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Die
Erfindung betrifft ein Messgerät
mit einem Differenzdruckaufnehmer, wie er beispielsweise in einem
Druckmessgerät
zur Bestimmung des Differenzdruckes an Filtern von Klimaanlagen
verwendet wird. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Bestimmung
des Differenzdruckes zwischen dem Gasdruck in einer Abgasleitung
und dem Gasdruck außerhalb
einer Abgasanlage.
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Im
Folgenden wird die Problemstellung exemplarisch anhand der Differenzdruckmessung
zwischen dem Gasdruck in einer Abgasleitung und dem Gasdruck außerhalb
der Abgasleitung einer Heizungsanlage erläutert.
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Typischerweise
befindet sich das Messgerät
bei der Messung außerhalb
der Abgasleitung. Um den Gasdruck im Inneren der Abgasleitung zu
ermitteln, wird eine mit einem Druckaufnehmer verbundene Sonde durch
eine Öffnung
in der Abgasleitung in den Innenraum derselben eingeführt. Der
Druckaufnehmer befindet sich dabei im Inneren des Messgerätes.
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Um
bei einer Differenzdruckmessung eine möglichst hohe Genauigkeit zu
erzielen, wird üblicherweise vor
Beginn der eigentlichen Druckmessung eine Messung zur Offsetbestimmung
des verwendeten Differenzdruckaufnehmers durchgeführt, da
sich der Offset eines Druckaufnehmers insbesondere in Folge von
Temperaturschwankungen verändern
kann.
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Zur
Messung des Offsets werden die beiden Sensoreingänge des Druckaufnehmers auf
den gleichen Gasdruck gebracht, so dass der Differenzdruck zwischen
den beiden Sensoreingängen
gleich null ist. Zur Durchführung
dieser Offsetmessung muss die Sonde entweder aus dem Inneren der
Abgasleitung entfernt, das Messgerät von der Sonde abgetrennt
oder der Sensor, sofern die Sonde in der Abgasleitung verbleibt,
mit Hilfe von Ventilen pneumatisch kurzgeschlossen werden. Pneumatisch
Kurzschließen
bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die beiden Sensoreingänge auf
gleichen Gasdruck gebracht werden. Dies geschieht typischerweise
mit relativ teuren Magnetventilen, welche vor allem bei Messgeräten im unteren
Preissegment aus wirtschaftlichen Gründen nicht eingesetzt werden
können.
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Nachdem
die beiden Sensoreingänge
auf den gleichen Gasdruck gebracht sind, wird das elektrische Ausgangssignal
des Druckaufnehmers, z. B. eine elektrische Spannung oder ein elektrischer
Strom, bei einem Differenzdruck von null ermittelt. Das so ermittelte
Ausgangssignal stellt den Offset des Druckaufnehmers dar. Dieser
kann bei nachfolgenden Differenzdruckmessungen zwischen dem Inneren
der Abgasleitung und dem Außenbereich
berücksichtigt
werden, wobei zuvor die Sonde wieder in das Abgasrohr einzuführen, bzw.
das Messgerät
wieder an die Sonde zu koppeln oder der pneumatische Kurzschluss
wieder zu unterbrechen ist, sodass Sensor und Sonde wieder verbunden
sind. Unter "verbunden" ist im vorliegenden
Fall eine pneumatische Verbindung mit Hilfe von Druckleitung, Schläuchen oder ähnlichem
zu verstehen.
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Diese
Vorgehensweise ist zum Einen aufwendig und birgt zum Anderen die
Gefahr, dass ein Anwender versehentlich oder aus Unkenntnis die
Messung zur Offsetkorrektur durchführt, während die Sonde in die Abgasleitung
eingeführt
ist und so der Druckaufnehmer mit dem entsprechenden Gasdruck der
Abgasleitung beaufschlagt ist. Eine relativ umständliche und teure Lösung für dieses
Problem liegt, wie schon oben erwähnt, in der Verwendung eines
Magnetventils, welches in Verbindung mit einer entsprechenden Steuerlogik
einen irrtümlichen
Offsetabgleich bei Differenzdrücken
ungleich null verhindert.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messgerät mit einem
Druckaufnehmer bereitzustellen mit dem eine derartige Messung zur
Offsetkorrektur in einfacher und kostengünstiger Art und Weise durchgeführt werden
kann und bei dem das Risiko einer fehlerhaft durchgeführten Messung
zur Bestimmung des Druckaufnehmer-Offsets gegenüber einem derartigen Messgerät gemäß dem Stand
der Technik vermieden ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Messgerät
mit einem Druckaufnehmer gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Messgerät umfasst
einen Differenzdruckaufnehmer mit einem ersten und einen zweiten
pneumatischen Einlass, einer pneumatischen Umschaltvorrichtung,
einer Sonde, einer Auswerteeinheit und einem elektrischen Schalter.
Dabei ist der erste pneumatische Einlass des Differenzdrucksensors über die
pneumatische Umschaltvorrichtung mit der Sonde verbunden und so
mit dem Innendruck der Abgasleitung beaufschlagt. Der zweite pneumatische
Einlass ist offen und liegt so auf Umgebungsdruck, der in diesem
Falle als Referenzdruck für
die Differenzdruckmessung dient.
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Zum
Auslösen
einer Offset-Korrekturmessung drückt
der Anwender auf einen Taster, wodurch einerseits ein elektrischer
Schalter geschlossen und ein elektrisches Signal an die Auswerteeinheit
gesendet wird, und wodurch andererseits die pneumatische Umschaltvorrichtung
allein durch die mechanische Kraft auf den Taster die Verbindung
zwischen dem ersten pneumatischen Einlass des Differenzdruckaufnehmers
und der Sonde trennt und dabei den ersten pneumatischen Einlass
ebenfalls auf Umgebungsdruck bringt, so dass zwischen erstem und
zweiten pneumatischen Einlass des Differenzdruckaufnehmers ein Differenzdruck
von null anliegt. Das Ausgangssignal des Differenzdruckaufnehmers
ist dann ein Maß für den Offset,
welcher bei allen Folgemessungen zur Korrektur des Druckmesswertes
herangezogen wird.
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Das
erfindungsgemäße Messgerät wird nachfolgend
anhand der beigefügten
Figuren näher
erläutert. Dabei
bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile mit gleicher Bedeutung. Es zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßen Messgerät mit einem
Differenzdruckaufnehmer und einer ersten pneumatischen Umschaltvorrichtung,
welche sich in einem Schaltzustand zur Durchführung einer Differenzdruckmessung
zwischen dem Gasdruck in einer Abgasleitung und dem Umgebungs-Gasdruck
befindet.
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2 das
Messgerät
gemäß 1,
bei dem sich die erste pneumatische Umschaltvorrichtung in einem
Schaltzustand befindet, in dem eine Messung zur Bestimmung des Differenzdruckaufnehmer-Offsets durchgeführt werden
kann.
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3 eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung mit einem Differenzdruckaufnehmer und einer zweiten
pneumatischen Umschaltvorrichtung, welche sich in einem Schaltzustand
zur Durchführung
einer Differenzdruckmessung zur Bestimmung des Druckverlustes an
einem Filter befindet. Im Vergleich zu der in 1 dargestellten
Ausführungsform
hat die zweite pneumatische Umschaltvorrichtung einen einfacheren Aufbau
und es bedarf einer geringern mechanischen Kraft, die Umschaltvorrichtung
zu betätigen.
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4 das
Messgerät
gemäß 3,
bei dem sich die zweite pneumatische Umschaltvorrichtung in einem
Schaltzustand befindet, in dem eine Messung zur Bestimmung des Differenzdruckaufnehmer-Offsets durchgeführt werden
kann.
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5 ein
einfaches pneumatisches Ersatzschaltbild zu der Ausführungsform
in 4.
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6 eine
typische Kennlinie eines Differenzducksensors mit Offset.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
des Messgeräts
ist in 1 dargestellt. Das Messgerät ist außerhalb einer Abgasleitung 50 angeordnet,
in der ein Gasdruck p1 herrscht. Das Messgerät umfasst
einen Differenzdruckaufnehmer 10 mit einem ersten pneumatischen
Einlass 11 und einem zweiten pneumatischen Einlass 12,
einer pneumatischen Umschaltvorrichtung (im dargestellten Beispiel
ein 3/2-Wegeventil) mit einem ersten Anschluss 21, einem
zweiten Anschluss 22 und einem dritten Anschluss 23 und
zwei möglichen
Schaltstellungen. Der erste pneumatische Einlass 11 ist
mit dem ersten Anschluss 21 der Umschalteinrichtung 20 verbunden.
Der zweite pneumatische Einlass 12 und der zweite Anschluss 22 der
Umschaltvorrichtung 20 sind an einem weiteren Anschluss 13 zusammengeführt, welcher
auf Umgebungsdruck p0 oder irgendeinem anderen
definierten Referenzdruckniveau liegt. Der dritte Anschluss 23 der
Umschaltvorrichtung 20 ist mit der Sonde 15 verbunden,
welche wiederum in den Innenraum der Abgasleitung 50 eingeführt ist.
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Die
pneumatische Umschaltvorrichtung 20 weist zwei Schaltstellungen
auf. In der ersten Schaltstellung, die in 1 dargestellt
ist, ist der erste Anschluss und der dritte Anschluss der Umschaltvorrichtung pneumatisch
kurzgeschlossen, so dass der erste pneumatische Einlass 11 des
Druckaufnehmers 10 auf dem selben Druckniveau p1 liegt wie der Innenraum der Abgasleitung 50.
Der erste pneumatische Einlass 11 des Differenzdrucksensors 10 ist
in diesem Falle über
Druckleitungen 24, die pneumatische Umschaltvorrichtung 20 und
die Sonde 15 mit dem Innenraum der Abgasleitung 50 verbunden.
Der zweite Anschluss 22 der Umschaltvorrichtung 20 ist
in dieser Schaltstellung von den beiden anderen Anschlüssen pneumatisch
isoliert, d. h. abgedichtet. An dem zweiten pneumatischen Einlass 12 des
Differenzdrucksensors 10 liegt in dieser Schalt stellung
der Umgebungsdruck p0 an, welcher dem Sensor über den
weiteren Anschluss 13 zugeführt wird.
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Das
Differenzdrucksignal s2 des Drucksensors 10 wird
der Auswerteeinheit 40 zugeführt, der Schalter 30 ist
offen und das von der Schalterstellung des Schalters 30 abhängige Signal
s1 signalisiert der Auswerteeinheit 40,
dass es sich um eine reguläre
Differenzdruckmessung handelt.
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Betätigt der
Benutzer den Taster 25, so wird allein durch die mechanische
Kraft auf den Taster 25 der elektrische Schalter 30 geschlossen
und die erste pneumatische Umschaltvorrichtung 20 in eine
zweite Schaltstellung gebracht, die in 2 dargestellt
ist. In der zweiten Schaltstellung der Umschaltvorrichtung 20 ist
der dritte Anschluss 23 der Umschaltvorrichtung 20 gegenüber den
anderen beiden Anschlüssen 21 und 22 abgedichtet,
so dass die Sonde 15 und damit die Abgasleitung 50 vom
Drucksensor 10 abgekoppelt ist. In dieser Schaltstellung
ist der erste Anschluss 21 und der zweite Anschluss 22 der
Umschaltvorrichtung 20 miteinander verbunden, so dass der
erste pneumatische Einlass 11 und der zweite pneumatische
Einlass 12 beide mit dem weiteren Anschluss 13 verbunden
sind und somit auf gleichem Druckniveau p0 liegen.
Der Differenzdrucksensor erfährt
einen Differenzdruck von null, das entsprechende Differenzdrucksignal
s2 wird der Auswerteeinheit zugeführt. Ein
geschlossener Schalter 30 signalisiert über das Signal s1 der
Auswerteeinheit 40, dass es sich um eine Offset-Korrekturmessung
handelt. Der bei dieser Messung ermittelte Offset des Differenzdrucksensors 10 wird
in der Auswerteeinheit 40 gespeichert und bei den folgenden
Druckmessungen entsprechend berücksichtigt.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
des Messgeräts
ist in 3 dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau ist identisch
mit der in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsform,
jedoch bezieht sich die Differenzdruckmessung nicht immer auf den
Umgebungsdruck p0, sondern es findet eine echte
Differenzdruckmessung, beispielsweise die Messung eines Druckabfalls
an einem Filter 52 in einer Rohrleitung 51 statt,
in der ein Gas in der durch den Pfeil angezeigten Richtung strömt. Auf
der angeströmten
Seite 53 des Filters 52 herrscht ein Druck p1, auf der der Strömung abgewandten Seite 54 ein
Druck p0, welcher für die Messung als Referenzdruck
dient. Das Ausgangssignal des Differenzdrucksensors 10 ist
proportional zum Differenzdruck Δp
= p1 – p0 und damit proportional zum Druckabfall
am Filter 51.
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Das
Messgerät
nach 3 umfasst eine zweite pneumatische Umschaltvorrichtung 26,
die in diesem Falle als einfaches 2/2-Wegeventil ausgebildet ist,
das sich mit einer wesentlich geringeren mechanischen Kraft betätigen lässt, als
das 3/2-Wegeventil 20 in
den 1 und 2. Die zweite pneumatische Umschaltvorrichtung 26 weist
einen ersten Anschluss 21 und einen zweiten Anschluss 22 auf.
Der erste Anschluss 21 ist über Druckleitungen 24 einerseits
mit dem ersten pneumatischen Einlass 11 des Differenzdrucksensors 10 und
andererseits mit der Rohrleitung 51 auf der angeströmten Seite 53 des
Filters 52 verbunden. Der zweite Anschluss 22 ist
ebenfalls über
Druckleitungen 24 einerseits mit dem zweiten pneumatischen
Einlass 12 des Differenzdrucksensors 10 und andererseits
mit der Rohrleitung 51 auf der der Strömung abgewandten Seite 54 des
Filters 52 verbunden. Ist das 2/2-Wegeventil, wie in 3 dargestellt,
zur Differenzdruckmessung in einem Schaltzustand, in dem der erste
Anschluss 21 zum zweiten Anschluss 22 pneumatisch
isoliert (d. h. abgedichtet) ist, dann herrscht am ersten pneumatischen
Einlass 11 des Differenzdrucksensors 10 ein Druck
p1 und am zweiten pneumatischen Einlass 12 ein
Referenzdruck p0, und der Differenzdrucksensor
liefert ein Ausgangssignal s2 proportional
zur Druckdifferenz Δp
= p1 – p0, welches der Auswerteeinheit 40 zugeführt wird.
In dieser Schaltstellung ist der Schalter 30 offen; dieser
Zustand wird der Auswerteeinheit über das Signal s1 signalisiert.
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Betätigt der
Benutzer den Taster 25, so wird allein durch die mechanische
Kraft auf den Taster 25 der elektrische Schalter 30 geschlossen
und die zweite pneumatische Umschaltvorrichtung 26 in eine
zweite Schaltstellung gebracht, die in 4 dargestellt
ist. In dieser Schaltstellung sind der erste Anschluss 21 und der
zweite Anschluss 22 des 2/2-Wegeventils 26 pneumatisch
kurzgeschlossen, d. h. die Anschlüsse liegen auf demselben Druckniveau.
Da die Anschlüsse
2/2-Wegeventils 26 mit den jeweiligen pneumatischen Einlässen des
Differenzdrucksensors 10 direkt über Druckleitungen verbunden
sind, sind auch die pneumatischen Einlässe des Differenzdrucksensors
kurzgeschlossen und es kann ein Offsetabgleich wie schon oben beschrieben
stattfinden.
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Damit
der oben beschriebene Offsetabgleich funktioniert sind die beiden
Drosseln 29 von Bedeutung, die in den Druckleitungen 24 jeweils
zwischen dem ersten Anschluss 21 der zweiten pneumatischen
Umschaltvorrichtung 26 und der Rohrleitung 51 und/oder
zwischen dem zweiten Anschluss 22 und der Rohrleitung 51 angeordnet
sind. Diese Drosseln 29 haben den Zweck, dass sie die Strömungswiderstände RM1
und RM2 des Messgerätes
in der zweiten Schalterstellung, bei dem das 2/2 Wegeventil geöffnet ist,
soweit erhöhen,
dass keine nennenswerte Strömungen
durch das Messgerät
erfolgt, wobei die Strömungswiderstände der
Drosseln 29 Bestandteil der Strömungswiderstände RM1
und RM2 sind. Die Strömungswiderstände RM1
und RM2 müssen
so groß sein,
dass der Strömungswiderstand
RV des 2/2 Wegeventils 26 im Vergleich dazu vernachlässigbar
klein ist. Dieser Sachverhalt ist in 5 abstrakt
in einem Ersatzschaltbild bestehend aus Differenzdrucksensor 12,
den Strömungswiderständen RM1,
RM2, RV sowie der zu messenden "Druckquelle" (Filter, Abgasleitung
etc) PQ darstellt.
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Ohne
die Drosseln würde
sich bei geöffnetem
2/2-Wegeventil 26 durch das Messgerät eine Strömung vM einstellen.
Der Differenzdrucksensor 10 würde nicht pneumatisch kurzgeschlossen,
sondern er würde
einem kleinen Differenzdruck ΔpE ausgesetzt, der dem Druckabfall der Strömung durch
das Messgerät
an der zweiten pneumatischen Umschaltvorrichtung 26 entspricht,
wodurch der Offsetabgleich verfälscht
werden würde.
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In
der 6 ist die Kennlinie eines Differenzdruckaufnehmers
(10) gezeigt, wie er in einem erfindungsgemäßen Messgerät verwendet
werden kann. Auf der Ordinate ist die Ausgangsspannung U in Abhängigkeit von
dem auf der Abszisse aufgetragenen Differenzdruck p des am Differenzdruckaufnehmer
anliegenden Differenzdrucks aufgetragen.
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Das
Ausgangssignal s2 des Differenzdruckaufnehmers 10 ist
in den Ausführungsbeispielen
als Spannungssignal U ausgebildet, kann jedoch prinzipiell in beliebiger
Form, z. B. als Stromsignal oder auch als digitales Signal vorliegen.
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Die
Kennlinie verläuft
linear und weist eine Empfindlichkeit ε = ΔU/Δp auf, die der Steigung der
Kennlinie entspricht. Bei einem anliegenden Differenzdruck von null
bar gibt der Differenzdruckaufnehmer eine unter anderem von der
Temperatur T abhängige
Ausgangsspannung von U = U
0(T) aus, die
einen Offset der Kennlinie darstellt. Die Gleichung der Kennlinie
lautet damit
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Da
der Offset U0 insbesondere von der Temperatur
T des Differenzdruckaufnehmers (10) abhängt, verschiebt sich die Kennlinie
entsprechend bei sich verändernden
Temperaturen, während
die Empfindlichkeit ε weitestgehend
temperaturunabhängig
ist.
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Um
dennoch aus einer gemessenen Ausgangsspannung U auf den am Differenzdruckaufnehmer
anliegenden Differenzdruck p1 – p0 schließen
zu können,
wird zunächst
eine Messung zur Bestimmung des Offsets U0 bei
der aktuellen Temperatur T0 des Differenzdruckaufnehmers
durchgeführt.
Dazu wird, z. B. wie in der Beschreibung zu der 1 erläutert, an
den Differenz druckaufnehmer ein Differenzdruck Null angelegt, wobei
der Differenzdruckaufnehmer eine Offset-Spannung U0(T1) ausgibt, die der Offset-Spannung bei der
aktuellen Temperatur des Differenzdruckaufnehmers entspricht.
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Danach
werden an den ersten und den zweiten Einlass 11 und 12 des
Differenzdruckaufnehmers 10 Drücke p1 und
p0 angelegt, deren Differenz p1 – p0 gemessen werden soll, wobei der Differenzdruckaufnehmer eine
Spannung U ausgibt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Temperatur
T1 des Differenzdruckaufnehmers gegenüber der
vorherigen Messung zur Offsetbestimmung im Wesentlichen unverändert ist.
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Der
am Differenzdruckaufnehmer anliegende Differenzdruck p
1 – p
0 ergibt sich damit in einfacher Weise durch
Einsetzen der ermittelten Werte U
0 und U
in Gleichung (1):
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- 10
- Differenzdrucksensor
- 11
- erster
pneumatischer Einlass
- 12
- zweiter
pneumatischer Einlass
- 13
- Öffnung auf
Druckniveau p0
- 15
- Sonde
auf Druckniveau p1
- 20
- erste
pneumatische Umschaltvorrichtung (3/2-Wegeventil)
- 21
- erster
Anschluss
- 22
- zweiter
Anschluss
- 23
- dritter
Anschluss
- 24
- Druckleitungen
- 25
- Taster
- 26
- zweite
pneumatische Umschaltvorrichtung (2/2-Wegeventil)
- 29
- Drosseln
- 30
- elektrischer
Schalter
- 40
- Auswerteeinheit
- 50
- Abgasleitung
- 51
- Rohrleitung
- 52
- Filter
- 53
- angeströmte Seite
von 52
- 54
- der
Strömung
abgewandte Seite von 52
- p0
- Referenzdruck,
Umgebungsdruck
- p1
- Druck
- Δp
- Differenzdruck
- ΔPE
- Differenzdruck
- s1
- Signal
des Schalters 30
- s2
- Signal
des Differenzdrucksensors 10
- U
- Spannung
am Differenzdrucksensor 10, entspricht s2
- U0
- Offsetspannung
am Differenzdrucksensor 10
- T,
T1
- Temperatur