DE102013114424A1 - Thermal flow sensor - Google Patents
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Abstract
Thermischer Durchflusssensor (1) zur Bestimmung eines Volumenstroms (11) in einem fluidischen Kanal (2), durch den ein Medium (3) strömt, wobei der Kanal (2) in einem ersten Bereich (4) einen ersten Kanalquerschnitt (A1) und in einem zweiten Bereich (5) einen zweiten Kanalquerschnitt (A2), der von dem ersten Kanalquerschnitt (4) abweicht, aufweist, wobei in dem ersten Bereich (4) zumindest ein erstes Heizelement (6) und im zweiten Bereich (5) zumindest ein zweites Heizelement (7) angeordnet ist, wobei ein Regel- und Auswerteeinheit (10) vorgesehen ist, die das erste Heizelement (6) mittels eines ersten Signals (U1) und das zweite Heizelement (7) mittels eines zweiten Signals (U2) beaufschlagt, wobei die Regel- und Auswerteeinheit (10) zumindest anhand des ersten Signals (U1) und/oder des zweiten Signals (U2) den Volumenstrom (11) in dem fluidischen Kanal (2) ermittelt und wobei die Regel- und Auswerteeinheit (10) das erste Signal (U1) und das zweite Signal (U2) in eine Beziehung setzt, um den ermittelten Volumenstrom (11) zu überprüfen und/oder zu korrigieren.Thermal flow sensor (1) for determining a volume flow (11) in a fluidic channel (2) through which a medium (3) flows, wherein the channel (2) in a first region (4) has a first channel cross section (A1) and in a second region (5) has a second channel cross-section (A2) which deviates from the first channel cross-section (4), wherein at least one first heating element (6) in the first region (4) and at least one second region in the second region (5) Heating element (7) is arranged, wherein a control and evaluation unit (10) is provided which acts on the first heating element (6) by means of a first signal (U1) and the second heating element (7) by means of a second signal (U2) the control and evaluation unit (10) determines the volume flow (11) in the fluidic channel (2) at least on the basis of the first signal (U1) and / or the second signal (U2) and wherein the control and evaluation unit (10) determines the first Signal (U1) and the second signal (U2) in a relationship to check and / or correct the determined volume flow (11).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Durchflusssensor, sowie ein Verfahren zur Korrektur und/oder Überprüfung eines ermittelten Volumenstroms.The invention relates to a thermal flow sensor, and a method for correcting and / or checking a determined volume flow.
Thermische Strömungssensoren sind aus dem Stand der Technik wohl bekannt. Derartige Sensoren bestimmen den Volumenstrom eines Mediums bzw. Fluides (d. h. einer Flüssigkeit oder eines Gases) in einem fluidischen Kanal dadurch, dass sie den Wärmetransport eines strömenden Mediums ausnutzen. So sind bspw. anemometrische Strömungssensoren bekannt, die so aufgebaut sind, dass sie zumindest ein Heizelement aufweisen, dem im Wesentlichen eine konstante Heizleistung zugeführt wird. Zum Bestimmen des Volumenstromes wird der sich ergebende Kühleffekt ausgenutzt, den das Medium auf das umströmte Heizelement ausübt. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Volumenstrom des Fluids (bei gleichem Kanalquerschnitt) ist, umso größer ist die pro Zeiteinheit durch Wärmeübertragung und Konvektion über das Medium von dem Strömungssensor weggeführte Wärmemenge und umso größer muss die dem Heizelement zugeführte Leistung sein.Thermal flow sensors are well known in the art. Such sensors determine the volume flow of a medium or fluid (i.e., a liquid or gas) in a fluidic channel by utilizing the heat transfer of a flowing medium. Thus, for example, anemometric flow sensors are known, which are constructed such that they have at least one heating element to which a constant heating power is essentially supplied. To determine the volume flow of the resulting cooling effect is exploited, which exerts the medium on the flow around the heating element. The greater the flow velocity and thus the volume flow of the fluid (with the same channel cross-section), the greater the amount of heat conducted away from the flow sensor by heat transfer and convection via the medium, and the greater the power supplied to the heating element.
Ferner sind kalorimetrische Strömungssensoren bekannt, die die Anordnung zweier Temperatursensoren, einen strömaufwärts und einen stromabwärts, um ein Heizelement herum vorsehen, um so die Temperaturdifferenz, die sich aufgrund der Strömung einstellt, auszuwerten. Gängig sind auch kalorimetrische Strömungssensoren, die lediglich einen um das Heizelement angeordneten Temperatursensor aufweisen.Furthermore, calorimetric flow sensors are known which provide for the arrangement of two temperature sensors, one upstream and one downstream, around a heating element, so as to evaluate the temperature difference arising due to the flow. Calorimetric flow sensors which merely have a temperature sensor arranged around the heating element are also common.
Beide Arten von Strömungssensoren weisen das Problem auf, dass die auf diese Weise ermittelten Messwerte des Volumenstroms ggfl. auch des Massenstroms Artefakte und/oder Messfehler aufweisen können. Ursache für derartige Artefakte und/oder Messfehler können beispielsweise sich bildende fluiddynamische Grenzschichten sein, die in der Nähe der Rohrwandung keinen Fluss aufweisen. Die Grenzschichten bauen sich im Bereich der Rohrwandung auf und reißen anschließend wieder ab. Der Vorgang des Aufbaus und Abrisses ist dabei wenig determiniert und äußert sich als eine im Wesentlichen periodische Signaländerung des Messsignales.Both types of flow sensors have the problem that the measured values of the volumetric flow determined in this way may be omitted. may also have artifacts and / or measurement errors of the mass flow. Cause of such artifacts and / or measurement errors may be, for example, forming fluid dynamic boundary layers, which have no flow in the vicinity of the pipe wall. The boundary layers build up in the area of the pipe wall and then tear off again. The process of construction and demolition is little determined and manifests itself as a substantially periodic signal change of the measurement signal.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Messwertermittlung zu optimieren.It is therefore an object of the invention to optimize the measured value determination.
Die Aufgabe wird durch einen thermischen Durchflusssensor und ein Verfahren zur Bestimmung eines Volumenstromes in einem fluidischen Kanal gelöst.The object is achieved by a thermal flow sensor and a method for determining a volume flow in a fluidic channel.
Hinsichtlich des Durchflusssensors wird die Aufgabe durch einen thermischen Durchflusssensor zur Bestimmung eines Volumenstroms in einem fluidischen Kanal, durch den ein Medium strömt, gelöst, wobei der Kanal in einem ersten Bereich einen ersten Kanalquerschnitt und in einem zweiten Bereich einen zweiten Kanalquerschnitt, der von dem ersten Kanalquerschnitt abweicht, aufweist, wobei in dem ersten Bereich zumindest ein erstes Heizelement und im zweiten Bereich zumindest ein zweites Heizelement angeordnet ist, wobei eine Regel- und Auswerteeinheit vorgesehen ist, die das erste Heizelement mittels eines ersten Signals und das zweite Heizelement mittels eines zweiten Signals beaufschlagt, wobei die Regel- und Auswerteeinheit zumindest anhand des ersten Signals und/oder des zweiten Signals den Volumenstrom in dem fluidischen Kanal ermittelt und wobei die Regel- und Auswerteeinheit das erste Signal und das zweite Signal in eine Beziehung setzt, um den ermittelten Volumenstrom zu überprüfen und/oder zu korrigieren.With regard to the flow sensor, the object is achieved by a thermal flow sensor for determining a volume flow in a fluidic channel through which a medium flows, wherein the channel in a first region a first channel cross-section and in a second region a second channel cross-section of the first Has at least a first heating element and in the second region at least a second heating element is arranged, wherein a control and evaluation unit is provided, the first heating element by means of a first signal and the second heating element by means of a second signal acted upon, wherein the control and evaluation unit determined at least on the basis of the first signal and / or the second signal, the volume flow in the fluidic channel and wherein the control and evaluation unit sets the first signal and the second signal in a relationship to the determined volume flow verifiable and / or correct.
Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass sich bei unterschiedlichen Kanalquerschnitten auch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten in den beiden Bereichen ergeben. Die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten führen zu unterschiedlichen Signalen an den beiden Heizelementen, die jeweils in dem ersten und zweiten Bereich angeordnet sind. Die beiden Signale der Heizelemente unterliegen jedoch einer starken Korrelation. So haben beide Signale sowohl in dem Fall, dass der Durchflusssensor nach dem anemometrischen Prinzip, als auch nach dem kalorimetrischen Prinzip ausgebildet ist, den gleichen Nullpunkt. Ferner ist in dem Fall, dass die beiden Signale der Heizelemente gleich eingestellt sind, das Verhältnis der beiden Signale unabhängig von der Heizleistung und somit auch von Temperatureinflüssen. Auf diese Weise können bspw. Messartefakte ermittelt werden, da eine Störung der Korrelation der beiden Signale einen Hinweis auf ein Ereignis (Messartefakte, parasitäre Messeffekte, etc.) gibt, das auf den sich im Kanal geänderten Volumenstrom zurückzuführen ist. Die diversen Auswertemöglichkeiten der zumindest zwei Signale der beiden Heizelemente gestatten somit auch das Erfassen und Rausfiltern bzw. Rausrechnen von parasitären Messeffekten. So treten fluiddynamische Grenzschichten, wie eingangs beschrieben, in beiden Bereichen mit unterschiedlichen Kanalquerschnitten auf, jedoch mit unterschiedlichem Verhalten. Somit lässt sich anhand des ersten und zweiten Signals überprüfen, ob eine zu erwartende Korrelation vorliegt und in dem Fall, dass keine zu erwartende Korrelation vorliegt, ein Artefakt detektieren.According to the invention, use is made of different flow velocities in the two regions given different channel cross sections. The different flow velocities lead to different signals at the two heating elements, which are each arranged in the first and second region. However, the two signals of the heating elements are subject to a strong correlation. Thus, both signals have the same zero point both in the case where the flow sensor is designed according to the anemometric principle and according to the calorimetric principle. Furthermore, in the case that the two signals of the heating elements are set the same, the ratio of the two signals is independent of the heating power and thus also of temperature influences. In this way, for example, measurement artifacts can be determined, since a disturbance in the correlation of the two signals gives an indication of an event (measurement artifacts, parasitic measurement effects, etc.) which is due to the volume flow changed in the channel. The various evaluation options of the at least two signals of the two heating elements thus also allow the detection and filtering or Rausrechen of parasitic measuring effects. Thus, fluid-dynamic boundary layers, as described above, occur in both regions with different channel cross-sections, but with different behavior. Thus, it can be checked on the basis of the first and second signals, whether an expected correlation exists and in the event that there is no expected correlation, detect an artifact.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Regel- und Auswerteeinheit zur Korrektur und/oder Überprüfung ein Korrelationsmaß aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal ermittelt und das ermittelte Korrelationsmaß mit bereits hinterlegten Korrelationsmaßen vergleicht.An advantageous embodiment provides that the control and evaluation unit for correcting and / or checking a correlation measure from the determined first signal and the second signal and compares the determined correlation measure with already stored correlation measures.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Regel- und Auswerteeinheit als Korrelationsmaß den Quotienten aus dem ersten und zweiten Signal verwendet.An advantageous embodiment provides that the control and evaluation unit uses the quotient of the first and second signal as the correlation measure.
Neben dem Quotienten ist es aber auch denkbar, die Summe, das Produkt oder auch die Differenz der beiden Signale zu verwenden. Um eine Überprüfung durchzuführen, ist eine Tabelle vorgesehen, in der bspw. der Quotient, der als Korrelationsmaß dient, abgelegt ist. Dieses abgelegte bzw. hinterlegte Korrelationsmaß wird typischerweise vor dem eigentlichen Betrieb des Durchflusssensor für ein spezifisches Medium aufgenommen bzw. bestimmt und anschließend in der Tabelle hinterlegt. Auf diese Weise kann der durch den thermischen Durchflusssensor ermittelte Volumenstrom mit dem für einen spezifischen Quotienten bzw. einem spezifischen Korrelationsmaß hinterlegten Volumenstrom verglichen werden. Stimmen diese beiden Korrelationsmaße überein, kann von einer fehlerfreien Messung des Volumenstroms ausgegangen werden. In dem Fall, dass die beiden Korrelationsmaße nicht übereinstimmen (bzw. annähernd übereinstimmen), kann davon ausgegangen werden, dass eine Fehlmessung vorliegt.In addition to the quotient, it is also conceivable to use the sum, the product or even the difference of the two signals. In order to carry out a check, a table is provided in which, for example, the quotient which serves as the correlation measure is stored. This stored or deposited correlation measure is typically recorded or determined before the actual operation of the flow sensor for a specific medium and then stored in the table. In this way, the volume flow determined by the thermal flow sensor can be compared with the volume flow stored for a specific quotient or a specific correlation measure. If these two correlation measures agree, it can be assumed that the volumetric flow is measured correctly. In the event that the two correlation measures do not match (or approximately agree), it can be assumed that there is an incorrect measurement.
Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass das Korrelationsmaß zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal im Wesentlichen konstant ist, so dass im Falle einer Änderung des Korrelationsmaßes eine Fehlfunktion des thermischen Durchflusssensors detektierbar ist.In particular, the embodiment provides that the correlation measure between the first signal and the second signal is substantially constant, so that a malfunction of the thermal flow sensor can be detected in the event of a change in the correlation measure.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Regel- und Auswerteeinheit zur Korrektur und/oder Überprüfung des ermittelten Volumenstromes das erste Signal und das zweite Signal miteinander vergleicht und in dem Fall, dass das Signal des Heizelementes, das sich in dem Bereich mit dem größeren Kanalquerschnitt befindet, größer ist als das Signal des Heizelementes, das sich in dem Bereich mit dem kleineren Kanalquerschnitt befindet, eine Fehlfunktion des thermischen Durchflusssensors detektiert.An advantageous embodiment provides that the control and evaluation unit for correcting and / or checking the determined volume flow compares the first signal and the second signal with each other and in the case that the signal of the heating element located in the area with the larger channel cross-section is greater than the signal of the heating element, which is located in the region with the smaller channel cross-section, detects a malfunction of the thermal flow sensor.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Regel- und Auswerteeinheit zur Korrektur und/oder Überprüfung des ermittelten Volumenstromes die beiden Signale miteinander vergleicht und in dem Fall, dass das Signal des Heizelementes, das sich in dem Bereich mit dem kleineren Kanalquerschnitt befindet, kleiner ist als das Signal des Heizelementes, das sich in dem Bereich mit dem größeren Kanalquerschnitt befindet, eine Fehlfunktion des thermischen Durchflusssensors detektiert.An advantageous embodiment provides that the control and evaluation unit for correcting and / or checking the determined volume flow compares the two signals with each other and in the case that the signal of the heating element, which is located in the region with the smaller channel cross-section, is smaller when the signal of the heating element located in the region with the larger channel cross-section detects a malfunction of the thermal flow sensor.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Volumenstroms in einem fluidischen Kanal gelöst, wobei zur Korrektur und/oder Überprüfung des ermittelten Volumenstroms mindestens ein erstes Signal, das zur Regelung bzw. Ansteuerung eines in einem ersten Kanalabschnitt angeordneten ersten Heizelement verwendet wird, und ein zweites Signal, das zur Regelung bzw. Ansteuerung eines in einem zweiten Kanalabschnitt angeordneten zweiten Heizelement verwendet wird, in Beziehung gesetzt wird, wobei der erste und der zweite Kanalabschnitt unterschiedliche Kanalquerschnitte aufweisen.With regard to the method, the object is achieved by a method for determining a volume flow in a fluidic channel, wherein for correcting and / or checking the determined volume flow at least a first signal, which is used for controlling or controlling a arranged in a first channel section first heating element , and a second signal used to control a second heating element disposed in a second channel portion is related, the first and second channel portions having different channel cross-sections.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass zur Korrektur und/oder Überprüfung ein Korrelationsmaß aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal gebildet wird und dass dieses Korrelationsmaß mit bereits hinterlegten Korrelationsmaßen verglichen wird.An advantageous embodiment of the method provides that for the correction and / or checking a correlation measure from the first signal and the second signal is formed and that this correlation measure is compared with already stored correlation measures.
Insbesondere sieht die Ausführungsform des Verfahrens vor, dass zur Korrektur und/oder Überprüfung der Quotient als Korrelationsmaß zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal verwendet wird.In particular, the embodiment of the method provides that the quotient is used as a measure of correlation between the first signal and the second signal for correction and / or checking.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass der Quotient folgender Formel entspricht: mit:
- k1, k2
- und n als fluidische Koeffizienten des ersten und zweiten Bereiches, die durch Kalibration ermittelt werden;
- U1 und U2
- als erstes Signal und als zweites Signal;
- v1 und v2
- als Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums im ersten und zweiten Bereich.
- k 1 , k 2
- and n as fluidic coefficients of the first and second regions, which are determined by calibration;
- U 1 and U 2
- as the first signal and as the second signal;
- v 1 and v 2
- as flow velocities of the medium in the first and second region.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings. It shows:
Die beiden Bereiche
In
Die beiden Heizelemente
Die Ausgestaltung in
Auf beide Arten lässt sich somit der Volumenstrom
Erfindungsgemäß ermittelt die Regel- und Auswerteinheit
Ganz allgemein wird der Zusammenhang zwischen Strömung und Wärmeübertragung in das zu messende Medium
- U
- als Spannungswert des ersten bzw. zweiten Signals;
- U0
- als Offsetwert, d.h. U0 repräsentiert die konstante Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement und dem Medium;
- k
- und n als fluidische Konstanten, und
- v
- als Strömungsgeschwindigkeit.
- U
- as a voltage value of the first and second signals, respectively;
- U 0
- as offset value, ie U 0 represents the constant temperature difference between the heating element and the medium;
- k
- and n as fluidic constants, and
- v
- as flow velocity.
Mittels dieses Zusammenhangs lässt sich das erste Signal U1 und zweite Signal U2 wie folgt beschreiben: wobei U1 dem ersten Signal und U2 dem zweiten Signal entspricht.By means of this relationship, the first signal U 1 and second signal U 2 can be described as follows: where U 1 corresponds to the first signal and U 2 corresponds to the second signal.
Durch die unterschiedlichen Kanalquerschnitte A1, A2 ergeben sich bei gleichem Volumenstrom
Eine Störung der Korrelation beider Signale U1, U2 deutet in jedem Fall auf ein Ereignis hin, das nicht auf einen geänderten Volumenstrom
Erfindungsgemäß lässt sich somit durch Ermitteln eines Korrelationsmaßes, bspw. einer Verhältnisbildung, des ersten Signals U1 und zweiten Signals U2 eine Aussage darüber treffen, ob möglicherweise parasitäre Messeffekte bei dem ermittelten Volumenstrom
So ergibt sich beispielsweise durch Verhältnisbildung bzw. Bildung des Quotienten der beiden Signale: mit:
- k1
- und n als fluidische Konstanten des ersten Bereiches;
- k2
- und n als fluidische Konstanten des zweiten Bereiches;
- v1
- als Strömungsgeschwindigkeit im ersten Bereich; und
- v2
- als Strömungsgeschwindigkeit im zweiten Bereich.
- k 1
- and n as fluidic constants of the first region;
- k 2
- and n as fluidic constants of the second region;
- v 1
- as flow velocity in the first area; and
- v 2
- as flow velocity in the second area.
Dieses Verhältnis ist unabhängig von der Temperatur des Mediums
Zur Korrektur und/oder Überprüfung des ermittelten Volumenstromes
In dem Fall, dass die aktuell ermittelten Korrelationsmaße nicht mit den hinterlegten Korrelationsmaßen übereinstimmen, kann von einer Störung bzw. einer Fehlmessung des Durchflusssensors
Der erfindungsgemäße Aufbau eines Durchflusssensors
Alternativ kann die Regel- und Auswerteeinheit
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Durchflusssensor Flow Sensor
- 22
- Kanal channel
- 33
- Medium medium
- 44
- Erster Bereich First area
- 55
- Zweiter Bereich Second area
- 66
- Erstes Heizelement First heating element
- 77
- Zweites Heizelement Second heating element
- 88th
- Temperatursensor bzw. Temperatursensoren im ersten Bereich Temperature sensor or temperature sensors in the first area
- 99
- Temperatursensor bzw. Temperatursensoren im zweiten Bereich Temperature sensor or temperature sensors in the second area
- 1010
- Regel- und Auswerteeinheit Control and evaluation unit
- 1111
- Volumenstroms volume flow
- 1212
- Signal bzw. Signale für Temperatursensor(en) im ersten Bereich Signal or signals for temperature sensor (s) in the first range
- 1313
- Signal bzw. Signale für Temperatursensor(en) im zweiten Bereich Signal or signals for temperature sensor (s) in the second area
- v ⇀1 v ⇀ 1
- Strömungsgeschwindigkeit im ersten Bereich Flow velocity in the first area
- v ⇀2 v ⇀ 2
- Strömungsgeschwindigkeit im zweiten Bereich Flow velocity in the second area
- A1 A 1
- Erster Kanalquerschnitt First channel cross-section
- A2 A 2
- Zweiter Kanalquerschnitt Second channel cross section
- U1 U 1
- Erstes Signal First signal
- U2 U 2
- Zweites Signal Second signal
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- 2013-12-19 DE DE102013114424.1A patent/DE102013114424A1/en active Pending
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Representative=s name: KRATT-STUBENRAUCH, KAI, DR., DE |