CN104729744B - 用于温度监控的电路组件和量热式质量流量测量仪 - Google Patents

用于温度监控的电路组件和量热式质量流量测量仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于温度监控的电路组件和量热式质量流量测量仪，电路组件(1)用于电子部件(2)的温度监控，电子部件(2)可加载以电流且可与电压源(3)连接。本发明目的在于说明一种电路组件，其确保了加载有电流的电子部件的温度的可靠监控。对于所谈及的电路组件该目的由此来实现，即电子部件(2)是惠斯通电桥(7)的一部分。此外，设置有开关装置(8)，其基于惠斯通电桥(7)的桥横向电压对以电流加载电子部件(2)起作用。

Description

用于温度监控的电路组件和量热式质量流量测量仪
技术领域
本发明涉及一种用于至少一个电子部件的温度监控的电路组件(Schaltungsanordnung)，该电子部件尤其可加载以电流且可与至少一个电压源连接。此外，本发明涉及一种带有至少一个电子部件的量热式质量流量测量仪，该电子部件尤其可加载以电流且可与至少一个电压源连接。
背景技术
在现代的过程自动化中，测量仪或执行器也可被应用于有爆炸危险的区域。这尤其使必要的是，所使用的部件不超过一定的电压、电流或温度值。
因此，例如用于运用在爆炸保护的区域中的传感器的电路以燃烧保护类型(Zündschutzart)“本质安全(Eigensicherheit)”来实施。本质安全在此意味着，保证在故障情况中也不出现不安全的状态并且尤其不存在爆炸风险。对设计的一定的要求在此部分地通过标准来规定。
由此在本质安全的电路中出现的电压和电流受限于可靠的最高值，以排除通过火花点火的爆炸风险。基于这些值，可在本质安全的电路中对于损耗功设定最高值。
附加地适用限制布置在有爆炸危险的区域中的电子部件的表面温度，以应对由于热表面的爆炸风险。这同样可通过限制损耗功率而进行，为此要使用相关部件的热阻抗(另外的名称是：热阻(Wärmewiderstand)或导热阻(Wärmeleitwiderstand))。
对于爆炸保护，所谓的温度等级分别以最大许可的温度值来规定。由此对于在温度等级T4中的分级例如允许表面温度为最大135℃。
对于一些部件(例如量热式质量流量测量仪的加热元件)，由于相对高的热阻，温度限制导致功率损失受限于相对小的值。
在现有技术中，对于量热式或热式流量测量已知不同的组件。在管路中的流体(例如液体或气体)的流量的该类型的确定尤其适合于在流动速度较小的情况下测量。在此，通过测量获得的信号直接与质量流量成比例。作为现有技术示例性地应提及文件DE 10 2010015 813 Al。
重要测量参数是热流，其由被加热的元件(作为电子部件)发出到流动的流体处并且被流体运走。被运走的热流相应于电加热功率。
在实践中通常区别两个测量方法：
在所谓的冷却方法中，流动的流体冷却被引入测量管的流动横截面中的加热元件，在此，在流体的温度与加热元件的温度之间的温差被保持恒定。对于产生恒定的温差必需的加热功率用于确定质量流量。
在所谓的加热方法中来测定从加热元件导出的热流将在布置在下游的第二传感器处的介质的温度提高了多大程度。备选地，可通过加热功率的再调节将温度提高保持恒定，使得必需的加热功率那么用作对于质量流的测量参数。
测量原理即限制加热部件。
在不存在流体或者流动太小的情况中，尤其需要保证加热元件(其也被称为加热器)不加热超过允许的温度值。
发明内容
本发明目的在于说明一种电路组件(尤其还用于应用在量热式流量测量仪中)，其确保以电流加载的电子部件的温度的可靠监控。
根据本发明的电路组件(在其中实现之前所得出的和指出的目的)首先且主要特征在于，电子部件是至少一个惠斯通电桥(Wheatstone-Brücke)的一部分并且设置有至少一个开关装置，其基于惠斯通电桥的桥横向电压(Brückenquerspannung)对以电流加载电子部件起作用。
在根据本发明的电路组件中，通过电子部件的电阻值提供的关于加热的部件本身的信息温度用于供电的可靠切断且因此还用于防止进一步加热。
通常，电路组件尤其涉及在所使用的构件或部件的热阻较高的情况下本质安全地供给带有高能量需求的传感器电路。
惠斯通电桥或惠斯通测量电桥在现有技术中大多由四个电阻构成，其联接成闭合的环或方形。在此，电压源布置在一对角线中而电压测量仪布置在另一对角线中。在现有技术中利用电压测量仪来测量桥横向电压。
例如由文件DE 2 403 908、DE 102 51 891 B4或者DE 10 2009 029 171 Al已知惠斯通电桥应用在热质量流量测量仪中。在那里，电桥然而用于测量加热元件的电阻值。
在现有技术中，惠斯通电桥用于测量阻值或调节可变的阻抗元件。
在本发明中，惠斯通电桥用于切断供电，以防止进一步加热。根据本发明的温度监控因此还是温度限制的形式。
开关装置在一设计方案中至少部分地由可控制的半导体结构元件构成。
在一设计方案中，开关装置具有至少一个开关，其根据桥横向电压且因此根据电子部件的热阻值实现或中断在电子部件与电压源之间的电连接。
在一设计方案中，关于对达到规定的电阻或温度值的反应设置成，开关装置基于桥横向电压对在电压源与电子部件之间的电连接起作用。通过例如产生电压供应的短路，在此尤其切断电子部件的电压供应。电压供应的任何其它的可逆的或者必要时不可逆的中断同样处于本发明的范围中。
在一设计方案中设置成，电子部件具有取决于温度的电阻值。
根本必需的是，已知在电子部件的温度与热阻值之间的关联，使得惠斯特电桥的另外三个阻抗元件可相应地且与电子部件的极限温度值协调地来设定大小。
如果尤其有阻抗元件串联在电子部件与电压源之间，则其附加地在一设计方案中还用于电流限制，以便可靠地防止火花点火。
一特别的设计方案在于，电子部件具有至少一个取决于温度的电阻元件。
开关装置在一设计方案中具有至少一个比较器和开关。在此，比较器作用于开关而开关在一开关状态(Schaltzustand)中中断在电压源与电子部件之间的连接。
因此比较器通过开关可打开或闭合在电压源与电子部件之间的连接，从而通过中断电流尤其可通过电子部件防止超过规定的温度值。
在一设计方案中连接的中断由此来实现，即在电子部件前短接电压源，使得没有电流流过后置的电子部件。
在一设计方案中，开关布置在电压源与地电势(Massepotential)之间，由此在切换情况中将电压源对地短接并且没有电流流过电子部件。开关因此优选地从电压源出发前置于电子部件。
具体地，开关在一设计方案中尤其是由比较器控制的晶闸管(Thyristor)。
晶闸管是半导体结构元件，其由四个或更多个交换掺杂的半导体层构成。晶闸管是所谓的可接通的结构元件，其在初始状态中是不导电的且可通过在门电极处的小电流被接通。之后，晶闸管还在没有门电流的情况下保持导电而通过低于最小电流、所谓的保持电流又被断开。
在该设计方案中，当电子部件的热阻值已达到极限值时，切换晶闸管。
在一设计方案中开关装置或者在一设计方案中特别地开关或晶闸管还用于限制最大出现的电压。
在带有高功率的本质安全的辅助能力供应中，在一设计方案中利用电路组件实现快速切断，以便在短路的情况中可靠地限制火花持续时间(Funkendauer)。
电子部件的阻值的监控在一设计方案中由此实现，即惠斯特电桥的桥横向电压施加在比较器的两个输入端处。
为了电子部件可被视为不易受干扰的构件，其仅允许最大2/3负载。同样地来规定结构型式。带有在电线断裂时免于其松开的保护的线绕的电阻例如可用作不易受干扰的部件。优选地，与电子部件串联的阻抗元件也实施为不易受干扰的阻抗。
为了提高电路组件的可靠性，在一设计方案中设置成，电子部件是至少一个冗余惠斯特电桥的一部分，并且设置有至少一个冗余开关装置，其基于冗余惠斯特电桥的桥横向电压对以电流加载电子部件起作用。
根据本发明的对于开头所提及的量热式质量流量测量仪的另一教导，之前所得出的和指出的目的由此来实现，即电子部件是至少一个根据上述实施方案中的任一个所述的电路组件的一部分。
关于开关组件的上述设计方案和实施方案因此相应地也适用于在量热式质量流量测量仪中的应用。在此，电子部件尤其是测量仪的加热元件。
根据量热式质量流量测量仪，也可再一次来阐述根据本发明的电路组件。
测量仪具有加热元件，其具有取决于温度的阻抗。根据应用对作为电路组件的电子部件的加热元件规定最大温度。该极限温度与作为极限阻抗的阻值相关联。
从极限阻抗出发将惠斯特电桥的三个阻抗元件设计成使得在达到极限阻抗时开关装置的比较器将开关切换成使得中断在加热元件与电压源之间的连接。
通过中断供电，不会引起进一步的加热且不会超过极限温度。
由此保证电子部件不变得过热并且不会通过电子部件引起爆炸。
在一设计方案中前置于电子部件的阻抗元件(其优选地也是惠斯特电桥的一部分)附加地负责电流限制。
开关装置的开关在一附加的或备选的设计方案中也用于电压限制。
附图说明
详细地现在存在设计和改进根据本发明的电路组件和根据本发明的量热式质量流量测量仪的大量可能性。对此，结合附图参照实施例的以下说明。其中：
图1作为方框图显示了电路组件的示意性的图示；
图2在剖面中显示了示意性的流量测量仪。
具体实施方式
在图1中示意性地示出电路组件1，在其中监控电子部件2的温度且在其中保证不超过一定的待规定的温度值。
在应用在有爆炸危险的区域中时有时必需保证在构件处不出现导致介质在相应的区域中点燃的温度。
这样的温度提高可在所示的组件中由此产生，即电子部件2(其这里以下纯粹被视为电阻元件)由于加载有电流被电压源3加热。
电子部件2即至少暂时与电压源3电连接并且还至少暂时由电压源3以电流加载。电路组件1在此用于该目的，即在电子部件2的过高温度的情况中中断该供电，以防止继续加热。
这里示出仅仅一个阻抗元件作为电子部件2。在备选的(这里未示出的)设计方案中，也可设置有多个构件或单元或部件作为电子部件2并且相互配合地相接触。
在有爆炸危险的与安全的区域之间的分隔在此通过虚线和用于电子部件2的两个接触点来表示。
温度的监控或者还有保证不存在过高的温度这里由此来实现，即电子部件2与三个电阻元件4、5和6形成惠斯特电桥7。
为此，电子部件2和阻抗元件4在电压源3与地之间串联。与此并联地，设置另外两个彼此串联的阻抗元件5、6，其在此同样与电压源3和地电势相连接。
阻抗元件4、5和6在此示例性地表示为分立的阻抗构件。
与电子部件1串联的阻抗元件4在此还用于限制流过电子部件1的电流。因此，该阻抗元件4的阻值也要相应于保护条件来选择。
在一备选的(未示出的)设计方案中，至少一个阻抗元件4、5和6由多个构件或部件组成，其然而关于根据本发明的电路组件1整体上可通过电阻的特性来说明。
为了监控惠斯特电桥7的桥横向电压，设置有开关装置8，其这里由比较器9和开关10构成。开关10在此与惠斯特电桥7并联并且(从电压源3出发观察)前置于惠斯特电桥7。
开关10在所示的设计方案中由晶闸管构成，其由比较器9的输出来控制并且打开或闭合在电压源3与(在此示例性地)地之间的电连接。
因此根据开关10的开关状态以电流加载电子部件2或者中断在电子部件2与电压源3之间的电连接。
在惠斯特电桥7与比较器9(其在此通过运算放大器来实施)之间的连接在此这样使得桥横向电压施加在比较器9的输入端处。
为了提高电路组件1的可靠性，电子部件2和与其串联的阻抗元件4和两个与此并联且彼此串联的阻抗元件11、12形成冗余惠斯特电桥13，其桥横向电压通过冗余开关装置14来监控。
冗余开关装置14在此在所示的设计方案中与开关装置8相同地来设计并且因此具有比较器15和晶闸管作为开关16，其布置在电压源3与地之间。
冗余惠斯特电桥13和冗余开关装置14原理上如惠斯特电桥7和开关装置8那样工作。因此，电子部件2的一定的极限阻值这里也有助于中断供电。
在所示的设计方案中在电子部件2的方向上还有保险17前置于电压源3。
所示的设计方案的根据本发明的电路组件1总体上如下起作用：
例如位于有爆炸危险的区域中的电子部件2由在此尤其布置在无爆炸危险的区域中的电压源3以电流来加载。
为此，电子部件2在所示的设计方案中布置在电压源3与地之间。
通过与电子部件2串联布置的电阻元件4和两个相互串联且与电子部件2并联布置的阻抗元件5、6来形成惠斯特电桥7。
电子部件2的阻值在此取决于部件2的温度。
惠斯特电桥7的桥横向电压由开关装置8来监控。
阻抗元件4、5和6在此被调节或挑选成使得在达到电子部件2的规定的阻值时开关装置8中断供电(通过其将在电压源3与电子部件2之间的接触通过开关10分开)。
因此如果电子部件2达到预定的温度，则其具有预知的电阻值。
惠斯特电桥7允许识别出达到该阻值或该温度并且配合地对此做出反应。
如果该状态存在，则中断电子部件2的供电并且电子部件2不再能继续加热。
如果在所示的设计方案中电子部件2又充分冷却，则惠斯特电桥7又充分偏位(verstimmt)并且又建立电子部件2的供电。
备选地(在此未示出)可通过相应的设计方案或构件还阻止返回电流加载的状态中。
在所示的设计方案中，惠斯特电桥7的半部和开关装置8冗余地来设计并且从电压源3出发布置在惠斯特电桥7之前。
由此电子部件2还形成冗余惠斯特电桥13的一部分，其桥横向电压作用于冗余开关装置14的开关16。
在所示的设计方案中有时通过地电势的接触来实现将电连接闭合成电路。
电路组件1在此通常适合于加载有电流的电子部件2(其可通过其电阻来表征)的温度监控。这特别是在应用于有爆炸危险的区域(在其中必须防止超过一定的温度值)中时可以是重要的。
图2示例性地示出电路组件1的特别应用。
在图2中可见通过示意性示出的量热式质量流量测量仪18的剖面。
为此，如其在图1中所示，电子部件2布置在被(未示出的)介质流过的测量管20的内腔中的保护管19中。
对于测量以电流来加载电子部件2(其在此尤其是至少一个阻抗元件)，由此部件2加热。
通过流动的(在此未示出的)介质来导出该热能，由此介质局部加热。
该温度变化可通过在电子部件2的流动方向上后置的(且在此未示出的)温度传感器来检测。
由部元件2的功率、所测定的温度变化和优选地还有关于测量介质的数据，最终可测定介质的质量流量。
如果没有介质流动或者如果介质的流动小到使得电子部件2由于缺乏散热导致变得非常热，在此产生问题。
对于该情况在此设置电路组件1，其在超过可预设的温度值时中断电子部件2的供电并且防止进一步加热。

Claims (6)

1.一种用于至少一个电子部件(2)的温度监控的电路组件(1)，所述电子部件(2)能够加载以电流并且能够与至少一个电压源(3)连接，所述电子部件(2)具有取决于温度的电阻值，
其中，
所述电子部件(2)是至少一个惠斯特电桥(7)的一部分，并且设置有至少一个开关装置(8)，其基于所述惠斯特电桥(7)的桥横向电压对以电流加载所述电子部件(2)起作用，
其中，所述开关装置(8)基于所述桥横向电压对在所述电压源(3)与所述电子部件(2)之间的电连接起作用，其中，所述开关装置(8)具有至少一个比较器(9)和开关(10)，且其中，所述比较器(9)作用于所述开关(10)，
其特征在于，
通过在所述电子部件(2)前短接所述电压源(3)使得没有电流流过后置的所述电子部件(2)，所述开关(10)在开关状态中中断在所述电压源(3)与所述电子部件(2)之间的连接。
2.根据权利要求1所述的电路组件(1)，其特征在于，所述电子部件(2)具有至少一个取决于温度的电阻元件。
3.根据权利要求1或2所述的电路组件(1)，其特征在于，所述开关(10)是晶闸管。
4.根据权利要求1或2所述的电路组件(1)，其特征在于，所述惠斯特电桥(7)的桥横向电压施加在所述比较器(9)的两个输入端处。
5.根据权利要求1或2所述的电路组件(1)，其特征在于，所述电子部件(2)是至少一个冗余惠斯特电桥(13)的一部分，并且设置有至少一个冗余开关装置(14)，其基于所述冗余惠斯特电桥(13)的桥横向电压对以电流加载所述电子部件(2)起作用。
6.一种量热式质量流量测量仪(18)，其带有至少一个根据权利要求1至5中任一项所述的电路组件(1)。
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