AT504795B1 - Verfahren zur kalibrierung eines strömungssensors mit einem temperatursensitiven widerstand - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kalibrierung eines Strömungssensors mit einem temperatursensitiven Widerstand.

Temperatursensitive Widerstände weisen einen Widerstand auf, der sehr stark temperaturabhängig ist. R(T) = f?0 · (1 + o(T- T0))

Hierbei ist R(T) der Widerstand als Funktion der Temperatur, R0 der Widerstand bei der Basistemperatur T0, α der Temperaturkoeffizient und T die Messtemperatur. Wird der Widerstand R an eine Spannung U angeschlossen, so stellt sich ein bestimmter Strom I ein. Für die aufgenommene Elektrische Leistung P gilt

Befindet sich der temperatursensitive Widerstand in einem Gasstrom, so wird er durch den Gasstrom gekühlt. Es gilt für den Wärmestrom Q = a-A-( TR-T,) wobei α der Wärmeübergangskoeffizient ist (nicht identisch mit dem Temperaturkoeffizienten α des temperatursensitiven Widerstands R), A die Wärmeübergangsfläche, TR die Temperatur des Widerstandes sowie T| die Temperatur des einströmenden Gases.

Durch das strömende Gas wird somit der temperatursensitive Widerstand R gekühlt. Bei einem temperatursensitiven Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizient (PTC) sinkt somit der elektrische Widerstand. Durch den abfallenden elektrischen Widerstand steigt wiederum die elektrische Leistung, welche an dem Widerstand anfällt.

In vielen technischen Anwendungen ist es notwendig zu wissen, ob eine Gasströmung anliegt und in welche Richtung diese gegebenenfalls strömt. Letztendlich ist in vielen Fällen auch die Größe der Strömung von Bedeutung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei einem Strömungssensor mit temperatursensitivem Widerstand das Signal für das Vorliegen keiner Strömung in einem Kalibrierungsvorgang zu messen, sowie die Strömungsrichtung feststellen zu können. Letztendlich soll die Größe der Strömung messbar sein.

Erfindungsgemäß wird dies mit einem Verfahren zur Nullpunktkalibrierung an einem Strömungssensor mit elektrischem Widerstand mit positivem oder negativen Temperaturkoeffizienten dadurch erreicht, dass der Volumenstrom durch den Sensor kontinuierlich von einer Strömungsrichtung zur anderen Strömungsrichtung variiert wird. Hierbei wird an dem elektrischen Widerstand die aufgenommene elektrische Leistung gemessen. Erreicht das Messsignal bei der Verwendung eines Widerstandes mit positivem Temperaturkoeffizient ein Minimum oder bei der Verwendung eines Widerstandes mit negativem Temperaturkoeffizient ein Maximum, so wird die dazugehörige elektrische Leistung gespeichert und für den Betrieb als Signal für das Vorliegen keiner Strömung (Nullpunktsignal) verwendet.

Die Ansprüche 2 bis 4 beziehen sich auf einen elektrischen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten.

Gemäß den Merkmalen des abhängigen Verfahrensanspruchs 2 kann die Strömungsrichtung festgestellt werden. Hierzu wir bei einem Signal, welches sich von dem Nullpunktsignal unterscheidet, die Strömung gezielt kontinuierlich in eine Richtung verändert. Kommt es zu einem 3 AT 504 795 B1

Anstieg der gemessenen elektrischen Leistung, so wird darauf geschlossen, dass die anfängliche Strömung in die gleiche Richtung deutete, im anderen Fall in die entgegengesetzte.

Gemäß dem abhängigen Verfahrensanspruch 3 wird eine alternative Möglichkeit zur Feststellung der Strömungsrichtung geschützt. Hierzu wird bei einem Signal, das sich von dem Nullpunktsignal unterscheidet, die Strömung gezielt zuerst in die eine Richtung verändert und die elektrische Leistungsaufnahme gemessen und dann die Strömung gezielt in die andere Richtung verändert sowie die dazugehörige elektrische Leistungsaufnahme gemessen. Kommt es in dem einen Fall zu einem Anstieg des Signals, in dem anderen zu einer Minderung des Signals, so liegt eine anfängliche Strömung in Richtung der Strömungsveränderung, die zu einem Anstieg der elektrischen Leistung geführt hat, vor.

Anspruch 4 beschreibt und schützt ein weiteres Messverfahren. Hierzu wird, ausgehend von einem Signal, das sich von dem Nullsignal unterscheidet, die Strömung erst gezielt in eine Richtung verändert und dann in die andere Richtung. Am Ende des Vorgangs wird jeweils die Leistung aufgenommen. Kommt es in beiden Fällen zu einem Anstieg des Signals und wurde in beiden Fällen die Strömung um den gleichen Betrag verändert, so wird die Differenz der gemessenen elektrischen Leistungsaufnahmen bei den beiden Strömungsveränderungen gebildet. Hieraus lässt sich die Strömungsrichtung der ursprünglichen Strömung bestimmen.

Gemäß den Merkmalen des abhängigen Verfahrensanspruchs 5 kann beim Vorliegen eines Signals, dass sich vom Nullpunktsignal unterscheidet, aus der Differenz der elektrischen Leistungsaufnahme zum Minimumsignal ein Massenstrom errechnet werden. Hierzu ist es jedoch notwendig, den Sensor zunächst mit Hilfe eines weiteren Differenzdruck- oder eines sonstigen Strömungssensors einmalig zu kalibrieren.

Die Ansprüche 6 bis 8 beziehen sich auf einen elektrischen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten und bilden das Äquivalent zu den Ansprüchen 2 bis 4.

Figur 1 beschreibt einen Aufbau, bei dem sich ein temperatursensitiver Strömungssensor in einer Gebläseleitung befindet. Ein elektrischer Widerstand 1 mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) befindet sich in einer Leitung 3, in der sich auch ein Gebläse 4 befindet. Das Gebläse 4 verfügt über einen Antriebsmotor 5, an dem ein Hallsensor 6 zur Erfassung der Drehzahl angeschlossen ist. Der Hallsensor 6 ist mit einer Regelung 9 verbunden. Der elektrische Widerstand 1 ist an eine Spannungsquelle 2 angeschlossen. Parallel zur Spannungsquelle 2 befindet sich ein Voltmeter 8, das an die Regelung angeschlossen ist. Im Stromkreis zwischen Spannungsquelle 2 und elektrischem Widerstand 1 befindet sich ein Amperemeter 7, das mit der Regelung 9 verbunden ist.

Figur 2 zeigt einen anderen Aufbau, bei dem sich der elektrische Widerstand 1 mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) in einer Leitung 3 zwischen einer Leitung, in der sich ein Gebläse 4 befindet und einer Leitung mit einem Gasventil 10 befindet. Das Gebläse 4 verfügt wiederum über einen Motor 5 mit Hallsensor 6, welcher an die Regelung 9 angeschlossen ist. Das Gasventil 10 verfügt über einen Stellantrieb 11, welcher an die Regelung 9 angeschlossen ist.

Figur 3 zeigt die Leistungsaufnahme P des elektrischen Widerstandes 1 bei unterschiedlichen Volumenströmen V. Der Massenstrom unterscheidet sich vom Volumenstrom durch die Dichte p des Fluids m = V*p. Wie einleitend beschrieben, wird bei einer Fluidströmung der elektrische Widerstand 1 gekühlt, wodurch sein Widerstand absinkt und somit die Leistung ansteigt. Deshalb ist bei der Abwesenheit einer Strömung die Leistungsaufnahme des elektrischen Widerstands minimal.

Soll das Signal für das Vorliegen keiner Strömung in einem Kalibiervorgang gemessen werden, so wird der temperatursensitive Widerstand 1 in einer Richtung angeströmt, sodann wird die Strömung kontinuierlich zurückgenommen und kontinuierlich in die andere Richtung gefahren. 4 AT 504 795 B1

Hierbei muss irgendwann die Strömung Null betragen; dies wird dadurch deutlich, dass eine minimale Leistung Pmin gemessen wird. Dies ist das Signal für das Vorliegen keiner Strömung.

In realen Aufbauten ist häufig auch ohne den Einsatz beispielsweise eines Gebläses -beispielsweise durch Wind - eine Strömung vorhanden, welche dafür sorgt, dass der elektrische Widerstand einer Fluidströmung ausgesetzt ist. Hierzu ist es notwendig, mit einer gezielten Strömung die vorhandene Strömung zu egalisieren.

Bei einem Aufbau gemäß Figur 1 wird das Gebläse 4 in eine Richtung betrieben und sodann die Drehzahl des Gebläses kontinuierlich zurückgenommen und dann das Gebläse in die andere Richtung betrieben. Hierbei wird irgendwann die minimale elektrische Leistung des Widerstandes 1, welcher sich aus dem Produkt der Spannung U und des Stromes I ergeben, gemessen. Das Voltmeter 8 und das Amperemeter 7 sind mit der Regelung 9 verbunden, so dass die minimale Leistungsaufnahme Pmin des Widerstands 1 erfasst werden kann.

Bei einer Vorrichtung gemäß Figur 2 kann von der einen Seite der elektrische Widerstand 1 durch eine Luftströmung des Gebläses 4 durchströmt werden, andererseits kann ein Gasstrom, welcher über das Gasventil 10 läuft, in die andere Richtung überden elektrischen Widerstand 1 laufen.

Zur Kalibrierung des Nullsignals wird beispielsweise zuerst das Gebläse 4 eingeschaltet, das dafür sorgt, dass der elektrische Widerstand von unten nach oben von Luft umströmt wird. Bei einem konstanten oder verringertem Volumenstrom kann nun das Gasventil 10 kontinuierlich über seinen Stellantrieb 9 geöffnet werden. Sodann strömt Gas dem Luftstrom entgegen. Ist der Druck, welcher aus Volumenstrom aus dem Gasventil 10 resultiert genauso groß wie der Druck, welcher das Gebläse 10 auf der anderen Seite aufbaut, so findet kein Volumenstrom in dem Messkanal 3 statt. In diesem Fall stellt sich das Minimum der aufgenommenen elektrischen Leistung Pmin ein.

Aufbauten gemäß Figur 2 werden vorzugsweise in brenngasbetriebenen Heizungsbrennern eingesetzt. Mittels der so genannten Nulldruckregelung wird erreicht, dass das Verhältnis von Brenngas zu Luft stets konstant ist.

Die Figuren 4 und 5 verdeutlichen ein Verfahren zur Feststellung der Durchströmungsrichtung. Ausgehend von einer elektrischen Leistung P0, welche sich von der Leistung Pmin unterscheidet, wird der Volumenstrom verändert. Figur 4 zeigt einen Anstieg der gemessenen elektrischen Leistung. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Strömung in gleiche Richtung verstärkt wurde. Demgegenüber zeigt Figur 5 den Fall, in dem die elektrische Leistung abfällt. Dies ist ein Indiz, dass die veränderte Strömung in Gegenrichtung zur ursprünglichen Strömung erfolgte.

Figur 6 zeigt den Fall, dass ausgehend von einer elektrischen Leistung P0, welche ungleich der minimalen Leistung Pmin ist, die Strömung zunächst in eine Richtung verändert wird und dann eine erhöhte Leistung P-ι aufgenommen wird und in den anderen Fall die Strömung in die andere Richtung erfolgt, wodurch die aufgenommene Leistung P2 kleiner als die ursprüngliche Leistung P0 ist. Hierdurch wird deutlich, dass die ursprüngliche Strömung in die Richtung der ersten Veränderung deutete.

Figur 7 zeigt den Fall, dass ausgehend von einer Leistung P0, welche nicht dem Nullsignal Pmin entspricht, bei beiden Veränderungen jeweils entgegen der Strömungsrichtung höhere elektrische Leistungen P-ι, P2 gemessen werden als das Ursprungssignal P0. Wurde in beiden Fällen die Strömung um einen gleichen Betrag in unterschiedliche Richtungen verändert, so wird die Differenz der elektrischen Leistungen Pi und P2 herangezogen. In Figur 7 befinden sich P0 und Pi auf der negativen Seite der Strömungsgeschwindigkeit, während P2 auf der positiven Seite ist. Wird die Differenz aus Pi zu P2 gebildet, so ist diese positiv. Dies ist ein Beweis dafür, dass die ursprüngliche Strömung in die gleiche Richtung wie die erste Abänderung strömte.

Claims (8)

1. 5 AT 504 795 B1 Bei der Verwendung eines Strömungssensors mit negativem Temperaturkoeffizienten wird beim Vorliegen keiner Strömung ein Maximum der elektrischen Leistung gemessen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in bei einem derartigen Sensor analog angewendet. Der Abfall der elektrischen Leistung ist somit ein Indiz für einen absoluten Anstieg der Strömung. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Nullpunkt-Kalibrierung und Strömungsrichtungerkennung eines Strömungssensors mit genau einem elektrischen Widerstand (1) mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizient (PTC, NTC), dessen Arbeitstemperatur TR höher als die Eintrittstemperatur T, des strömenden Mediums ist, wobei der elektrische Widerstand (1) mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizient (PTC, NTC) an eine Spannungsquelle (2) angeschlossen wird und die elektrische Leistungsaufnahme des elektrischen Widerstands (1) mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizient (PTC, NTC) gemessen wird, mit folgenden Verfahrensschritten: • der Volumenstrom durch den Sensor wird kontinuierlich von einer Strömungsrichtung zur anderen Strömungsrichtung variiert, • dabei wird an dem elektrischen Widerstand (1) mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizient (PTC, NTC) die elektrische Leistung P gemessen, • erreicht das Messsignal bei Verwendung eines elektrischen Widerstand (1) mit positivem Temperaturkoeffizient (PTC) bei der kontinuierlichen Veränderung des Volumenstroms ein Minimum, so wird die elektrische Leistung Pmin gespeichert und für den Betrieb als Signal für das Vorliegen keiner Strömung verwendet, • wohingegen bei Verwendung eines elektrischen Widerstand (1) mit negativem Temperaturkoeffizient (NTC) in dem Fall, in dem das Messsignal bei der kontinuierlichen Veränderung des Volumenstroms ein Maximum erreicht, die elektrische Leistung Pmax gespeichert und für den Betrieb als Signal für das Vorliegen keiner Strömung verwendet wird.
2. 2. Verfahren zur Nullpunkt-Kalibrierung und Strömungsrichtungerkennung eines Strömungssensors mit elektrischem Widerstand (1) mit positivem Temperaturkoeffizient (PTC) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen eines Signals P0, das sich vom Signal Pmin für das Vorliegen keiner Strömung unterscheidet, die anfängliche Strömung in eine gezielte Richtung kontinuierlich verändert wird und bei einem stetigen Anstieg der gemessenen elektrischen Leistung auf eine anfängliche Strömung in gleicher Richtung und bei einer Reduzierung der gemessenen elektrischen Leistung auf eine anfängliche Strömung in entgegen gesetzter Richtung geschlussfolgert wird.
3. 3. Verfahren zur Nullpunkt-Kalibrierung und Strömungsrichtungerkennung eines Strömungssensors mit elektrischem Widerstand (1) mit positivem Temperaturkoeffizient (PTC) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen eines Signals P0, das sich vom Signal Pmin für das Vorliegen keiner Strömung unterscheidet, die Strömung erst gezielt in eine Richtung verändert wird und die elektrische Leistungsaufnahme Ρί gemessen wird, dann die Strömung gezielt in die andere Richtung verändert wird und die elektrische Leistungsaufnahme P2 gemessen wird, in dem Fall, in dem eine Strömungsveränderung zu einem Anstieg des Signals und die andere Strömungsveränderung zu einer Minderung des Signals führt, auf eine anfängliche Strömung in Richtung der Strömungsveränderung, die zu einem Anstieg geführt hat, geschlussfolgert wird.
4. 4. Verfahren zur Nullpunkt-Kalibrierung und Strömungsrichtungerkennung eines Strömungssensors mit elektrischem Widerstand (1) mit positivem Temperaturkoeffizient (PTC) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen eines Signals P0, das sich vom Signal Pmin für das Vorliegen keiner Strömung unterscheidet, die Strömung erst gezielt in eine Richtung verändert wird und die elektrische Leistungsaufnahme Pt gemessen wird, 6 AT 504 795 B1 dann die Strömung gezielt in die andere Richtung verändert wird und die elektrische Leistungsaufnahme P2 gemessen wird, in dem Fall, in dem beide Strömungsveränderung zu einem Anstieg des Signals führen, bei jeweils gleicher Strömungsveränderung die Differenz zwischen der ersten und zweiten gemessenen elektrischen Leistungsaufnahmen bei Strömungsveränderung (P1-P2) gebildet wird und im Fall einer positiven Differenz auf eine anfängliche Strömung in Richtung der ersten Strömungsveränderung geschlussfolgert wird und im Fall einer negativen Differenz auf eine anfängliche Strömung in Richtung der zweiten Strömungsveränderung geschlussfolgert wird.
5. 5. Verfahren zur Nullpunkt-Kalibrierung und Strömungsrichtungerkennung eines Strömungssensors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen eines Signals, das sich vom Signal für das Vorliegen keiner Strömung unterscheidet, aus der Differenz der elektrischen Leistung zum Minimum unter Berücksichtigung der Wärmekapazität des strömenden Mediums der Massenstrom errechnet wird.
6. 6. Verfahren zur Nullpunkt-Kalibrierung und Strömungsrichtungerkennung eines Strömungssensors mit elektrischem Widerstand (1) mit negativem Temperaturkoeffizient (NTC) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen eines Signals P0, das sich vom Signal Pmax für das Vorliegen keiner Strömung unterscheidet, die anfängliche Strömung in eine gezielte Richtung kontinuierlich verändert wird und bei einem stetigen Abfall der gemessenen elektrischen Leistung auf eine anfängliche Strömung in gleicher Richtung und bei einem Anbstieg der gemessenen elektrischen Leistung auf eine anfängliche Strömung in entgegen gesetzter Richtung geschlussfolgert wird.
7. 7. Verfahren zur Nullpunkt-Kalibrierung und Strömungsrichtungerkennung eines Strömungssensors mit elektrischem Widerstand (1) mit negativem Temperaturkoeffizient (NTC) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen eines Signals P0, das sich vom Signal Pmax für das Vorliegen keiner Strömung unterscheidet, die Strömung erst gezielt in eine Richtung verändert wird und die elektrische Leistungsaufnahme Pi gemessen wird, dann die Strömung gezielt in die andere Richtung verändert wird und die elektrische Leistungsaufnahme P2 gemessen wird, in dem Fall, in dem eine Strömungsveränderung zu einem Anstieg des Signals und die andere Strömungsveränderung zu einer Minderung des Signals führt, auf eine anfängliche Strömung in Richtung der Strömungsveränderung, die zu einem Abfall geführt hat, geschlussfolgert wird.
8. 8. Verfahren zur Nullpunkt-Kalibrierung und Strömungsrichtungerkennung eines Strömungssensors mit elektrischem Widerstand (1) mit negativem Temperaturkoeffizient (NTC) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen eines Signals P0, das sich vom Signal Pmax für das Vorliegen keiner Strömung unterscheidet, die Strömung erst gezielt in eine Richtung verändert wird und die elektrische Leistungsaufnahme Pi gemessen wird, dann die Strömung gezielt in die andere Richtung verändert wird und die elektrische Leistungsaufnahme P2 gemessen wird, in dem Fall, in dem beide Strömungsveränderung zu einem Abfall des Signals führen, bei jeweils gleicher Strömungsveränderung die Differenz zwischen der ersten und zweiten gemessenen elektrischen Leistungsaufnahmen bei Strömungsveränderung (PrP2) gebildet wird und im Fall einer negativen Differenz auf eine anfängliche Strömung in Richtung der ersten Strömungsveränderung geschlussfolgert wird und im Fall einer positiven Differenz auf eine anfängliche Strömung in Richtung der zweiten Strömungsveränderung geschlussfolgert wird. Hiezu 5 Blatt Zeichnungen