DE102005025810A1

DE102005025810A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids

Info

Publication number: DE102005025810A1
Application number: DE200510025810
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Mikuta; Edmund Prof. Dr.-Ing. Burte
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-12-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, d. h. eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, mittels eines Sensors mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand, der auf einem Substrat aufgebracht ist und mit dem Fluid in thermischem Kontakt steht. DOLLAR A Das Verfahren geht aus von der gleichzeitigen Verwendung des Sensors als Wärmequelle und als Temperaturfühler, um eine trägheitslose Temperaturregelung mit fester Hysterese zu realisieren, und ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: DOLLAR A Der Sensor wird mittels periodischer Heizspannungs-Impulse bis zu einer vorgebbaren, über der Fluidtemperatur Tf gelegenen Temperatur To aufgeheizt. Während der Aufheizphase wird die Temperatur des Sensors mittels einer an den Sensor angelegten pulsförmigen Messspannung ermittelt, die im Wesentlichen nur während der Pausen der Heizspannungs-Impulse von Null verschieden ist, und die Aufheizzeit des Sensors von der Temperatur T1 auf die Temperatur T2 ermittelt, wobei Tf T1 < T2 To ist. DOLLAR A Nach Erreichen der Temperatur To wird die Heizspannung abgeschaltet. Während der Abkühlphase wird die Temperatur des Sensors mittels einer an den Sensor angelegten pulsförmigen Messspannung ermittelt und die Abkühlzeit des Sensors von der Temperatur T3 auf die Temperatur Tu ermittelt, wobei Tf Tu < T3 To ist. Nach Abkühlung auf die Temperatur Tu werden die vorhergehenden Schritte wiederholt oder die ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, d. h. eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, mittels eines Sensors mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand, der auf einem Substrat aufgebracht ist und mit dem Fluid in thermischem Kontakt steht.

Zu den bekannten Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit mittels eines einzigen Sensor gehören Varianten, bei denen die Heizleistung bestimmt wird, die zum Aufheizen des Sensors auf eine vorgebbare Temperatur notwendig ist, sowie Varianten, bei denen die Aufheiz- und/oder Abkühlzeit des Sensors in einem Temperaturintervall bestimmt wird. Allgemein bekannt ist auch die Verwendung einer gepulsten Heizspannung zum Aufheizen des Sensors, wobei in den Pausen der Heizspannungspulse mittels einer an den Sensor angelegten niedrigen Messspannung die Sensortemperatur ausgewertet wird.

Aus der DE 19960437 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases und seiner Temperatur mittels eines einzigen Messfühlers bekannt, bei dem in einem ersten Messabschnitt ein vom Gas umströmter Messfühler durch einen Heizstrom auf eine vorgebbare Arbeitstemperatur aufgeheizt, die sich aus seinem Ohmschen Widerstand ergibt. Die hierzu nötige Heizleistung ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. In einem zweiten Messabschnitt wird der Heizstrom des Messfühlers mittels einer Steuerschaltung so abgesenkt, dass seine Eigenerwärmung klein gegenüber seiner Arbeitstemperatur bleibt, und aus dem elektrischen Widerstand des Messfühlers die Gastemperatur ermittelt.

Aus der DE 10009638 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen bekannt, bei dem an einen im Gasstrom befindlichen Heizdraht eine gepulste Spannung mit einem konstanten Pulsbreiten-Verhältnis gelegt und aus dem Integralwert des Heizdrahtwiderstandes während mehrerer Heizspannungs-Impulse die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird. Alternativ kann der Mittelwert des Heizdrahtwiderstandes in den Abschaltzeitpunkten der Heizspannungs-Impulse bestimmt werden. Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizspannungs-Impulsen soll dabei so gewählt werden, dass die Temperatur im Abschaltzeitpunkt des Heizspannungs-Impulses mindestens doppelt so hoch ist, wie die Temperatur im darauffolgenden Anschaltzeitpunkt.

Aus der DE 3803609 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit einem in Brückenschaltung betriebenen Heizdraht bekannt, der ebenfalls mit einer gepulsten Heizspannung betrieben wird. Der Heizdraht wird periodisch bis zu einer vorgegebenen Temperatur aufgeheizt, bei deren Erreichen der Heizstrom abgeschaltet wird, bis ein weiterer Heizspannungs-Impuls den nächsten Aufheizvorgang einleitet. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums wird die Zeitdauer gemessen, bis der Heizdraht wieder auf die vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird. Die Zeitdauer dieses Aufheizvorgangs korrespondiert zu einem Pulsbreiten-Verhältnis, das ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellt.

Bekannt sind auch Verfahren zur Strömungsmessung mittels eines einzigen Sensors, die auf der Bestimmung der Abkühlzeit des mit einer gepulsten Heizspannung erwärmten Sensors basieren, der während der Abkühlphase als Temperatursensor fungiert (z. B. DE 3639666 A1 ). Bei einer die Aufheizphase modifizierenden Variante dieses Verfahrensprinzips ( US 5710380 ) wird der Sensor mittels einer Gruppe von Heizspannungs-Impulsen auf eine vorgebbare Temperatur oberhalb der Medientemperatur aufgeheizt. Nach jeweils einer Gruppe von Heizpulsen folgt ein Lesezyklus, bei dem am Sensor keine Heizspannung sondern nur eine niedrigere Messspannung zur Bestimmung der erreichten Sensortemperatur liegt.

Verfahren mit Auswertung sowohl der Aufheiz- als auch der Abkühlzeit sind z. B. in der DE 10030826 A1 und der DE 3527868 A1 beschrieben. Gemäß der DE 10030826 A1 wird der Sensor auf eine vorgebbare höhere Temperatur aufgeheizt. Nach Erreichen dieser Temperatur wird die Heizspannung abgeschaltet, sodass sich der Sensor während der Abkühlzeit bis auf eine vorgebbare niedrige Temperatur abkühlt, bei der die nächste Aufheizphase beginnt. Aus dem Verhältnis von Aufheizzeit und Abkühlzeit wird die Strömungsgeschwindigkeit berechnet. Alternativ ( DE 3429729 A1 ) kann auch das Puls-Pausenverhältnis der Heizleistung, die zum Aufheizen des Sensors auf eine vorgebbare Temperatur über der Medientemperatur erforderlich ist, als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit verwendet werden. Gemäß der DE 3527868 A1 ist auch eine Variante bekannt, bei der periodisch zwischen einer Aufheiz- und einer Abkühlphase umgeschaltet wird und der Sensor während der Abkühlphase durch Reduzierung der angelegten Spannung als Temperaturmesssonde geschaltet ist. Die dafür notwendige Steuereinheit kann in einer baulichen Einheit zusammen mit dem Sensor als Halbleiterbauelement ausgeführt sein.

Ausgehend von dem vorstehend dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Strömungsgeschwindigkeit mit höherer Genauigkeit zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst und für die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die gleichzeitige Verwendung des Sensors als Wärmequelle und als Temperaturfühler wird eine trägheitslose Temperaturregelung mit fester Hysterese realisiert. Weil die Dauer von Aufheizzeit und Abkühlzeit des Sensors von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids abhängt, kann die Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung von durch Kalibrierung ermittelten Werten aus dem Verhältnis der gemessenen Aufheizzeit und Abkühlzeit ermittelt werden. Unter Verwendung des Kontinuitätsgesetzes auf Gase und Flüssigkeiten kann mit der Erfindung auch der Volumen- und Massedurchfluss ermittelt werden.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
Dabei zeigen
1 eine Prinzipdarstellung der Position eines Sensors und des Leistungsschalters auf einem Substrat,
2 die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit frequenzproportionalem Ausgangssignal Z(v),
3 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Entsprechend 1 wird der Sensor im Zentrum des Trägersubstrats angeordnet. Dieses Substrat besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass der Wärmeabfluss vom erwärmten Sensor über das Substrat gering ist. Fließt nun der Windstrom mit einer Geschwindigkeit v über den Sensor, so wird dem Sensor auf der Oberfläche infolge der Konvektion Wärmeenergie entzogen. Da die Konvektion auf der Oberfläche des Sensors infolge der festen Geometrie nur noch von der Wärmeübergangszahl α abhängt, diese aber eine Funktion der Geschwindigkeit ist, kann über den Wärmeenergieverlust die Geschwindigkeit der Windströmung gemessen werden. Dieses Grundprinzip basiert in bekannter Weise auf dem des Hitzdrahtanemometers.
Da der Wärmeenergieverlust eine Funktion der Wind- bzw. Medienströmung ist, muss dieser in geeigneter Weise gemessen werden. 2 zeigt dazu eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und 3 das zugehörige Impulsdiagramm.
Charakteristisch für die Erfindung ist, dass der auf dem Substrat angeordnete Sensor mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand sowohl als Heizer als auch als Temperatursensor fungiert, sodass auf den sonst üblichen separaten Temperatursensor verzichtet wird. Diese Maßnahme macht die Messung der Windgeschwindigkeit richtungsunabhängig. Dadurch wird außerdem erreicht, dass die Messung der Heizertemperatur trägheitslos erfolgt, weil Heizer- und Temperaturfühlerwicklung identisch sind. Um die gemessene Sensortemperatur mit einem oberen und einem unteren Grenzwert zu vergleichen und mit der entstehenden Hysterese den durch den Leistungsschalter T betätigten Heizstrom ein- und auszuschalten, wird ein Präzisions-Schmitt-Trigger verwendet, bestehend aus den Komparatoren Ku und Ko sowie einem RS-Flip-Flop. Zwischen den Komparatoren Ku und Ko und dem RS-Flip-Flop wird der Präzisions-Schmitt-Trigger um zwei D-Flip-Flops erweitert, die immer nur dann die Übernahme der Zustandsinformation aus den Komparatoren Ku und Ko in das RS-Flip-Flop erlauben, wenn der störende Heizstrom nicht fließt, also der Messstrom fließt. In der Heizphase bleiben die in der Messphase anliegenden Schaltzustände von Ku als Qu und Ko als Qo erhalten bzw. gespeichert.
Die ohmschen Widerstände R3, R4 und R5 legen im Spannungsteiler die obere und die unter Grenztemperatur für den Vergleich mit dem durch V verstärkten temperaturabhängigen Spannungsabfall über dem Heizer fest.
Die logische Verknüpfung ist so ausgelegt, dass zu Beginn zunächst ein Heizstrom fließt, der den Sensor erwärmt. Dieser definierte Zustand wird durch einen R-Takt (3) sicher gestellt, der die beteiligten Flip-Flops in den Anfangszustand versetzt. Wird die obere Grenztemperatur To erreicht, ändert der Komparator Ko seinen logischen Zustand und am Ausgang des RS-Flip-Flops tritt in gleicher Weise eine Zustandsänderung ein, so dass nun der Heizstrom abgeschaltet wird. Infolge der durch die Windströmung verursachten Abkühlung wird nach Ablauf einer bestimmten Zeit die untere Grenztemperatur Tu erreicht und der Zustand am Ausgang des Komparators Ku ändert sich. Da nach der Unterschreitung der oberen Grenztemperatur der Komparator Ko bereits seinen Zustand geändert hat, der vorhergehende Zustand aufgrund der Eingangsbelegung am RS-Flip-Flop an seinem Ausgang gehalten wird, ändert er erst jetzt aufgrund der nun herrschenden Eingangsbelegung seinen Ausgangszustand. Der Heizstrom wird wieder eingeschaltet.
Der Heizstrom wird demzufolge an der unteren Temperatur Tu nur ein- und an der oberen Temperatur To nur ausgeschaltet. Auf Grund der Wärmeträgheit über- bzw. unterschreitet die Heizertemperatur in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit den Wert des oberen bzw. den des unteren Grenzwertes, so dass eine weitere Beeinflussung der Periodendauer bzw. der Frequenz erfolgt und in 3 gezeigt wird.
Auf Grund der immer noch vorhandenen, wenn auch geringen Wärmeleitfähigkeit des Substrats, erfolgt ein Wärmeenergieabfluss vom Sensor in das Trägersubstrat hinein. Um das zu verhindern, kann auf der Gegenseite des Trägersubstrats ein Heizer angeordnet werden. Infolge seiner Heizenergie wird der Wärmestrom vom Sensor in das Substrat hinein verringert bzw. unterbrochen, sodass mehr Wärmeenergie für die Konvektion zur Verfügung steht. Dies erhöht die Messempfindlichkeit. Wie 1 zeigt, kann für den zweiten Heizer auf der Substratunterseite der verlustleistungsbehaftete Leitungsschalter T eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids mittels eines Sensors mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand, der sich in thermischem Kontakt mit dem Fluid befindet, mit folgenden Verfahrensschritten a) der Sensor wird mittels periodischer Heizspannungs-Impulse bis zu einer vorgebbaren, über der Fluidtemperatur Tf gelegenen Temperatur To aufgeheizt, während der Aufheizphase die Temperatur des Sensors mittels einer an den Sensor angelegten pulsförmigen Messspannung ermittelt, die im Wesentlichen nur während der Pausen der Heizspannungs-Impulse von Null verschieden und so gewählt ist, dass sie den Sensor nicht oder nur vernachlässigbar erwärmt, und die Aufheizzeit des Sensors von der Temperatur T1 auf die Temperatur T2 ermittelt, wobei Tf ≤ T1 < T2 ≤ To ist, b) nach Erreichen der Temperatur To wird die Heizspannung abgeschaltet, während der Abkühlphase die Temperatur des Sensors mittels einer an den Sensor angelegten pulsförmigen Messspannung ermittelt, die so gewählt ist, dass sie den Sensor nicht oder nur vernachlässigbar erwärmt, und die Abkühlzeit des Sensors von der Temperatur T3 auf die Temperatur Tu ermittelt, wobei Tf ≤ Tu < T3 ≤ To ist wird, c) nach Erreichen der Temperatur Tu werden die Schritte a) und b) wiederholt oder mit Schritt d) fortgefahren, d) die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wird unter Verwendung von durch Kalibrierung ermittelten Werten aus dem Verhältnis der gemessenen Aufheizzeit und Abkühlzeit des Sensors ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor während der Aufheizphase mittels einer Schalteinrichtung periodisch wechselnd entweder mit der Heizspannung oder mit der Messspannung und während der Abkühlphase ausschließlich mit der Messspannung beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen T2 und T3 und/oder die Temperaturen T1 und Tu identisch sind.
Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids mittels eines Sensors mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand, der sich in thermischem Kontakt mit dem Fluid befindet, mit a) einer Schalteinrichtung, die an den Sensor in dessen Heizphase in einem vorgebbaren Takt abwechselnd eine Heizspannung und eine zum Bestimmen der Sensortemperatur geeignete Messspannung anlegt, die so gewählt ist, dass sie den Sensor nicht oder nur vernachlässigbar erwärmt, und an den Sensor in dessen Abkühlphase nur die Messspannung anlegt, b) Mitteln zum Vergleichen eines die Sensortemperatur abbildenden Spannungswertes mit einem oberen und einem unteren Grenzwert, dem ein oberer und ein unterer Temperaturgrenzwert entspricht, c) Mitteln zum Betätigen der Schalteinrichtung, um die Heizspannung abzuschalten, wenn die Vergleichsmittel in der Heizphase das Erreichen des oberen Temperaturgrenzwerts detektieren, oder die Heizspannung anzuschalten, wenn die Vergleichsmittel in der Abkühlphase das Erreichen des unteren Temperaturgrenzwerts detektieren, sowie d) Mitteln zum Bestimmen der Zeitdauer von Heizphase und Abkühlphase.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsmittel als Präzisions-Schmitt-Trigger ausgebildet sind, bestehend aus den Komparatoren Ku und Ko sowie einem RS-Flip-Flop und zwischen den Komparatoren Ku und Ko und dem RS-Flip-Flop zwei D-Flip-Flops geschaltet sind, die immer nur dann die Übernahme der Zustandsinformation aus den Komparatoren Ku und Ko in das RS-Flip-Flop erlauben, wenn am Sensor die Messspannung aber keine Heizspannung anliegt.