Elektrisches Überwachungsverfahren mittels einer Hitzdrahtsonde als Geber für ein mittels Trägerfrequenz-Modulationsverfahren arbeitendes Gerät
Das vorliegende Patent bezieht sich auf ein elektrisches Überwachungsverfahren mittels einer Hftzdrahtsonde als Geber für ein mit tels Trägerfrequenz-Modulationsverfahren arbeitendes Gerät sowie auf eine Vorrichtung zur Durehführvmg dieses Verfahrens.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass die Hitzdrahtsonde unabhängig vom Trägerfrequenzstrom geheizt und die Trägerfrequenz ausschliesslicfr zum Messen (Anzeigen, Schreiben oder Auslösen eines Schaltvorganges) benutzt wird. Gegenüber den bekannten Geräten mit Kitzdrahtsonde und Trägerfrequenzmodulation, bei denen die Trägerfrequenz mit zum Heizen der Sonde verwendet wird, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, derartige Geräte wesentlich einfacher zu bauen. Ausserdem kann für die Durchführung des Überwachungsverfahrens nach der Erfindung jedes Trägerfrequenzgerät verwendet werden, wie es für die Messung von Drehschwingungen, Druck-und Drehmoments änderungen benutzt wird.
Die Erfindungen werden im folgenden beispielsweise erläutert.
Auf der Zeichnung ist: in Fig. 1 das Schaltschema eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung nach der Erfindung, für die Messung der Geschwindigkeit strömender Medien dargestellt; die Fig. 2 zeigt dazu ein Diagramm, das die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes R der Drahtsonde von der Strömungsgeschwindigkeit W des zu untersuchenden Mediums zeigt; die Fig. 3 zeigt das Schaltbild eines Gerätes für reine Temperaturmessung; die Fig. 4 zeigt das Schaltschema eines kombinierten Gerätes zum gleichzeitigen Messen von Temperatur- und Strömungsgesehwin digkeiten; die Fig. 5 zeigt eine Einzelheit zum Gerät nach Fig. 4.
Man geht von nachstehenden Erwägungen aus: Lässt man an einem genügend dünnen Draht, der auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt wird, ein Medium, z. B. Luft, mit verschiedenen Geschwindigkeiten vorbeiströmen, so ändert sich der Widerstand des Drahtes mit ändernder Strömungsgeschwindigkeit.
Umspült den Draht z. B. ein kühles Gas, so ändert sich mit wachsender Strömungsgeschwindigkeit sein Widerstand so lange, bis er wieder die Temperatur vor der Aufheizung erreicht hat. Von dieser Geschwindigkeit ab erhält man keine Widerstandsänderung mehr wie der Punkt C von Fig. 2 zeigt. Es kann daher eine Messung der Gasgeschwindigkeit durch Messen des Widerstandes der Drahtsonde in einem bestimmten Arbeitsbereich A-B (Fig. 2) vorgenommen werden.
-Beim Fühlen von mittleren Strömungsgeschwindigkeiten kann zur Erzielung der glei ellen Empfindlichkeit im ganzen Bereich die Drahtsonde immer auf die gleiche Temperatur aufgeheizt werden. Die Stellung eines Widerstandes für den Drahtsonden-Heizstrom (R2 in Fig. 1) ist dann ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit.
Das nach dem Trägerfrequenz-Modulationsverfahren arbeitende Anzeigegerät besteht aus einer Brückenschaltung Br (Fig. 1), in weleher sich der Einfluss des Geberimpulses als Widerstandsänderung bzw. durch Auftreten oder Änderung einer Brückendiagonalspannung auswirkt. Diese Diagonalspanmmg wird in einem Verstärker V verstärkt, in einem phasenempfindlichen Gleichrichter G gleichgerichtet und durch eine Siebkette D von der noeh enthaltenen Trägerfrequenz befreit.
Am Ausgang des Gerätes befindet sieb zein Anzeigeinstrument A oder die Schleife eines Oszillographen, der den Vorgang aufzeichnet.
Durch einen Generator Q wird die Messbrücke Br mit Wechselstrom (Trägerfrequenz) versorgt. Die Drahtsonde S ist hier in einen der Brückenzweige b' (oder b") der Brücke Br eingesetzt.
Beim Messen von Geschwindigkeiten strömender Medien, z. B. Luft, wird die Drahtsonde S, z. B. aus einer Batterie 1 (Fig. 1) über einen veränderlichen Widerstand R2 und ausreichend bemessenen Induktivitäten L' und L" elektrisch geheizt. Zum Messen oder Ei chen wird zunächst die Temperatur der Drahtsonde mittels des Widerstandes R2 auf einen bestimmten Wert eingestellt, welcher den günstigsten Arbeitspunkt nach dem Diagramm von Fig. 2 bei A ergibt. Darauf wird die Brücke B mit Hilfe eines veränderlichen Widerstandes R1 abgeglichen und die Stellung von R1 vermerkt.
Wird nun die Sonde S der zu untersuchenden Strömung ausgesetzt, dann ändert sich, wie oben bereits dargestellt, deren Widerstand und diese änderungen werden am Oszillographen A sichtbar. Geeicht wird z. B. der Arbeitsbereich von A-B nach Fig. 2. Hier- bei entspricht die Stellung von R1 dem Brük- kenabgleich im Arbeitsbereich A. Diese ist daher jederzeit wieder einstellbar, wenn man die Stellung von R1 kennt. Der Brückenabgleich ist nur von der Temperatur der Drahtsonde S abhängig, das heisst der Arbeitspunkt A lässt sich immer wieder auffinden, unabhängig davon, in welcher Strömungsge- sehwindigkeit oder Aussentemperatur sich die Sonde befindet.
Es lässt sich somit immer die gleiche Eichkurve finden, und diese gilt in bestimmten Grenzen auch für verschiedene Strö mungsgeschwindigkeit, und will man kleine, dieser mittleren Geschwindigkeit überlagerte Änderungen messen, so bringt man die Drahtsonde S vor der Messung durch zusätzliches Aufheizen in den Arbeitspunkt A und kann die bei niedrigerer Strömungsgeschwindig- keit festgestellte Eichkurve benutzen. Es lassen sieh also mit dieser Anordnung kleine Änderungen einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit messen und aufzeichnen.
Dabei ist die Grenzfrequenz, das heisst die höchste mögliche Änderung der Geschwindig- keit durch die Drahtstärke der Sonde bestimmt. Beim Messen der mittleren Strö mungsgeschwindigkeit über einen grösseren Bereich hält man zur Einhaltung einer konstanten Empfindlichkeit am besten den Ar Arbeitspunkt A fest. Am Ausgang des Gerätes wird anstatt des Oszillographen in diesem Fall ein Anzeigeinstrument angeschlossen und dieses als Null-Instrument verwendet. Damit kant man die Drahtsonde immer auf gleiche Temperatur einstellen, welche durch den Nullpunkt des Instrumentes am Ausgang A angezeigt wird. Zum Einstellen dieses Nullwertes muss der Widerstand R2 in der Messbrücke verstellt werden.
Die Stellung von R2 ist somit ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit. Die Regelung des Widerstandes R2 kann entweder von Hand oder automatisch mit Hilfe eines vom Ausgang des Gerätes direkt gesteuerten Drehspulpotentiometers vorgenommen werden, in einer Anordnung, wie es z. B. für die Fernanzeige von Messwerten getroffen wird. In diesem Fall wird der Oszillograph durch ein Drehspulinstrument ersetzt, dessen als Widerstandssehaltarm ausgebildeter Zeiger den Widerstand R2 so lange verstellt, bis die Zeigerausgangsstellung wieder erreicht wird. Mit einer solchen Anordnung ist dann eine direkte Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit möglich.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit konstant oder bekannt ist, eignet sich die beschriebene Anordnung auch zum Messen von Temperaturen, und zwar zum Messen der Temperatur strömender als auch stillstehender Medien, oder auch zum Messen der Temperatur erhitzter Körper, indem man die Sonde in das zu untersuchende Medium eintaucht oder z. B. bei festen Körpern deren Strahlungswärme oder -kälte aussetzt, oder diese direkt berühren lässt.
Man gleicht die Brücke derart ab, dass bei einer bestimmten Solltemperatur in der Brükkendiagonale die Spannung Null herrscht, während bei einer von der Solltemperatur abweichenden Temperatur Spannung vorhanden ist.
Man kann den Ausgang des Gerätes nicht nur zur Anzeige, sondern gegebenenfalls auch über ein oder mehrere Relais zum Schalten oder Regeln irgendwelcher beliebiger Vorgänge benutzen. In diesem Fall wird die auftretende und verstärkte Diagonalspannung im Gleichriehter C ; insbesondere derart gleich- gerichtet, dass unterhalb des Abgleiches der Brücke ein negativer und oberhalb des Abgleiches ein positiver Strom entsteht, der dann ein Relais schaltet. Letzteres gibt dann seine N : inusstellung bei zu niedriger und seine Plusstellung bei zu hoher Temperatur. Auf diese Weise können die Grenzen des Regel- oder Schaltvorganges festgelegt werden.
Die Arbeitsgeschwindigkeit der Einrichtung ist in erster Linie von der Frequenz des vom Generator T der Brücke gelieferten Wechselstromes (also von der Trägerfrequenz) abhängig.
Je höher diese Frequenz ist, desto rascher arbeitet das Gerät und umgekehrt. Auch die Länge und Dicke des Sondendrahtes ist von Einfluss. Es spricht dieser um so rascher an, je kürzer und dünner er ist.
Beim Untersuchen von elektrisch leitenden Medien ist der Sondendraht mit einem isolierenden Überzug zu versehen, der natürlich ebenfalls möglichst dünn sein soll, um die Wärmeträgheit des Drahtes nicht zu vergrössern. Ausserdem müsste sowohl der Draht als auch sein Überzug für die durchzuführen- den Messungen ausreichend hitzefest sein.
Die beschriebenen Vorrichtungen eignen sich vor allem zum Messen von Gasströmungen in ihren zugehörigen Leitungen. Unter Be rücksiehtigung der notwendigen Isoliermass- nahmen können auch strömende F'lüssigkeiten gemessen werden. Bei der Messung der Temperatur fester Körper bringt man, wie bereits erwähnt, die Messsonde möglichst nahe an diese heran.
Will man mit der Hitzdrahtsonde die Strö mungsgeschwindigkeitcn von Gasen oder Flüs- sigkeiten messen, deren Temperatur sich gleichzeitig ändert, dann muss der Temperatureinfluss bekannt sein, damit er am Anzeigegerät der Hitzdrahtsonde berücksichtigt werden kann. Es muss also in diesem Fall eine strömungsunabhängige Temperaturanzeige gleichzeitig mit der Messung der Hitzdrahtsonde durchgeführt werden. Zur strömungsunabhängigen Messung kann ein Thermoelement verwendet werden (Fig. 3). Es kann dies unbedenklich geschehen, weil die Thermoelemente erst bei verhältnismässig hohen Strö mungsgeschwindigkeiten von diesen beeinflusst werden. Gegebenenfalls kann man auch ein Staudruckthermometer verwenden.
Die Spannung des Thermoelementes Th wird in einem Ringmodulator der Trägerfrequenz aufmoduliert, im Verstärker V verstärkt, bei & , wie vorbeschrieben, gleichgerichtet und vorteilhaft auf dem gleichen Papierstreifen gleichzeitig zusammen mit der Strömungsgeschwindigkeitsanzeige der Drahtsonde aufgezeichnet.
Man hat also die Temperatur und die durch diese beeinflusste Strömungsgeschwindigkeit auf dem gleichen Diagramm nebeneinander stehen und kann nach vorher geschehener Eiehung den Temperatureinfluss berüeksiehtigen.
Die Eichung des für die Temperaturmessung benutzten Trägerfrequenzgerätes kann - mit- tels eines Eichkastens E durchgeführt werden, der entsprechend der in diesem angewen- deten Widerstände verschiedene, genau bekannte Spannungen liefert. Die Eichung der Hitzdrahtsonde muss im strömenden Medium bei verschiedenen Temperaturen erfolgen. Die nach dem beschriebenen Prinzip durchgeführte Messung ist nur dann richtig, wenn das Thermoelement die Temperatur des durch die Hitzdrahtsonde umfluteten Mediums misst.
Die Hitzdrahtsonde und das Thermoelement müssen sich daher in unmittelbarer Nachbarschaft befinden (Fig. 5), wobei durch geeignete Einrichtungen dafür gesorgt werden muss, dass die Strahlungswärme der Hitzdrahtsonde im Thermoelement nicht zur Anzeige kommt. Hierzu dient die Anordnung nach Fig. 4. Sowohl das Thermoelement Th als auch die Sonde S dienen dabei als Geber für je ein Gerät Gt, l und Gs. Jedes dieser Geräte be- steht, wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 3 aus Verstärker V, Gleich- riehter G, Demodulator D und Schleife A.
Beide Schleifen zeichnen ihr Diagramm auf dem gleichen Papierstreifen nebeneinander auf. Auf diese Weise kann neben der Strö mungsgesehwindigkeit auch der Temperatureinfluss festgestellt werden. Zu beachten ist, dass das Thermoelement ebenfalls ausreichend dünn sein muss, damit es den auftretenden Temperaturänderungen rasch folgen kann.
Die Rücksichtnahme auf die Temperatur beim Messen der Strömungsgesehwindigkeit kann erheblich vereinfacht werden, wenn man die beiden Geräte Gs und gth hintereinander schaltet, die beiden Ströme von Sonde und Thermoelement voneinander abzieht, und die sich ergebende Differenz durch eine Schleife zur Anzeige bringt.
Bezeichnet man mit J den Strom im Ausgang des Trägerfrequenzgerätes für die Strömungsgesehwindigkeit und mit Jth den Strom des Trägerfrequenzgerätes für die Temperatur, dann ergibt sich der Zusammenhang J8-f (Jth) = J (Anzeige) Die Anzeige dieser Schleife veranschaulicht bei richtiger Regelung der vom Thermoelement herkommenden Spannung die von der Temperatur unabhängige Strömungsgesehwindigkeit dann, wenn die Abhängigkeit der Hitzdrahtsondenspannung S von der Temperatur linear ist. Dabei wird angenommen, dass die Thermo kraftkurve ebenfalls angenähert linear ist.
Da jedoch die Abhängigkeit der Strömungsge- schwindigkeitsanzeige bei der Sonde nicht linear, sondern von der Temperatur abhängig ist, kann eine direkte Anzeige der Differenz nicht erfolgen. Es muss vielmehr die vom Thermoelement kommende Spannung in einem Netzwerk so umgeformt werden, dass die Abhängigkeit der Anzeige der Hitzdrahtsonde von der Temperatur berüclsichtigt wird.
Electrical monitoring process using a hot wire probe as a transmitter for a device that operates using a carrier frequency modulation process
The present patent relates to an electrical monitoring method by means of a Hftzwrahtsonde as a transmitter for a device operating with means of carrier frequency modulation method and to a device for carrying out this method.
The method according to the invention consists in that the hot wire probe is heated independently of the carrier frequency current and the carrier frequency is used exclusively for measuring (displaying, writing or triggering a switching process). Compared to the known devices with Kitzwrahtsonde and carrier frequency modulation, in which the carrier frequency is used to heat the probe, the present invention enables such devices to be built much more easily. In addition, any carrier frequency device can be used for carrying out the monitoring method according to the invention, such as is used for the measurement of torsional vibrations, pressure and torque changes.
The inventions are explained below by way of example.
In the drawing: FIG. 1 shows the circuit diagram of an exemplary embodiment of the device according to the invention for measuring the speed of flowing media; FIG. 2 shows a diagram showing the dependence of the electrical resistance R of the wire probe on the flow velocity W of the medium to be examined; 3 shows the circuit diagram of a device for pure temperature measurement; Fig. 4 shows the circuit diagram of a combined device for the simultaneous measurement of temperature and flow rates; FIG. 5 shows a detail of the device according to FIG.
The following considerations are used as a starting point: If a medium, such as a wire, is left on a sufficiently thin wire that is heated to a certain temperature. B. air, flow past at different speeds, the resistance of the wire changes with changing flow speed.
Washed around the wire z. B. a cool gas, its resistance changes with increasing flow rate until it has reached the temperature before the heating. From this speed onwards there is no longer any change in resistance, as is shown by point C in FIG. A measurement of the gas velocity can therefore be made by measuring the resistance of the wire probe in a certain working area A-B (FIG. 2).
-When sensing medium flow velocities, the wire probe can always be heated to the same temperature in order to achieve the same sensitivity in the entire range. The position of a resistor for the wire probe heating current (R2 in Fig. 1) is then a measure of the flow rate.
The display device operating according to the carrier frequency modulation method consists of a bridge circuit Br (Fig. 1), in which the influence of the transmitter pulse acts as a change in resistance or through the occurrence or change of a bridge diagonal voltage. This diagonal voltage is amplified in an amplifier V, rectified in a phase-sensitive rectifier G and freed from the carrier frequency contained therein by a filter chain D.
At the output of the device there is a display instrument A or the loop of an oscilloscope that records the process.
The measuring bridge Br is supplied with alternating current (carrier frequency) by a generator Q. The wire probe S is inserted here into one of the bridge branches b '(or b ") of the bridge Br.
When measuring the velocities of flowing media, e.g. B. air, the wire probe S, z. B. from a battery 1 (Fig. 1) via a variable resistor R2 and adequately dimensioned inductances L 'and L "electrically heated. For measuring or egg chen, the temperature of the wire probe is first set to a certain value by means of the resistor R2, which 2 results in the most favorable working point at A. Bridge B is then balanced with the aid of a variable resistor R1 and the position of R1 is noted.
If the probe S is now exposed to the flow to be examined, its resistance changes, as already shown above, and these changes are visible on the oscilloscope A. Is calibrated z. B. the work area from A-B according to Fig. 2. Here the position of R1 corresponds to the bridge adjustment in work area A. This can therefore be set again at any time if you know the position of R1. The bridge adjustment is only dependent on the temperature of the wire probe S, which means that the working point A can be found again and again, regardless of the flow velocity or outside temperature at which the probe is.
The same calibration curve can therefore always be found, and this also applies within certain limits for different flow velocities, and if you want to measure small changes superimposed on this average velocity, you bring the wire probe S to working point A by additional heating before the measurement and can use the calibration curve determined at a lower flow velocity. With this arrangement you can measure and record small changes in a certain flow velocity.
The cut-off frequency, that is, the highest possible change in speed, is determined by the wire size of the probe. When measuring the mean flow velocity over a larger range, it is best to keep the Ar operating point A to maintain constant sensitivity. In this case, instead of the oscilloscope, a display instrument is connected to the output of the device and this is used as a zero instrument. This means that the wire probe is always set to the same temperature, which is indicated by the zero point of the instrument at output A. To set this zero value, the resistor R2 in the measuring bridge must be adjusted.
The position of R2 is therefore a measure of the flow velocity. The regulation of the resistor R2 can either be carried out manually or automatically with the aid of a moving coil potentiometer controlled directly from the output of the device, in an arrangement as is e.g. B. is taken for the remote display of measured values. In this case, the oscilloscope is replaced by a moving-coil instrument whose pointer, designed as a resistance holding arm, adjusts the resistor R2 until the pointer's starting position is reached again. With such an arrangement, a direct display of the flow rate is then possible.
If the flow rate is constant or known, the described arrangement is also suitable for measuring temperatures, namely for measuring the temperature of flowing as well as stationary media, or for measuring the temperature of heated bodies by immersing the probe in the medium to be examined or z. B. exposes solid bodies to their radiant heat or cold, or lets them touch them directly.
The bridge is adjusted in such a way that at a certain setpoint temperature in the bridge diagonal the voltage is zero, while at a temperature deviating from the setpoint temperature, voltage is present.
You can use the output of the device not only for display, but also, if necessary, via one or more relays for switching or regulating any processes. In this case, the diagonal voltage that occurs and is amplified in the rectilinear C; in particular rectified in such a way that a negative current arises below the calibration of the bridge and a positive current above the calibration, which then switches a relay. The latter then gives its neutral position when the temperature is too low and its positive position when the temperature is too high. In this way, the limits of the control or switching process can be defined.
The operating speed of the device is primarily dependent on the frequency of the alternating current supplied by the generator T of the bridge (i.e. on the carrier frequency).
The higher this frequency, the faster the device works and vice versa. The length and thickness of the probe wire also have an impact. It responds faster, the shorter and thinner it is.
When examining electrically conductive media, the probe wire must be provided with an insulating coating, which of course should also be as thin as possible in order not to increase the thermal inertia of the wire. In addition, both the wire and its coating must be sufficiently heat-resistant for the measurements to be carried out.
The devices described are particularly suitable for measuring gas flows in their associated lines. If the necessary insulation measures are taken into account, flowing liquids can also be measured. When measuring the temperature of solid bodies, as already mentioned, the measuring probe is brought as close as possible to it.
If you want to measure the flow velocities of gases or liquids with the hot wire probe, the temperature of which changes at the same time, the temperature influence must be known so that it can be taken into account on the display device of the hot wire probe. In this case, a flow-independent temperature display must be carried out at the same time as the measurement of the hot wire probe. A thermocouple can be used for flow-independent measurement (Fig. 3). This can be done safely because the thermocouples are only influenced by them at relatively high flow speeds. If necessary, you can also use a dynamic pressure thermometer.
The voltage of the thermocouple Th is modulated in a ring modulator of the carrier frequency, amplified in the amplifier V, rectified at &, as described above, and advantageously recorded on the same paper strip at the same time together with the flow rate display of the wire probe.
So you have the temperature and the flow velocity influenced by this on the same diagram next to each other and can take the temperature influence into account after a previous calculation.
The calibration of the carrier frequency device used for the temperature measurement can be carried out by means of a calibration box E which supplies various, precisely known voltages according to the resistors used in it. The calibration of the hot wire probe must be carried out in the flowing medium at different temperatures. The measurement carried out according to the principle described is only correct if the thermocouple measures the temperature of the medium flooded by the hot wire probe.
The hot wire probe and the thermocouple must therefore be located in the immediate vicinity (Fig. 5), whereby suitable devices must be used to ensure that the radiant heat of the hot wire probe is not displayed in the thermocouple. The arrangement according to FIG. 4 is used for this purpose. Both the thermocouple Th and the probe S serve as transmitters for one device Gt, 1 and Gs. Each of these devices exists, as in the exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 3 from amplifier V, straight line G, demodulator D and loop A.
Both loops record their diagram side by side on the same strip of paper. In this way, in addition to the flow rate, the influence of temperature can also be determined. It should be noted that the thermocouple must also be sufficiently thin so that it can quickly follow the temperature changes that occur.
The consideration of the temperature when measuring the flow velocity can be simplified considerably if the two devices Gs and gth are connected in series, the two currents from the probe and thermocouple are subtracted from each other, and the resulting difference is displayed through a loop.
If J denotes the current in the output of the carrier frequency device for the flow velocity and Jth denotes the current of the carrier frequency device for the temperature, then the relationship is J8-f (Jth) = J (display) Thermocouple-derived voltage, the temperature-independent flow velocity when the dependence of the hot-wire probe voltage S on the temperature is linear. It is assumed that the thermal force curve is also approximately linear.
However, since the dependence of the flow rate display on the probe is not linear, but depends on the temperature, the difference cannot be displayed directly. Rather, the voltage coming from the thermocouple must be transformed in a network in such a way that the dependence of the display of the hot wire probe on the temperature is taken into account.