¬ turmessungen im jeweiligen Abstand Δt aufgenommen und als Kurve T«(t) in einem Spei¬ cher abgelegt hat, dann könnte man als Zielvorgabe z.B. die Aufheizkurve TH,Soiι(t)= (Tu+ To)-Tκ(t) berechnen. Man muss jetzt nicht notwendigerweise den Quotienten th / tk zur Qualitätsbeurteilung verwenden, sondern kann einen allgemeineren Qualitätswert Q definieren, der eine optimale Bewertung (=1) dann erhält, wenn die zu jedem Zeitpunkt t>0 während der Aufheizung gemessenen Temperaturen TH(t) in einem gewählten To¬ leranzbereich der Breite 2ε um die Solltemperaturen liegen (TH.SOIIO) - ε < THOO < TH,Soiι(t) + f). Falls man ε relativ großzügig ausgelegt hat, kann der Qualitätswert auch wieder durch den Quotienten th / tk feiner bestimmt werden. Auch hier gibt es wieder die oben genann¬ ten 3 möglichen Fälle. Fall 1 wurde eben beschrieben, bei Fall 2 weicht TH(t) nach oben von den Solltemperaturen ab (erhält eine schlechte Bewertung, Q < 1), und den Fall 3, bei dem Tπ(t) nach unten von den Solltemperaturen abweicht. Dieser Fall kann zu Q >1 und zu Q »1 führen (wenn die Sensortemperatur trotz Aufheizung T11 erreicht oder gar nicht erst überschreitet). Man bricht dann ebenfalls sofort ab und erzwingt den Tempera¬ turanstieg auf T0, wie oben beschrieben.If, on the other hand, the sensor temperature does not reach the upper limit T 0 in the tolerated time, then the time measurement is aborted (t h / t k »1), the estimated value is deemed to be potentially harmful to the process (ie there is a risk that the Sensor¬ temperature so that can not be kept within the temperature window, in particular at too low heating voltages) and the temperature rise to T 0 is enforced by the application of a high or maximum heating voltage. The same happens when the sensor temperature reaches the lower limit T u during the measurement of t h or can not exceed this limit already from the start (more precisely: if the sensor temperature has not yet exceeded the limit T u after elapse of a selectable minimum measurement time t w ). The potentially harmful process value is thus converted into a process-neutral value (case 2) by this mandatory measure. Thereafter, a new measuring cycle is initiated. You certainly can not do all the ways of performing a quality assessment in detail. If, for example, the temporal, not disturbed by a load change course of the cooling curve with a sequence of n successive Tempera¬ turmessungen in the respective distance .DELTA.t and has stored as a curve T «(t) in a memory, then one could as a target for example, the heating curve T H , S oiι (t) = (T u + T o ) -Tκ (t) calculate. Now one does not necessarily have to use the quotient t h / t k for quality assessment, but can define a more general quality value Q which obtains an optimal score (= 1) if the temperatures T H measured at each time t> 0 during heating (t) lie in a selected To¬ leranzbereich the width 2ε to the setpoint temperatures (TH, SO I I O) - ε <THOO < TH, S oiι (t) + f). If ε has been designed relatively generously, the quality value can also be determined finer by the quotient t h / t k . Again, there are again the above-mentioned 3 possible cases. Case 1 has just been described, in case 2 T H (t) deviates upwards from the setpoint temperatures (gets a bad score, Q <1), and case 3, where Tπ (t) deviates downwards from the setpoint temperatures. This case can lead to Q> 1 and to Q »1 (if the sensor temperature reaches T 11 despite heating or does not even exceed it). One then also immediately breaks off and forces the temperature rise to T 0 , as described above.
Für die in 2.5.5 beschriebenen Konvergenzverfahren ist es unerheblich, auf welche Wei¬ se die Qualitätsbeurteilung erhalten wurde, es ist nur entscheidend, dass überhaupt eine Qualitätsbeurteilung der Schätzwerte vorgenommen wird und dass dabei eine Über¬ wachung der Aufheizkurve zum Zwecke der Neutralisierung von potenziell verfahrens¬ schädlichen Schätzwerten erfolgt.For the convergence methods described in 2.5.5, it is irrelevant in what way the quality assessment was obtained, it is only crucial that a quality assessment of the estimated values is carried out at all, and that monitoring of the heating curve for the purpose of neutralizing potential procedurally harmful estimates.
Während der Neutralisierung eines potenziell verfahrensschädlichen Schätzwerts, also bei der erzwungenen Aufheizung auf T0, muss während der dafür benötigten, kurzen Zeit eine hohe und deshalb im Allgemeinen nicht an die gerade exakt benötigte Heizspannung angepasste Heizspannung angelegt werden. Damit man z.B. nicht bei einem einfachen Lastwechsel innerhalb eines Gases u. U. direkt mit der höchstmöglichen Leistung (die für schnell fließende Flüssigkeiten ausreichen würde) antworten muss, ist eine Voreinstel¬ lung des Messgerätes auf Gase oder auf Flüssigkeiten durchaus naheliegend und sinn¬ voll. Unter der Annahme, dass es sich bei einer Voreinstellung auf Gase beim Medium während der Messung immer noch um ein Gas handelt, benutzt man zuerst eine für Gase ausgelegte hohe Spannung, die die Sensortemperatur normalerweise sicher in kurzer Zeit auf T0 bringen müsste. Die entstehende Aufheizung wird, wie sinngemäß bereits be¬ schrieben, überwacht. Wenn die Aufheizung nicht wie geplant möglich ist, kann von ei¬ nem Wechsel des Mediums von gasförmig zu flüssig ausgegangen werden, worauf nun erst die tatsächlich maximal verfügbare Heizleistung eingesetzt wird. Die Voreinstellung kann manuell getätigt werden, automatisch erfolgen (durch Auswertung der im bisherigen Durchschnitt eingesetzten Heizspannungen) oder von Fall zu Fall auch wieder absichtlich ignoriert werden (z.B. bei Tropfenzählern). Da hochfrequente Mediumswechsel in der Praxis eher selten vorkommen, wäre die besagte Voreinstellung ein Gewinn im Hinblick auf die erzielbare Temperaturkonstanz bei normalen Lastwechseln. Starke Lastwechsel (insbesondere Mediumswechsel von gasförmig zu flüssig) würden aber immer noch tole¬ riert, wobei die Regelung lediglich einen Taktzyklus länger damit beschäftigt wäre.During the neutralization of a potentially harmful process value, ie in the forced heating to T 0 , a high and therefore generally not adapted to the just exactly required heating voltage heating voltage must be applied during the required short time. So you do not, for example, in a simple load change within a gas u. For example, with the highest possible performance (which would suffice for fast-flowing liquids), it is quite obvious and sensible to preselect the instrument for gases or liquids. Assuming that there is still a gas preset to gases in the medium during the measurement, one will first use one for gases designed high voltage, which would normally bring the sensor temperature in a short time to T 0 . The resulting heating is, as mutatis mutandis already be¬ written monitored. If the heating is not possible as planned, it can be assumed that a change of the medium from gaseous to liquid, whereupon only the actual maximum available heating power is used. The default setting can be made manually, done automatically (by evaluating the heating voltages used in the previous average) or ignored again on a case-by-case basis (eg with drop counters). Since high-frequency medium changes rarely occur in practice, said presetting would be a gain in terms of the achievable temperature stability under normal load changes. However, heavy load changes (in particular medium change from gaseous to liquid) would still be tol- erated, whereby the control would only be busy for one clock cycle longer.
2.5.5) Iterative, konvergente Verbesserung der Schätzwerte2.5.5) Iterative, convergent improvement of estimates
Bei der ersten Entscheidung für einen Schätzwert konnte man noch einen mehr oder we¬ niger willkürlich gewählten Wert verwenden, aber bereits bei der zweiten Entscheidung steht die Qualitätsbeurteilung der ersten Entscheidung als zusätzliche Information zur Verfügung, so dass man den Schätzwert nun zielgerichtet verbessern kann. Im Prinzip läuft die Verbesserung des Schätzwertes immer darauf hinaus, die Heizspannung höher als zuvor zu wählen, wenn sich ein Verhältnis th / tk > 1 ergeben hatte oder sie niedriger zu wählen (bei th / tk < 1 ).In the first decision for an estimated value one could still use a more or less arbitrarily chosen value, but already in the second decision, the quality assessment of the first decision is available as additional information, so that the estimated value can now be improved in a targeted manner. In principle, the improvement of the estimated value always amounts to choosing the heating voltage higher than before, if a ratio t h / t k > 1 was obtained or to choose it lower (at t h / t k <1).
Mit jedem neuen Schätzwert, der einem Mess-Takt folgt, wird die exakt benötigte Heiz¬ spannung immer besser angenähert, im Endzustand sind Schätzwert und exakt benötigte Heizspannung identisch.With each new estimated value, which follows a measuring cycle, the exactly required heating voltage is always approached better, in the final state the estimated value and exactly required heating voltage are identical.
Es ist offensichtlich, dass wiederholte Änderungen des momentanen Wärmeverlustes am Sensor (Lastwechsel) im Interesse einer im Mittel möglichst konstant zu haltenden Sen¬ sortemperatur nicht in einer kürzeren Zeit auftreten sollten, als das Verfahren zur Herbei¬ führung des Endzustands benötigt.It is obvious that repeated changes in the instantaneous heat loss at the sensor (load change) should not occur in a shorter time in the interest of a sensor temperature which is to be kept as constant as possible on average, than the method for producing the final state requires.
Man wird deshalb vorzugsweise Verfahren mit einer möglichst hohen Konvergenzge¬ schwindigkeit einsetzen: 2.5.5.1) Beispiel eines sehr schnell konvergierenden VerfahrensIt is therefore preferable to use methods with the highest possible convergence rate: 2.5.5.1) Example of a very fast convergent method
1) UhQ = 2° . Uhmax = Uhmax 1) Uh Q = 2 °. Uh max = Uh max
2.a) Uhn = Uhn_λ - 2- . Uhmax ; ± < 1 ; n > Q h2 . a ) Uh n = Uh n _ λ - 2-. Uh max ; ± <1;n> Q h
2.b) Uhn = Uhn_ι + 2-» . Uhmax ; f * ≥ l ; n > 02 .b) Uh n = Uh n _ ι + 2- » . Uh max ; f * ≥ l; n> 0
2.C) Uhn = Uhn^ ; l - ε < ^ < l + ε h2 .C) Uh n = Uh n ^; l - ε <^ <l + εh
Es handelt sich dabei im Grunde um das aus der Informatik bzw. der Datenbank-Technik bekannte Intervall-Halbierungsverfahren, das jedoch mit den in 2.5.4 genannten Über¬ wachungsmaßnahmen (zum Schutz vor potenziell verfahrensschädlichen Schätzwerten) abgesichert werden musste. Kam es bei der Überwachung zu einer Neutralisierungsmaß- nahme, so wird zunächst der automatisch folgende Mess-Takt abgewartet, dessen Mess- ergebnis tk nicht weiter beachtet wird, und danach wird mit einer planmäßigen Span¬ nungserhöhung (2.b) oder mit Schritt 1 (wenn das Verfahren vorher bereits eingeschwun¬ gen war bzw. Schritt 2.c erreicht hatte) fortgesetzt. Sobald sich die Heizspannung nicht mehr ändert (2.c, der Toleranzwert e ist frei wählbar, sollte sich aber am Auflösungsver¬ mögen der Heizspannungserzeugung orientieren, d.h. kleines e bei hoher Auflösung), kann auf das Eintreten eines neuen Lastwechsels gewartet werden. Tritt ein Lastwechsel auf, der eine Erhöhung der Heizspannung erforderlich macht, beginnt das Verfahren mit n=0 wieder ab Schritt 1. Sollte der Lastwechsel eine Senkung der Heizspannung erfor¬ dern, so kann mit n=0 ab Schritt 1 fortgesetzt werden, wobei man aber vernünftigerweise nicht mehr die maximale Heizspannung Uhmax in Schritt 1 verwenden sollte, sondern bes¬ ser die zuletzt benutzte Heizspannung Uhn.This is basically the interval halving method known from computer science or the database technology, which, however, had to be safeguarded by means of the surveillance measures mentioned in 2.5.4 (to protect against potentially harmful operating estimates). If during the monitoring a neutralization measure has occurred, the automatically following measuring cycle is first awaited, the measurement result t k of which is no longer taken into account, and thereafter a planned increase in tension (2.b) or step 1 (if the method had already begun or had reached step 2.c). As soon as the heating voltage no longer changes (2.c, the tolerance value e is freely selectable, but should on the Auflösungsver¬ like the heating voltage generation oriented, ie small e at high resolution), can be waited for the occurrence of a new load change. If a load change occurs, which necessitates an increase in the heating voltage, the method starts again with n = 0 from step 1. If the load change requires a reduction in the heating voltage, then n = 0 can be continued from step 1, with but reasonably should no longer use the maximum heating voltage Uh max in step 1, but better than the last used heating voltage Uh n .
Dieses Verfahren konvergiert so schnell, dass man damit bereits die zurzeit industriell be¬ nutzten elektronischen Strömungswächter, die nach dem Konstantstrom-Prinzip arbeiten, vorteilhaft ersetzen könnte. Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Sensortemperatur (dünne Sägezahnkurve) und den der Heizspannungen (fette Rechteckkurve) bei einem sehr schnell konvergierenden Ver¬ fahren. Genau genommen wurden in diesem Beispiel nicht die Heizspannungen selbst intervallhalbiert, sondern die elektrischen Leistungen, aber das Prinzip bleibt dennoch das Gleiche. Zunächst liegt die Sensortemperatur hier noch unterhalb des Temperaturfens¬ ters, darum wird sie mit einer maximalen Heizleistung an die obere Grenze T0 gebracht. Abschalten der Heizleistung, Absinken der Temperatur auf Tu und Start mit Schritt 1 (Fig. 4 Nr. 1): maximale Heizleistung anlegen, die Aufheizzeit th messen, bei Erreichen von T0 die Heizleistung abschalten, die Abkühlzeit tk messen, Quotient th / tk bilden und wegen th/ tk < 1 die Fortsetzung mit Schritt 2.a wählen (Fig. 4 Nr. 2): Senkung der angelegten Heiz¬ leistung um einen Halbierungsschritt. Hier wird nach Ablauf der Zeit tk aus Fig. 4 Nr. 1 plus einer bestimmten Toleranzzeit jedoch festgestellt, dass die Sensortemperatur noch immer nicht die Grenze T0 erreicht hat -> zwangsweise Erhöhung der Heizleistung auf Maximum, Sensortemperatur auf T0 bringen, Abschalten der Heizleistung, Absinken auf Tu abwarten, dann mit Schritt 2.b fortsetzen (Erhöhung der Heizleistung um einen weiteren Halbierungsschritt, Fig. 4 Nr. 3). Abschalten der Heizleistung, Abkühlzeit mes¬ sen. Quotient th / tk bilden, Feststellung, dass wieder th/tk < 1 gilt, also bei Fig. 4 Nr. 4 Ab¬ senkung der Heizleistung um einen weiteren Halbierungsschritt vornehmen usw. Schon ab Fig. 4 Nr. 6 ff. tritt die ideale Regelung mit th / tk = 1 ein, die danach bis zum nächsten Lastwechsel natürlich nicht mehr geändert wird (Schritt 2.c).This process converges so quickly that it could already advantageously replace the currently industrially used electronic flow monitors, which operate on the constant current principle. 4 shows the time profile of the sensor temperature (thin sawtooth curve) and that of the heating voltages (bold rectangle curve) in a very rapidly converging process. Strictly speaking, in this example, not the heating voltages themselves are halved, but the electrical powers, but the principle remains the same. At first, the sensor temperature is still below the temperature window, which is why it is brought to the upper limit T 0 with a maximum heating power. Switch off the heating power, decrease the temperature to T u and start with step 1 (Fig. 4 no. 1): apply maximum heating power, measure the heating time t h , turn off the heating power when T 0 is reached, measure the cooling time t k , quotient t h / t k and because of t h / t k <1 select the continuation with step 2.a (FIG. 4 no. 2): Reduction of the applied heating power by a halving step. Here, however, after the time t k has elapsed from FIG. 4 No. 1 plus a certain tolerance time, it has been established that the sensor temperature has still not reached the limit T 0 -> forcibly increase the heating power to maximum, bring the sensor temperature to T 0 , switch off wait for the heating power, drop to T u , then continue with step 2.b (increase the heating power by a further halving step, Fig. 4 No. 3). Switch off the heating power, cool down mes¬ sen. Quotient t h / t k , finding that again t h / t k <1, that is to say in FIG. 4 no. 4, lowering the heating power by a further halving step, etc. Already from FIG. 4 no. 6 ff , the ideal control occurs with t h / t k = 1, which is of course no longer changed thereafter until the next load change (step 2.c).
2.5.5.2) Ein maximal schnell konvergierendes Verfahren2.5.5.2) A maximum fast convergent method
Eine extrem hohe Konvergenzgeschwindigkeit besitzt das folgende Verfahren, bei dem tk-basierte Schätzwerte benutzt werden und bei dem in aller Regel schon der erste Schätzwert praktisch genau der exakt benötigten Heizspannung entspricht. Damit kann dieses Verfahren leistungsmäßig in Konkurrenz zu den derzeitigen Forschungs-CTAs treten, im Unterschied zu diesen aber mit viel robusteren Sensoren arbeiten.An extremely high convergence speed is provided by the following method, in which t k -based estimates are used and in which, as a rule, even the first estimate corresponds almost exactly to the exact required heating voltage. As a result, this process can compete with the current research CTAs in terms of performance, but in contrast to these, they work with much more robust sensors.
Voraussetzung dieses Verfahrens ist die Kenntnis der „Temperaturfensterwärme" Wf, d.h. derjenigen Wärmeenergie, die benötigt wird, um die Temperatur des Sensors von Tu auf T0 zu erhöhen. Umgekehrt gibt der Sensor genau diese Wärmemenge wieder an das Medium ab, wenn sich seine Temperatur von T0 auf T11 verringert. Aus jeder (wenigstens kurzzeitig) laststabilen Situation heraus kann Wf einfach ermittelt werden, z.B. durch Anwendung des zuerst genannten Intervall-Halbierungsverfahrens. Sobald eine stabile Regelung mit der Gleichheit der Zeiten tk und th vorliegt, ist immer ge¬ währleistet, dass die mittlere Sensortemperatur gerade den Wert Tson besitzt. Da man die während einer Heizphase benutzte Heizspannung direkt kennt (sie wurde ja absichtlich in der gewählten Höhe angelegt) kann man daraus die elektrische Leistung Ph berechnen, die anteilig auf den Sensor entfällt und die folglich an das Medium abgegeben wurde.The prerequisite for this method is the knowledge of the "temperature window heat" W f , ie the heat energy required to increase the temperature of the sensor from T u to T 0. Conversely, the sensor returns exactly this amount of heat to the medium when its temperature reduced from T 0 to T 11 . From each (at least short-term) stable load situation W f can be easily determined, for example by applying the first-mentioned interval halving method. As soon as there is a stable control with the equality of the times t k and t h , it is always ensured that the mean sensor temperature is just the value T so n. Since one directly knows the heating voltage used during a heating phase (it was deliberately applied in the selected height), one can calculate from this the electrical power P h , which is proportionately attributable to the sensor and which was consequently delivered to the medium.
Unter den Bedingungen einer idealen Regelung mit th / tk = 1 gilt die BeziehungUnder the conditions of an ideal control with t h / t k = 1, the relation holds
Wf = Ph - tk = Ph - th (J)W f = P h - t k = P h - h t (J)
Da Wf eine Konstante ist, bedeutet Gl. 7 nicht mehr und nicht weniger, als dass man aus der Messung einer Abkühlzeit tk sofort berechnen kann, welche Heizleistung man am Sensor aufwenden muss, um die Regelung auch weiterhin im Idealbetrieb zu halten:Since W f is a constant, Eq. 7 no more and no less than that one can calculate immediately from the measurement of a cooling time t k , which heating power must be applied to the sensor in order to continue to keep the control in ideal operation:
WW
P1 = fP 1 = f
(8)(8th)
Aus der Kenntnis von Ph kann die exakt benötigte Spannung, die über den Sensor abfallen muss, für Verfahren nach Typ 1From the knowledge of P h , the exact voltage required to drop across the sensor can be used for Type 1 methods
und nach Typ 2and after type 2
immer direkt berechnet werden (R = Widerstand des Sensors bei Tson). In einer realen Schaltung muss die Berechnung der anzulegenden Heizspannung natür¬ lich unter Berücksichtigung auch aller anderen beteiligten Widerstände erfolgen. Für die Schaltung nach Fig. 6 ergibt sich beispielsweise (wenn die Summe Ri+ R2+ R3 gegen¬ über R4 + R5 so groß ist, dass ihr Beitrag vernachlässigt werden kann)always calculated directly (R = resistance of the sensor at T so n). In a real circuit, the calculation of the heating voltage to be applied must naturally take place taking into account all other resistors involved. For the circuit according to FIG. 6, for example, if the sum of R 1 + R 2 + R 3 relative to R 4 + R 5 is so great that its contribution can be neglected
Die auf diese Weise berechneten Schätzwerte erzeugen stets ein Verhältnis th / tk = 1 und bewirken dadurch, dass die Temperatur des Sensors im Mittel immer genau Tsoiι beträgt.The thus-calculated estimation values always produce a ratio t h / t k = 1 and thereby cause the temperature of the sensor in the center is exactly T so iι.
Änderungen der Mediumstemperatur und Lastwechsel (inklusive Mediumswechsel von gasförmig nach flüssig und umgekehrt) können daran prinzipiell nichts ändern.Changes in the medium temperature and load changes (including medium change from gaseous to liquid and vice versa) can not change this principle.
In der Praxis können auch Lastwechsel vorkommen, die sich nicht über einige wenige Regelungszyklen hinweg aufbauen, sondern die so schlagartig auftreten, dass sie damit auch den besten Schätzwert vollständig entwerten können. Deshalb ist die Qualitätsbeur¬ teilung nach 2.5.4 unverzichtbar, und zwar hauptsächlich wegen der damit verbundenen Absicherung der Aufheizzeiten mit den dort beschriebenen Überwachungs-/Neutralisie- rungsmaßnahmen. Im Unterschied zum Intervall-Halbierungsverfahren (2.5.5.1) wird die (aus dem automatisch auf die Neutralisierungsmaßnahme folgenden Mess-Takt) erhalte¬ ne Abkühlzeit tk hier jedoch ausgewertet, um die Regelung sofort wieder korrekt an die neue Lastsituation anpassen zu können.In practice, there may also be load changes that do not build up over a few control cycles, but occur so abruptly that they can completely devalue even the best estimate. Therefore, the quality assessment according to 2.5.4 is indispensable, mainly because of the associated safeguarding of the heating-up times with the monitoring / neutralization measures described there. In contrast to the interval halving method (2.5.5.1) is erhalte¬ ne (from the automatically at neutralizing action following measurement cycle) cooling time t k, however, analyzed here to the regulation immediately to adapt correctly to the new load situation.
Im Laufe der Zeit kann es auch zu einer leichten Abweichung des durchschnittlichen Ver¬ hältnisses th / tk vom Idealwert 1 kommen. Wenn man Wf nicht einfach neu bestimmen will oder kann (evtl. treten momentan zu viele Lastwechsel pro Zeiteinheit auf), so kann der Wert von Wf vorzugsweise auch automatisch leicht erhöht oder gesenkt werden, bis die durchschnittliche Abweichung beseitigt ist. Damit kann sich das Verfahren selbstständig an Faktoren anpassen, von denen Wf noch abhängen kann (z.B. teilweise Verschmut¬ zung des Sensors, Alterung), und diese ausgleichen. Für den seltenen Fall, dass das CTA schon unmittelbar nach dem Einschalten auf eine hohe Frequenz von Lastwechseln trifft und dadurch keine Gelegenheit hat, den aktuellen Wert von Wf selbst auszumessen, kann man den Wf -Wert auch hilfsweise aus einem nichtflüchtigen Speicher (z.B. EEPROM, z.B. Stellung eines Trimmerpotentiometers etc.) holen, in dem der Wert ab Werk oder auch, später, als letzter selbstständig ausgemesse¬ ner Wert abgelegt worden ist.Over time, there may also be a slight deviation of the average ratio t h / t k from the ideal value 1. If you do not want to simply redefine W f or you may (at the moment there are too many load changes per unit of time), the value of W f can also be increased or decreased automatically until the average deviation has been eliminated. Thus, the method can independently adapt to factors on which W f can still depend (for example, partial soiling of the sensor, aging) and compensate for this. In the rare case that the CTA encounters a high frequency of load changes immediately after switching on and thus has no opportunity to measure the current value of W f itself, you can also use the W f value from a non-volatile memory (eg EEPROM, eg position of a trimmer potentiometer, etc.), in which the value has been stored ex works or also, later, as the last independently measured value.
Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Sensortemperatur innerhalb des Temperaturfens¬ ters vor und nach dem Auftreten eines sehr abrupten Lastwechsels bei einem extrem schnei! konvergierenden Verfahren (hier vom Typ 2). Zunächst liegt ein relativ niedriger momentaner Wärmeverlust vor, so dass die Abkühlzeit tki relativ groß ist. Nachdem die untere Grenze Tu erreicht und die Messung von tk1 damit beendet wurde, wird ein Schätz¬ wert für die anzulegende Heizspannung berechnet, wie oben beschrieben. Diese Heiz¬ spannung wird angelegt und würde normalerweise zu einer Aufheizungskurve führen, wie sie zuvor schon bei tM entstanden ist (Quotient th / tk = 1). Nun aber tritt der plötzliche Lastwechsel ein (starke Erhöhung des momentanen Wärmeverlustes), der dafür sorgt, dass die obere Grenze T0 mit der aktuell angelegten Heizspannung nicht mehr in der maximal tolerierten Zeit t max = f * tk1 erreicht werden kann. Nicht nur das, es kommt sogar dazu, dass während der Aufheizung die „falsche" Grenze (also tu) erreicht wird. Darum geht die Heizspannung jetzt sofort auf Maximum, was man am steilen Anstieg der Sen¬ sortemperatur sieht. Sobald die obere Grenze T0 erreicht ist, wird die Heizspannung auf nahezu Null gesenkt und eine Messung der Abkühlzeit tk2 vorgenommen. Dieses Ergeb¬ nis wird bereits vom neuen Wert des momentanen Wärmeverlustes bestimmt, so dass praktisch schon der erste berechnete Schätzwert wieder in der Lage ist, eine Aufheizkur¬ ve zu erzeugen, die zur Gleichheit der Zeiten tk2 und th3 führt. Diese Gleichheit entsteht auch für alle folgenden Zeiten tk und th immer wieder.FIG. 5 shows the time profile of the sensor temperature within the temperature window before and after the occurrence of a very abrupt load change in the case of an extremely high temperature! convergent method (here type 2). First, there is a relatively low instantaneous heat loss, so that the cooling time t k i is relatively large. After the lower limit T u has been reached and the measurement of t k1 has thus been ended, an estimated value for the heating voltage to be applied is calculated, as described above. This heating voltage is applied and would normally lead to a heating curve, as has already occurred at t M (quotient t h / t k = 1). But now comes the sudden load change (strong increase of the instantaneous heat loss), which ensures that the upper limit T 0 with the currently applied heating voltage can not be achieved in the maximum tolerated time t max = f * t k1 . Not only that, it even happens that the "wrong" limit (ie, t u ) is reached during heating, so the heating voltage now immediately goes to maximum, which is seen by the steep rise in the sensor temperature T 0 is reached, the heating voltage is reduced to almost zero and a measurement of the cooling time t k2 is made This result is already determined by the new value of the instantaneous heat loss, so that practically the first calculated estimated value is again able to To produce a heating curve which leads to the equality of the times t k2 and t h3 , this equality also arises again and again for all following times t k and t h .
Zeichnet man den Verlauf der Heizspannungen mit ein, dann sieht man das charakteristi¬ sche Bild des neuen Verfahrens (hier in Anlehnung an den Typ 2): Fig. 1 zeigt eine Situa¬ tion mit einem stabil anliegenden, relativ niedrigen momentanen Wärmeverlust, während Fig. 2 die Situation unter den Bedingungen eines stabil anliegenden, relativ hohen Wär¬ meverlustes zeigt. Man kann sehen, dass die Regelung offensichtlich bestrebt ist, den Quotienten th / tk immer auf dem Wert 1 zu halten und dass sie dazu Heizspannungen in unterschiedlicher Höhe aufschaltet. Fig. 3 zeigt das neue Verfahren in Anlehnung an den Typ 1 , hier vor und nach einem Lastwechsel. Zunächst liegt eine permanente Heizspannung U1 an, die den momentanen Wärmeverlust am Sensor so genau ausgleicht, dass sich eine Endtemperatur eingestellt hat, die gerade dem Sollwert Tson entspricht. Der Lastwechsel (hier eine Erhöhung des momentanen Wärmeverlustes) tritt in dem Moment ein, an dem die Sensortemperatur zu fallen beginnt. Sobald die untere Grenze Tu erreicht wurde, bringt eine maximale Heiz¬ spannung Umax die Sensortemperatur in kurzer Zeit an die obere Grenze T0, dann Ab¬ senkung der Heizspannung auf einen Wert nahe bei Null (Uk) und Messung der Abkühl¬ zeit tk, die bereits vom neu eingetretenen Wert des momentanen Wärmeverlustes be¬ stimmt ist. Nun erfolgt, wie bei den oben genannten Verfahren, die Berechnung eines Schätzwertes für die anzulegende Spannung. Diese unterscheidet sich vom Ergebnis eines Verfahrens nach Typ 2 lediglich durch die Division durch die Wurzel aus 2 (s. Gl. 6). Die so erhaltene Spannung (U2) wird permanent angelegt, worauf sich der Endwert der Sensortemperatur im Normalfall wieder beim Sollwert TSOιι einstellen wird. Falls ein Last¬ wechsel statt der Erhöhung des momentanen Wärmeverlustes eine Verringerung dessel¬ ben bewirkt, so wird die Sensortemperatur an der oberen Grenze T0 anstoßen. Man ver¬ zichtet dann auf den Heizschritt mit Umax und leitet den Mess-Takt zur Bestimmung von tk direkt ein.If the course of the heating voltages is also included, the characteristic image of the new method (here based on type 2) is shown: FIG. 1 shows a situation with a relatively stable instantaneous heat loss, which is applied in a stable manner, while FIG 2 shows the situation under the conditions of a stable, relatively high heat loss. It can be seen that the control obviously aims at keeping the quotient t h / t k always at the value 1 and that it activates heating voltages at different levels for this purpose. Fig. 3 shows the new method based on the type 1, here before and after a load change. First, there is a permanent heating voltage U 1 , which compensates the instantaneous heat loss at the sensor so precisely that a final temperature has been set, which corresponds to the setpoint T so n. The load change (here an increase in the instantaneous heat loss) occurs at the moment when the sensor temperature begins to drop. As soon as the lower limit T u has been reached, a maximum heating voltage U max brings the sensor temperature in a short time to the upper limit T 0 , then Ab¬ lowering the heating voltage to a value close to zero (U k ) and measuring the Abkühl¬ time t k , which is already determined by the newly occurred value of the instantaneous heat loss. Now, as in the above-mentioned methods, the calculation of an estimated value for the voltage to be applied. This differs from the result of a procedure according to type 2 only by the division by the root of 2 (see equation 6). The voltage (U 2 ) obtained in this way is applied permanently, whereupon the end value of the sensor temperature normally returns to the desired value T SO . If a load change causes a reduction of the same instead of increasing the instantaneous heat loss, the sensor temperature will be triggered at the upper limit T 0 . One then dispenses with the heating step with U max and initiates the measuring cycle directly to determine t k .
2.6) Vom momentanen Wärmeverlust zur Wärmeableitungsfähigkeit des Mediums2.6) From momentary heat loss to heat dissipation capability of the medium
Auch das hier beschriebene CTA-Verfahren ermöglicht zunächst einmal nichts anderes als die Bestimmung des momentanen Wärmeverlustes am Sensor. Dieser Wärmeverlust hängt nicht nur von der Höhe der Temperaturdifferenz zwischen Sensor und Medium ab, sondern auch von der Wärmeableitungsfähigkeit des umgebenden Mediums, wobei letz¬ tere wiederum von diversen Materialeigenschaften abhängt und nicht zuletzt auch davon, in welchem Strömungszustand sich das Medium relativ zum Sensor befindet, wieviel Sen¬ sorfläche im Kontakt mit dem Medium steht usw. Bei einem mit dem Sensor berührten Festkörper wird die Wärmeableitungsfähigkeit sogar noch durch die Höhe des Anpress¬ drucks mitbestimmt, und selbst damit sind noch lange nicht alle bekannten Einflussfakto¬ ren erwähnt. Die Wärmeableitungsfähigkeit ist also eine relativ komplex zusammengesetzte physikali¬ sche Größe, an deren Zustandekommen sehr unterschiedliche andere physikalische, geometrische und chemische Einflussfaktoren beteiligt sind. Umgekehrt können aber u.U. genau diese anderen Größen durch eine Messung des Wärmeverlustes selbst messbar werden. In der Regel erschließen sich die gesuchten Größen aus der Messung des Wär¬ meverlustes, wenn man einzelne, ebenfalls beteiligte physikalische Größen (z.B. Tempe¬ ratur, Druck, Eintauchtiefe des Sensors etc.) durch deren gleichzeitige, separate Mes¬ sung bestimmt hat oder sie aus anderen Gründen bereits kennt bzw. konstant hält.Also, the CTA method described here initially allows nothing else than the determination of the instantaneous heat loss at the sensor. This loss of heat depends not only on the height of the temperature difference between the sensor and the medium, but also on the heat dissipation capability of the surrounding medium, the latter, in turn, being dependent on various material properties and last but not least on the flow state in which the medium is located relative to the sensor how much sensor surface is in contact with the medium, etc. In a solid contacted with the sensor, the heat dissipation capability is even influenced by the magnitude of the contact pressure, and even that does not mention all the known influencing factors. The heat dissipation capability is therefore a relatively complex physical quantity, in the formation of which very different other physical, geometric and chemical influencing factors are involved. Conversely, however, it is possible that precisely these other variables can be measured by measuring the heat loss itself. As a rule, the desired quantities are obtained from the measurement of the heat loss, if one has determined individual, likewise involved physical variables (eg temperature, pressure, immersion depth of the sensor, etc.) by their simultaneous, separate measurement or they already knows or keeps constant for other reasons.
Auf jeden Fall reicht die Messung des momentanen Wärmeverlustes für sich genommen nur in Ausnahmefällen für eine sinnvolle Anwendung aus. Schon die einfache Aufgabe ei¬ ner Strömungsdetektion erfordert ein Wissen um die aktuelle Wärmeableitungsfähigkeit des Mediums; der momentane Wärmeverlust sagt hierüber einfach zu wenig aus (außer, wenn das Medium praktisch immer die gleiche Temperatur hätte).In any case, the measurement of the instantaneous heat loss alone is sufficient in exceptional cases for a useful application. Even the simple task of flow detection requires knowledge of the current heat dissipation capability of the medium; the momentary heat loss is simply not enough (except if the medium is practically always at the same temperature).
Für Anwendungen, bei denen es also vorrangig um die Wärmeableitungsfähigkeit des Mediums geht, muss die Mediumstemperatur (Tum) zusätzlich gemessen werden, z.B. in bekannter Art mit einem zweiten, konventionellen Temperatursensor oder, mindestens ebenso gut, mit einem zweiten CTA nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem man alle Parameter mit Ausnahme der Temperatur des Mediums konstant hält.For applications which are primarily concerned with the heat dissipation capability of the medium, the medium temperature (T um ) must be additionally measured, for example in a known manner with a second, conventional temperature sensor or, at least as well, with a second CTA according to the inventive method in which all parameters except the temperature of the medium are kept constant.
Dann kann unmittelbar nach Abschluss eines Mess-Taktes (aus einer Regelung heraus, die sich im Idealbetrieb befindet, wie oben beschrieben) aus der gemessenen Zeit tk die aktuelle Zeitkonstante T des Sensors berechnet werden (vgl. Gl. 2):Then, immediately after completion of a measurement cycle (out of a regulation that is in ideal operation, as described above), the current time constant T of the sensor can be calculated from the measured time t k (see equation 2):
Die Werte der oberen Temperaturgrenze T0 und der unteren Temperaturgrenze T11 sind vorab bekannt, Tum und tk wurden gemessen. Die Zeitkonstante des Sensors ist ja keine Konstante im üblichen Sinn, sondern u.a. eine praktisch trägheitsfreie Funktion des aktuellen Wärmeübergangs vom Sensor an das Me¬ dium (vgl. Gl. 3):The values of the upper temperature limit T 0 and the lower temperature limit T 11 are known in advance, T um and t k were measured. The time constant of the sensor is not a constant in the usual sense, but, inter alia, a practically inertia-free function of the current heat transfer from the sensor to the medium (compare equation 3):
Wenn sich bei gleichbleibender Mediumstemperatur der Wärmeübergang beispielsweise verdoppelt und sich in Folge die Abkühlzeit t|< genau halbiert, dann ist dies alleine der Än¬ derung des Faktors « zuzuschreiben, wenn dabei die Kontaktfläche A konstant gehalten wurde. Die Masse m und die Wärmekapazität c des Sensors unterliegen im Allgemeinen keinen Veränderungen (vom Fall einer Beschädigung des Sensors einmal abgesehen).If, for example, the heat transfer is doubled while the medium temperature remains the same, and as a result the cooling time t | < exactly halved, then this alone is attributable to the change of the factor, if the contact area A was kept constant. The mass m and the heat capacity c of the sensor are generally not subject to change (aside from the case of damage to the sensor).
Da sich der Wärmeübergang vom Sensor an das Medium (bei konstanter Kontaktfläche A und nachdem der Einfluss der Mediumstemperatur herausgerechnet wurde) nur verän¬ dern kann, wenn eine gleichzeitige und gleichsinnige Veränderung der Wärmeableitungs¬ fähigkeit des Mediums eintritt, besteht eine direkte Proportionalität zwischen diesen bei¬ den Größen.Since the heat transfer from the sensor to the medium (at constant contact area A and after the influence of the medium temperature has been excluded) can only change if a simultaneous and same-direction change in the heat dissipation capability of the medium occurs, a direct proportionality exists between them ¬ the sizes.
Es muss folglich nur der Kehrwert 1/τ der berechneten Zeitkonstanten (Gl. 12) gebildet werden, um eine zum tatsächlichen, temperaturkompensierten Wert der Wärmeablei¬ tungsfähigkeit des Mediums proportionale Anzeige zu erhalten.Consequently, only the reciprocal 1 / τ of the calculated time constant (equation 12) must be formed in order to obtain a display proportional to the actual, temperature-compensated value of the heat-dissipation capability of the medium.
Weiterhin kann man die Anzeige von 1/τ , wenn die Wärmeableitungsfähigkeit des Medi¬ ums konstant bleibt, dazu benutzen, um Änderungen der Kontaktfläche A zu messen. In Verbindung mit robusten Sensoren, die man sich beliebig geformt denken kann (z.B. auch als langer Draht) ergeben sich hieraus Einsatzmöglichkeiten zur Messung von Ein¬ tauchtiefen, Pegelständen, Füllhöhen und dergleichen mehr.Furthermore, if the heat dissipation capability of the medium remains constant, the display of 1 / τ can be used to measure changes in the contact area A. In connection with robust sensors, which can be thought of as arbitrarily shaped (for example, also as a long wire), this results in possible applications for the measurement of immersion depths, water levels, fill levels and the like.
2.7 Schaltungsbeispiele2.7 Circuit examples
2.7.1) Schaltung nach Fig. 62.7.1) Circuit according to FIG. 6
Während bei den bekannten CTA-Verfahren die Wheatstone'sche Messbrückenschaltung mit vier Widerständen Verwendung findet (s. Fig. 10 und Fig. 11), besitzt diese Schaltung eine untypische Brücke mit 5 Widerständen, wobei R2 für die Ausbildung von zwei de- finierten, exakten Schalt- bzw. Temperaturgrenzen sorgt. Die Schaltgrenzen liegen sym¬ metrisch zur Solltemperatur des Sensors, und der Wert von R2 bestimmt, wie weit die Grenzen auseinander liegen. Die Schaltung erzeugt ein Komparatorsignal („zu heiß") bei Überschreitung der oberen Temperaturgrenze und ein anderes Komparatorsignal („zu kalt") bei Unterschreitung der unteren Temperaturgrenze.While in the known CTA methods the Wheatstone bridge circuit with four resistors is used (see Fig. 10 and Fig. 11), this circuit has an atypical bridge with 5 resistors, wherein R2 for the formation of two resistors. fined, exact switching or temperature limits ensures. The switching limits are sym metrically to the setpoint temperature of the sensor, and the value of R2 determines how far apart the boundaries. The circuit generates a comparator signal ("too hot") when the upper temperature limit is exceeded and another comparator signal ("too cold") when it falls below the lower temperature limit.
Wesentlich ist, dass die genaue Zeit gemessen werden kann, die zwischen dem Erreich¬ en der einen und dem Erreichen der anderen Temperaturgrenze verstreicht. Diese Zeitin¬ formation über die Phasendauem (Heizphasendauer th und Abkühlphasendauer tk) kann hier aus dem mit dem Mikrocontroller (μC) gemessenen Zeitversatz zwischen dem Schal¬ ten der Komparatoren erhalten werden.It is essential that the exact time can be measured, which elapses between the reaching of the one and the reaching of the other temperature limit. This time information about the phase duration (heating phase duration t h and cooling phase duration t k ) can be obtained here from the time offset between the switching of the comparators measured by the microcontroller (.mu.C).
Für die Erzeugung unterschiedlicher Spannungen steuert der Mikrocontroller hier einen D/A-Wandler (DAC) an. Die meist relativ hochohmige Ausgangsspannung des D/A¬ Wandlers liefert nach Verstärkung und Impedanzwandlung (OP1) die belastbaren varia¬ blen Heizspannungen (also z.B. Uf1 während der Heizphasen und Uk während der Abkühl¬ phasen) für die Messbrücke.To generate different voltages, the microcontroller controls a D / A converter (DAC). The usually relatively high-impedance output voltage of the D / A converter supplies after amplification and impedance conversion (OP1) the loadable variable heating voltages (eg U f1 during the heating phases and U k during the cooling phases) for the measuring bridge.
Im Allgemeinen wird man noch zusätzlich die Umgebungstemperatur Tum über einen zweiten Temperatursensor in herkömmlicher Weise messen (nicht in Fig. 6 eingezeich¬ net).In general, it is additionally the ambient temperature T by more than a second temperature sensor in a conventional manner to measure (not shown in FIG. 6 eingezeich¬ net).
2.7.2) Schaltung nach Fig. 72.7.2) Circuit according to FIG. 7
In diesem Schaltungsbeispiel liegt überhaupt keine klassische Messbrücke mehr vor, und es werden auch keine Komparatoren benötigt. Vielmehr wird einfach nur mit Hilfe eines schnellen A/D-Wandlers (ADC) der Spannungsabfall U3 über R5 gemessen. Da die varia¬ ble Heizspannung Ut1 bzw. die zur Abkühlung verwendete Spannung Uk zu jedem Zeit¬ punkt bekannt ist, weil sie der Mikrocontroller mit Hilfe des D/A-Wandlers (DAC) selbst er¬ zeugt hat, kann der Wert des Sensorwiderstands R4, der der Temperatur des Sensors proportional ist (weil der Wert von R4 quasi auf einen Punkt der Temperaturkennlinie des Sensors fixiert ist und die hier in Frage kommenden minimalen Schwankungen von R4 deshalb stets durch eine lineare Funktion approximiert werden können), vom Mikrocon- troller einfach gemäßIn this circuit example, there is no longer any classical measuring bridge, and no comparators are required. Rather, the voltage drop U 3 over R 5 is simply measured with the aid of a fast A / D converter (ADC). Since the variable heating voltage Ut 1 or the voltage U k used for cooling is known at any time because the microcontroller has generated it itself with the aid of the D / A converter (DAC), the value of Sensor resistance R 4 , which is proportional to the temperature of the sensor (because the value of R 4 is quasi fixed to a point of the temperature characteristic of the sensor and the possible here in question minimal fluctuations of R 4 therefore always be approximated by a linear function), simply according to the microcontroller
berechnet werden. Damit könnte die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Sensortem¬ peratur (z.B. durch die virtuelle Nachbildung eines Temperaturfensters) und die Bestim¬ mung der dazu passenden Heizspannungen vollständig per Software erfolgen. Auch hier wird im Allgemeinen noch zusätzlich die Umgebungstemperatur (Mediumstemperatur) Tum über einen zweiten Temperatursensor in herkömmlicher Weise gemessen (nicht in Fig. 7 eingezeichnet). Es wäre hier rein per Software möglich, die Solltemperatur im Betrieb zu verändern, z. B. um eine konstante Temperaturdifferenz zur Mediumstempera¬ tur einzuhalten. Das Gleiche kann man natürlich auch mit der Schaltung nach Fig. 6 errei¬ chen, wenn man dort R1 oder R3 variabel macht (z.B. über ein vom Mikrocontroller ge¬ steuertes Digital-Potentiometer).be calculated. Thus, the evaluation of the time profile of the sensor temperature (for example, by virtue of the virtual simulation of a temperature window) and the determination of the matching heating voltages could be carried out completely by software. Again, the ambient temperature (fluid temperature) T is generally additionally measured by a second temperature sensor in a conventional manner (not shown in Fig. 7 shown). It would be possible here purely by software to change the setpoint temperature during operation, z. B. to maintain a constant temperature difference to Mediumstempera¬ tur. Of course, the same can be achieved with the circuit according to FIG. 6, if R 1 or R 3 are made variable there (eg via a digital potentiometer controlled by the microcontroller).
2.8 Bestimmungsmethoden zur Erkennung, ob ein fremdes Messgerät das erfindungsge¬ mäße Verfahren verwendet2.8 Determination methods for detecting whether a foreign measuring device uses the erfindungsge¬ Permitted method
Mit Ausnahme bestimmter Thermostaten ist der Sensor wegen des unabdingbaren Kon¬ takts zum Medium dasjenige Element eines Messgerätes, das prinzipiell nie vollständig verborgen oder eingegossen werden kann. Unter Umständen können auch die elektri¬ schen Zuleitungen des Sensors direkt zugänglich sein, müssen aber nicht. Kommt man (ggf. trotzdem) an die elektrischen Zuleitungen heran, so kann man einfach ein Oszil- loskop anschließen und direkt sehen, ob nach einem Lastwechsel variabel hohe, konver¬ gierend aufgeschaltetete Heizspannungen benutzt werden (vgl. Fig. 1+2, 4, 5). An¬ sonsten kann man einen (kleinen) Temperatursensor in guten thermischen Kontakt mit dem Sensor des zu untersuchenden Gerätes bringen und aus dem derart gemessenen Temperaturverlauf am Sensor die nötigen Schlüsse ziehen (z. B. Regelung hält das Ver¬ hältnis th / tk = 1 (oder th / tk = c) konstant (Fig. 1+2, 4, 5), Durchführung eines Mess-Tak- tes bei Lastwechseln mit daraus berechnetem, permanent angelegtem Schätzwert (Fig. 3) oder daraus hergeleitetem Startwert für ein einfacheres Verfahren (z.B. gemäß Fig. 9)). Es sei noch darauf hingewiesen, dass unter den Begriff „Heizspannungen" natürlich auch (Wechsel-, PWM-) Spannungen fallen, deren Effektivwerte die objektiv gleichen Wärme¬ wirkungen wie Gleichspannungen erzeugen können. Folgt man der Definition über die ob¬ jektiv gleichen Wärmewirkungen wie Gleichspannungen, so sollten darunter letztlich auch exotischere Arten einer indirekten Beheizung des Sensors, wie z.B. per Laser, fallen.With the exception of certain thermostats, because of the indispensable contact with the medium, the sensor is that element of a measuring device which, in principle, can never be completely concealed or cast in. Under certain circumstances, the electrical supply lines of the sensor can be directly accessible, but need not. If one approaches the electrical supply lines (possibly nevertheless), one can simply connect an oscilloscope and see directly whether, after a load change, variably high, convergently connected heating voltages are used (compare FIGS. 1, 2, 4) , 5). Otherwise it is possible to bring a (small) temperature sensor into good thermal contact with the sensor of the device to be examined and draw the necessary conclusions from the thus measured temperature curve at the sensor (eg regulation keeps the ratio t h / t k = 1 (or t h / t k = c) constant (FIGS. 1 + 2, 4, 5), carrying out a measuring cycle during load changes with a permanently calculated estimated value calculated therefrom (FIG. 3) or a derived starting value for a simpler method (eg according to FIG. 9)). It should also be pointed out that the term "heating voltages" naturally also includes (alternating, PWM) voltages whose effective values can produce the objectively identical thermal effects as direct voltages DC voltages, this should ultimately include more exotic types of indirect heating of the sensor, such as by laser fall.
2.9 Beispiele für neue Entwicklungen unter Benutzung eines echten CTA-Verfahrens2.9 Examples of new developments using a true CTA process
Es würde erheblich zu weit führen, die große Zahl von wissenschaftlichen und techni¬ schen Anwendungen aufzuzählen, in denen die bekannte Hitzdraht-Anemometrie für un¬ terschiedlichste Messaufgaben bisher schon benutzt wurde. Ein echtes CTA-Verfahren eignet sich im Prinzip für genau die gleichen Anwendungen, bringt aber zusätzlich eine robuste Praxistauglichkeit, eine Toleranz gegenüber Mediumswechseln und die Fähigkeit zur Integration des Messwerts über eine größere Sensorfläche als wesentliche neue Ei¬ genschaften der CTA-Technik mit ins Spiel, so dass viele, weit über das bisher Bekannte hinausgehende, neue Anwendungen möglich werden. Die folgenden Beispiele können deshalb davon nur einen ersten Eindruck vermitteln:It would go far too far to enumerate the large number of scientific and technical applications in which the known hot-wire anemometry has hitherto been used for a very wide variety of measuring tasks. A true CTA method is suitable in principle for exactly the same applications, but also brings a robust practicality, a tolerance to media changes and the ability to integrate the measured value over a larger sensor surface as essential new gen¬ properties of the CTA technology into play so that many, far beyond the previously known, new applications are possible. The following examples can therefore only give you a first impression:
a) Für die industrielle Überwachung von Fluidströmungen (auch für pastenartige Medien) können elektronische Strömungswächter gebaut werden, die im Gegensatz zu den bisher verwendeten Geräten auf CCA-Basis praktisch wartungsfrei arbeiten und im Vergleich zu diesen um einige hundert- oder tausendmal schneller reagieren.a) For the industrial monitoring of fluid flows (also for paste-like media) electronic flow monitors can be built, which operate in contrast to the previously used CCA-based devices virtually maintenance-free and react compared to these by several hundred or a thousand times faster.
b) Handmessgeräte zur schnellen thermischen Klassifizierung von Gasen, Flüssigkeiten und Oberflächen zum Zwecke einer groben chemischen Analyse.b) Handheld instruments for the rapid thermal classification of gases, liquids and surfaces for the purpose of a rough chemical analysis.
(Durch Eintauchen eines Fühlers in das ruhende Medium erhält man z. B. einen ersten Kennwert (in den die Wärmeableitungsfähigkeit des ruhenden Mediums eingeht). Durch schnelles Bewegen des Fühlers erhält man anschließend einen zweiten Kennwert (in den die Wärmeableitungsfähigkeit des, relativ zum Sensor, strömenden Mediums eingeht). Natürlich kann es nach Kenntnis nur dieser beiden Kennwerte nicht, möglich sein, jeden beliebigen chemischen Stoff eindeutig zu identifizieren. Es kann aber durchaus möglich sein, das charakteristische Verhältnis der Messwerte zueinander jeweils eindeutig einem bestimmten Stoff aus einer kleinen Vorauswahl interessierender Stoffe zuzuordnen, be¬ sonders, wenn man noch Ergebnisse aus anderen Messverfahren (z.B. der Temperatur) mit berücksichtigen kann. So könnte man u.U. verschiedene Erdölsorten schnell und vor Ort voneinander unterscheiden, ohne dafür erst eine chemische Analyse in Auftrag geben zu müssen).(By immersing a sensor in the quiescent medium, for example, one obtains a first characteristic value (which incorporates the heat dissipation capability of the quiescent medium.) By rapidly moving the sensor, a second characteristic value is obtained (in which the heat dissipation capability of, relative to the sensor Of course, knowing only these two parameters, it may not be possible to uniquely identify any chemical substance, but it may well be be assigned to the characteristic ratio of the measured values to each other clearly a particular substance from a small preselection of substances of interest, especially if one can take into account results from other measurement methods (eg the temperature) with. For example, it would be possible to differentiate between different petroleum types quickly and on the spot, without first having to commission a chemical analysis).
c) Anwendungen der neuen Verfahren in der Robotik und Mechanik, bei denen z.B. ein Greifarm mit einem flächig ausgeführten Sensor ausgerüstet ist. Die verzögerungsfrei ein¬ tretende Änderung der Wärmeableitungsfähigkeit bei der Berührung unterschiedlicher Medien oder Oberflächen ließe sich leicht am geänderten Wärmeverlust erkennen und würde z.B. einen Roboter in die Lage versetzen, zu unterscheiden, ob er z. B. ein Stück Metall, ein Stück Kunststoff oder einfach ins Leere (Luft) gegriffen hat. Nicht zuletzt steigt die gemessene Wärmeableitungsfähigkeit bei Festkörpern mit dem ausgeübten Anpress¬ druck. Beides wären nützliche haptische Zusatzinformationen für Roboter.c) Applications of the new methods in robotics and mechanics where e.g. a gripping arm is equipped with a flat sensor. The instantaneous change in heat dissipation capability upon contact with different media or surfaces could easily be detected by the change in heat loss, and would e.g. enable a robot to distinguish whether it is z. B. a piece of metal, a piece of plastic or just into space (air) has seized. Last but not least, the measured heat dissipation capability of solids increases with the pressure applied. Both would be useful additional haptic information for robots.
d) Elektronische Tropfenzähler, z.B. in der Medizin, Pharmazie oder in der Chemie (stän¬ diger Mediumswechsel zwischen gasförmig und flüssig). Die korrekte Dosierung von Me¬ dikamenten (z.B. bei Infusionen) oder bei Titrationen (Chemie) ließen sich damit auf ein¬ fache Weise elektronisch überwachen bzw. automatisieren.d) electronic drop counters, e.g. in medicine, pharmacy or chemistry (constant medium change between gaseous and liquid). The correct dosage of medicaments (for example in the case of infusions) or in titrations (chemistry) could thus be electronically monitored or automated in a simple manner.
e) Vorrichtungen zur schnellen Messung von Massen- bzw. Volumenströmen, z.B. zur Messung der Ansaugluftmenge bei Verbrennungsmotoren oder z.B. zur Verbrauchser¬ mittlung in der industriellen Anwendung von Druckluft, technischen Gasen, Flüssigkeiten und sonstigen Fluiden. Der Wärmeverlust an strömende Medien steigt bei Gasen unge¬ fähr proportional zur Wurzel aus der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums an (bei gleichbleibendem Druck) und außerdem proportional zum Druck (bei verändertem Druck). Mit einigen Korrekturberechnungen (Kalibrierung) kann daher der Massenstrom und (mit zusätzlicher Messung des Druckes) auch der reale Volumenstrom ermittelt werden.e) devices for the rapid measurement of mass flows, e.g. for measuring the intake air amount in internal combustion engines or e.g. for Verbrauchser¬ mediation in the industrial application of compressed air, industrial gases, liquids and other fluids. The heat loss of the flowing media increases in gases approximately proportional to the root from the flow velocity of the medium (at constant pressure) and also proportional to the pressure (at a different pressure). With some correction calculations (calibration), therefore, the mass flow and (with additional measurement of the pressure) also the real volume flow can be determined.
f) Schnell getaktete Dosiervorrichtungen, z.B. für flüssige Klebstoffe, Zahnpasta oder Kaf¬ feepulver, um nur drei willkürliche Beispiele zu nennen, die bei klassischen Hitzdraht- Anemometern normalerweise zur sofortigen Zerstörung des Sensors führen würden und die mit hinreichend robusten Messgeräten nach dem CCA-Prinzip aus Geschwindigkeits¬ gründen bisher gar nicht denkbar gewesen wären.f) High-speed dosing devices, eg for liquid adhesives, toothpaste or coffee powder, to name only three arbitrary examples that would normally lead to the immediate destruction of the sensor in classical hot wire anemometers and which, with sufficiently robust measuring instruments according to the CCA principle, would previously have been unthinkable for reasons of speed.
g) Medizinische Anwendungen; die Wärmeableitungsfähigkeit der Haut verändert sich durch Schweißabsonderung, Hormon-, Gift- und Medikamentenwirkungen, unterschied¬ liche Öffnungsweiten der Blutgefäße, Gewebsveränderungen, Krankheiten, Fieber etc. Mögliche Anwendungen: Pulsmessgeräte, Fieberthermometer, Lügendetektoren, Gewe¬ beuntersuchungen am Patienten und im Labor und vieles mehr.g) medical applications; the ability of the skin to dissipate heat changes as a result of perspiration, hormone, poison and medication effects, different opening widths of the blood vessels, tissue changes, diseases, fever etc. Possible applications: pulse measuring devices, clinical thermometers, polygraphs, tissue examinations on the patient and in the laboratory and much more more.
h) Weitere medizinische Anwendungen: Atmungsüberwachung durch Messung des Luft¬ stroms, z.B. durch einen per Clip am Nasenflügel angebrachten Sensor. Vorteile: die Temperatur des Sensors muss nur knapp über der Körpertemperatur gehalten werden, und der Sensor kann (je größer, desto besser) den wahren Luftstrom erfassen, ohne durch lokale Luftbewegungen im Raum irritiert zu werden. Dito können z.B. bei Lungen¬ funktionsprüfungen durch die hohe Zeitauflösung des Verfahrens auch Oszillationen fest¬ gestellt werden, die von krankheitsbedingten Verengungen der Atemwege herrühren kön¬ nen.h) Further medical applications: Respiration monitoring by measuring the air flow, e.g. by a clip attached to the nose wing sensor. Advantages: the temperature of the sensor must be kept just above body temperature, and the sensor can detect the true air flow (the bigger, the better), without being irritated by local air movements in the room. Dittos can e.g. In pulmonary function tests, due to the high time resolution of the method, oscillations can also be detected, which can result from illness-related narrowing of the respiratory tract.
i) Mechanische Längenmessungen, z.B. durch einen elastisch verformbaren Sensor. Je mehr sich der Sensor in die Länge zieht, desto mehr Wärmeübergangsfläche kommt im Verhältnis zum Volumen des Sensors zur Wirkung -> Anstieg des Wärmeverlustes be¬ deutet Längenänderung (bei sonst konstant gehaltenen Bedingungen).i) Mechanical length measurements, e.g. by an elastically deformable sensor. The more the sensor extends in length, the more heat transfer surface comes into effect in relation to the volume of the sensor -> increase in heat loss means length change (with conditions otherwise kept constant).
j) Messung der Luftfeuchte (Hygrometer). Je mehr Wasserdampf in der Luft (allgemeiner: in einem Gas) enthalten ist, desto höher ist im Allgemeinen die Wärmeableitungsfähigkeit des Gases oder des Gasgemisches.j) Measurement of the humidity (hygrometer). The more water vapor in the air (more generally: in one gas) is contained, the higher the heat dissipation capability of the gas or gas mixture in general.
k) Messungen des Feuchtegehalts von diversen Stoffen und Gegenständen. Beispiel: bei gleicher Temperatur unterscheidet sich ein trockener Schwamm von einem feuchten Schwamm, neben anderem, insbesondere auch durch die unterschiedliche Wärmeablei¬ tungsfähigkeit.k) measurements of the moisture content of various substances and objects. Example: at the same temperature, a dry sponge differs from a damp sponge, among other things, in particular also due to the different heat dissipation capability.
I) Anwendungen zur (schnellen) Temperaturmessung. Unter sonst konstant gehaltenen Bedingungen ändert sich der Wärmeverlust am Sensor nur in Folge von Änderungen der Temperatur Tum des umgebenden Mediums. Diese Temperatur Tum kann vorteilhaft ge¬ messen werden, weil das Verfahren nur eine geringfügig höhere Sensortemperatur als die maximal auftretende Mediumstemperatur benötigt und deshalb sehr empfindlich auf Temperaturänderungen des Mediums reagieren kann.I) Applications for (fast) temperature measurement. Under otherwise constant conditions, the heat loss at the sensor changes only as a result of changes in the Temperature T around the surrounding medium. This temperature T are to be measured advantageous ge because the procedure requires only a slightly higher temperature sensor than the maximum occurring medium temperature and may therefore very sensitive to temperature changes of the medium.
m) Anwendungen zur Bestimmung der Wärmeableitungsfähigkeit, bei denen zwei CTA nach dem neuen Verfahren kombiniert eingesetzt werden, wobei eines z.B. im Kontakt mit einem strömenden Fluid steht und das andere, auch im Kontakt mit dem Fluid, aber strömungsgeschützt eingebaut, zur Messung von Tum benutzt wird.m) applications for determining the heat dissipation capability, in which two CTA are used in combination according to the new method, one is eg in contact with a flowing fluid and the other, even in contact with the fluid, but flow-protected, to measure T to is used.
n) Anwendungen als Thermostat, z.B. könnte ein kleiner Uhrenquarz in festen thermi¬ schen Kontakt mit dem Sensor gebracht werden, wodurch er gewissermaßen selbst zu einem Teil des Sensors würde, dessen Temperatur ja konstant gehalten wird. Dadurch ergäbe sich mit geringem Aufwand eine Erhöhung der Ganggenauigkeit gegenüber Quar¬ zen, die wechselnden Temperaturen ausgesetzt sind. Vor dem Aufkommen der Atom¬ uhren dienten temperaturkonstant gehaltene Quarze als offizielle Zeitnormale, so dass mit der hier vorgeschlagenen Lösung preiswerte und dennoch hervorragende Zeitmesser in Geräte eingebaut werden könnten, die nicht von der örtlichen Empfangbarkeit von Zeit¬ zeichensendern abhängig sein sollen.n) Applications as a thermostat, e.g. For example, a small quartz watch quartz could be brought into firm thermal contact with the sensor, so that to a certain extent it would itself become part of the sensor whose temperature is kept constant. This would result in an increase in the accuracy of the accuracy with respect to quartz, which are exposed to changing temperatures with little effort. Prior to the advent of atomic clocks quartz crystals kept constant temperature served as official time standards, so that with the solution proposed here cheap and yet excellent timepieces could be installed in devices that should not depend on the local reception of Zeit¬ time transmitters.
o) Als letztes Beispiel soll der Einsatz einer erfindungsgemäßen CTA-Schaltung (Fig. 8 Nr. 1) zur schnellen Messung von Pegelständen in separierten Medien mit unterschied¬ licher Wärmeableitungsfähigkeit, z. B. Wasser (Fig. 8 Nr. 3) und Luft (Fig. 8 Nr. 2), ge¬ zeigt werden. Als Sensor kann hierfür grundsätzlich ein einfacher, isolierter Draht dienen (Fig. 8 Nr. 6)o) As a last example, the use of a CTA circuit according to the invention (Fig. 8 No. 1) for the rapid measurement of water levels in separated media with unterschied¬ Licher heat dissipation capability, eg. As water (Fig. 8 No. 3) and air (Fig. 8 No. 2), ge shows are. In principle, a simple, insulated wire can serve as the sensor (FIG. 8, No. 6).
Es sei hmax (Fig. 8 Nr. 4) die Höhe des Gefäßes und gleichzeitig die halbe Gesamtlänge des Drahtes (wegen der doppelten Drahtführung). Die Höhe, bis zu der die Flüssigkeit den Draht benetzt, sei hF (Fig. 8 Nr. 5).Let h max (Fig 8 No. 4) be the height of the vessel and at the same time half the total length of the wire (because of the double wire guide). The height to which the liquid wets the wire is h F (Fig. 8 No. 5).
Die Höhe der Luftsäule ist hL = hmax - hF. Bei gleicher Drahtlänge geht an die Flüssigkeit um den Faktor f mehr Wärme verloren, als an Luft. Der Wärmeverlust ist der Füllhöhe proportional, wie im Folgenden gezeigt wird: Für t\ = hmax (keine Flüssigkeit im Behälter) erhält man einen bestimmten Wärmeverlust Wmin. Für hF= hmax (Behälter vollständig mit der Flüssigkeit gefüllt) ergibt sich ein Wärme¬ verlust Wmax = f * Wmin.The height of the air column is h L = h max - h F. With the same wire length, the heat is lost by the factor f more heat than in air. The heat loss is proportional to the filling level, as shown below: For t \ = h max (no liquid in the container) one obtains a certain heat loss W min . For h F = h max (container completely filled with the liquid) results in a heat loss W max = f * W min .
Für den Wärmeverlust in Abhängigkeit von der Füllhöhe ergibt sich folgende Beziehung:For the heat loss as a function of the filling height, the following relationship results:
und aufgelöst nach der Füllhöhe in Abhängigkeit vom gemessenen Wärmeverlust W, der im Falle des thermischen Gleichgewichts mit der unmittelbar bekannten mittleren elektri¬ schen Leistung am Sensor gleichgesetzt werden kann:and resolved according to the filling level as a function of the measured heat loss W, which in the case of the thermal equilibrium can be equated with the directly known average electrical power at the sensor:
bzw.respectively.
K(W) = C1 - (W - C2) (16)K (W) = C 1 - (W - C 2 ) (16)
mit — — TT- TT = ci = const und Wmin = C2 = const.with - - TT - TT = c i = const and W min = C 2 = const.
W^ - (J - I)W ^ - ( J - I)
Sofern direkte Störeinflüsse durch mögliche, turbulente Eigenbewegungen der Flüssigkeit ausgeschlossen werden sollen, empfiehlt es sich, den Messdraht mit einer unten und oben offenen, den Messdraht auf ganzer Länge umschließenden Röhre zu umgeben. If direct disturbing influences are to be excluded by possible turbulent proper motions of the liquid, it is recommended to surround the measuring wire with a tube which is open at the bottom and at the top and encloses the measuring wire over its entire length.
Zusammenfassend ergibt sich folgendes:In summary, the following results:
Bei einem Verfahren zur präzisen Konstanthaltung der mittleren Temperatur eines elek¬ trisch beheizten Sensors bleibt die Sensortemperatur auch bei Lastwechseln zwischen oder in unmittelbarer Nähe einer oberen Temperaturgrenze T0 und einer unteren Grenze Tu. Wird der Abstand der Grenzen klein gewählt, können auch mit robusten Sensoren kur¬ ze Ansprechzeiten erreicht werden.In a method for precisely maintaining the average temperature of an electrically heated sensor, the sensor temperature also remains at load changes between or in the immediate vicinity of an upper temperature limit T 0 and a lower limit T u . If the distance between the limits is chosen to be small, short response times can also be achieved with robust sensors.
Zur Aufheizung werden Heizspannungen von variabler Höhe verwendet, die Schätzwerte darstellen, deren Ergebnisqualität im Verhältnis zu den Zielvorgaben beurteilt wird. Als Ergebnis der Qualitätsbeurteilung erfolgen iterative, konvergente Verbesserungen der Schätzwerte, bis Schätzwert und exakt benötigte Heizspannung identisch sind. Es wer¬ den verfahrensneutrale und verfahrensschädliche Schätzwerte unterschieden, wobei letz¬ tere durch akute Gegenmaßnahmen in verfahrensneutrale Schätzwerte umgewandelt werden, bevor sie sich negativ auf die Temperaturkonstanz auswirken können.For heating, variable-height heating voltages are used, which are estimates whose quality of results is assessed in relation to the targets. As a result of the quality assessment, iterative, convergent improvements of the estimates occur until the estimated value and exactly required heating voltage are identical. A distinction is made between the process-neutral and process-harmful estimates, the latter being converted into process-neutral estimates by means of acute countermeasures before they can have a negative effect on the temperature constancy.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
In der Zeichnung zeigen:In the drawing show:
Fig. 1 den zeitlichen Verlauf der Sensortemperatur [ T/K ] und den der Heizspannung [ Uh/V ] bei einem niedrigen Wärmeverlust gemäß der Erfindung,1 shows the time profile of the sensor temperature [T / K] and the heating voltage [U h / V] with a low heat loss according to the invention,
Fig. 2 Kurvenverläufe ähnlich denen bei Fig. 1 , bei einem höheren Wärmeverlust, gemäß der Erfindung,2 curves similar to those in FIG. 1, with a higher heat loss, according to the invention,
Fig. 3 Kurvenverläufe ähnlich denen bei Fig. 1 oder 2, bei einer sprunghaften Vergröße¬ rung der Wärmeableitungsfähigkeit des Sensors, gemäß der Erfindung, Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Sensortemperatur (dünne Sägezahnkurve) und den der Heizspannungen (fette Rechteckkurve) bei einem sehr schnell konvergierenden Verfah¬ ren gemäß der Erfindung,3 shows curves similar to those in FIG. 1 or 2, with a sudden increase in the heat dissipation capability of the sensor, according to the invention, FIG. 4 shows the time profile of the sensor temperature (thin sawtooth curve) and that of the heating voltages (bold rectangular curve) in a very rapidly converging method according to the invention, FIG.
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Sensortemperatur bei einem sprunghaften Anstieg des Wärmeverlustes bei einem extrem schnell konvergierenden Verfahren gemäß der Erfin¬ dung,5 shows the time profile of the sensor temperature with a sudden increase in the heat loss in an extremely fast converging method according to the invention,
Fig. 6 eine beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Schaltung, bei der ein Sen¬ sor mit NTC-Charakteristik benutzt wird,6 shows a circuit used in the method according to the invention, in which a sensor with NTC characteristic is used,
Fig. 7 eine beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete, andere Schaltung, bei der ein Sensor mit einem schnellen A/D-Wandler benutzt wird,7 shows another circuit used in the method according to the invention, in which a sensor with a fast A / D converter is used.
Fig. 8 eine Darstellung eines Sensors in Form eines isolierten Drahtes bei der Verwen¬ dung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur schnellen Messung von Flüssigkeitspegel¬ ständen,8 shows a representation of a sensor in the form of an insulated wire in the use of the method according to the invention for the rapid measurement of liquid levels,
Fig. 9 den zeitlichen Verlauf der Sensortemperatur (fette Kurve) mit zugehörigem Verlauf der am Sensor umgesetzten elektrischen Leistung (dünne Dreieckskurve), in der linken Bildhälfte vor einem Lastwechsel (niedriger Wärmeverlust) und in der rechten Bildhälfte nach einem Lastwechsel (höherer Wärmeverlust),9 shows the time profile of the sensor temperature (bold curve) with the associated curve of the electrical power converted at the sensor (thin triangular curve), in the left half of the picture before a load change (low heat loss) and in the right half after a load change (higher heat loss),
Fig. 10 eine im Stand der Technik bekannte CTA-Schaltung eines ersten Typs,10 is a prior art CTA circuit of a first type;
Fig. 11 eine im Stand der Technik bekannte CTA-Schaltung eines zweiten Typs. Fig. 11 is a known in the art CTA circuit of a second type.
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