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Die Erfindung betrifft einen thermischen Strömungssensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Messmediums in einem Leitungsabschnitt.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung diverser Messgrößen dienen. Bei der zu bestimmenden Messgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss bzw. eine Strömungsgeschwindigkeit, einen Druck, eine Temperatur, den pH-Wert, das Redoxpotential, eine Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Mediums in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Messprinzipien. Eine Vielzahl verschiedener thermischer Strömungssensoren wird als Teil der Firmen-Gruppe Endress + Hauser von der Firma „Innovative Sensor Technology (IST)“ hergestellt und vertrieben.
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Thermische Strömungssensoren werden zur Bestimmung des Durchflusses, bzw. der Strömungsgeschwindigkeit von fluidartigen Messmedien, wie beispielsweise von Gasen oder Gasgemischen, eingesetzt. Dieser Sensortyp basiert auf dem Effekt, dass strömende Messmedien Wärme von einer beheizten Fläche abtransportieren. Thermische Strömungssensoren, die nach dem anemometrischen Prinzip arbeiten, bestehen typischerweise aus zumindest aus einem niederohmigen, temperaturabhängigen Heiz-Element (beispielsweise einem Pt50), welches während der Durchfluss-Messung erhitzt wird, und einem hochohmig verschaltetem, temperaturabhängigen Widerstandselement (beispielsweise einem Pt1000), welches als Temperatursensor dient. Dabei sind das Heiz-Element und das Widerstandselement bei Analogschaltungen in jeweils in einem Spannungsteiler hinter bzw. vor einem Vorwiderstand verschaltet, wobei die zwei Spannungsteiler wiederum als Wheatstone'sche Messbrücke verschaltet sind.
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Ein solcher anemometrischer thermischer Strömungssensor wird typischerweise in einem der folgenden beiden Regelarten betrieben: Bei der Regelart „Constant-Current Anemometry (CCA)“ wird das Heiz-Element mit einem konstanten Strom beaufschlagt. Durch die Umströmung mit dem Messmedium ändert sich der Widerstand des Heizelements und damit die am Heizelement abfallende Spannung, welche das Messsignal darstellt. Bei der Regelart „Constant-Temperature Anemometry (CTA)“ wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Widerstandselement und dem Heiz-Element auf einer im Mittel konstanten Wert gehalten. Hierfür wird der in das Heiz-Element eingespeiste Strom bzw. die anliegende Spannung mit steigender Strömungsgeschwindigkeit erhöht, indem die Spannung an der Wheatstone'schen Messbrücke entsprechend nachgeregelt wird. Mittels dieser Regelart sind relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten messbar.
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Ein wesentlicher Nachteil einer Wheatstone'schen Messbrücke besteht in der vergleichsweise hohen Spannung, die am Widerstandselement bzw. an dem Spannungsteiler, in welcher das Widerstandselement angeordnet ist, angelegt werden muss. Hierdurch wird eine relative hohe Selbsterwärmung des Widerstandselementes verursacht. Dies verhindert die Verwendung des Widerstandselementes zur Messung der Mediums-Temperatur im Falle gasförmiger Messmedien. Gelöst werden kann dieses Problem durch Verwendung eines zweiten, zusätzlichen Temperatursensors, der nur die Temperatur des gasförmigen Messmediums misst. Der offensichtliche Nachteil dieser Lösung sind die erhöhten Kosten und die Komplexität des Durchflusssensors.
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Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen möglichst einfach aufgebauten thermischen Strömungssensor bereitzustellen, welcher die Strömungsgeschwindigkeit ohne Messfehler ermitteln kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen thermischen Sensor gelöst, der zumindest folgende Komponenten umfasst:
- - Eine Wheatsone-sche Brückenschaltung, mit
- ◯ einem ersten Spannungsteiler, in welchem seriell zu einem ersten Vorwiderstand ein elektrisch steuerbares Heiz-Element verschaltet ist, und
- ◯ einem zweiten Spannungsteiler, in welchem an korrespondierender Stelle zum Heiz-Element im ersten Spannungsteiler seriell zu einem zweiten Vorwiderstand ein temperaturabhängiges Widerstandselement verschaltet ist.
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Erfindungsgemäß umfasst das temperaturabhängige Widerstandselement eine Impedanz-Wandlerschaltung, die ausgelegt ist, die Impedanz des Widerstandselementes im zweiten Spannungsteiler um einen definierten Faktor zu vervielfachen. Dabei kann die Impedanz-Wandlerschaltung beispielsweise als Impedanzkonverter ausgelegt sein. Hierdurch kann die Empfindlichkeit der Strömungsmessung gesteigert werden, da am temperaturabhängigen Widerstandselement weniger Selbsterwärmung entsteht.
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Auf Basis des erfindungsgemäßen thermischen Sensors kann ein hinsichtlich der Messgenauigkeit verbessertes, thermisches Strömungsmessgerät realisiert werden, dass zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Messmediums in einem Leitungsabschnitt dient und auf dem CTA-Prinzip basiert. Hierzu umfasst das Strömungsmessgerät neben dem thermischen Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsvariante:
- - Eine derart im Leitungsabschnitt anordbare Mess-Sonde, mittels der das Heiz-Element und das Widerstandselement in thermischem Kontakt mit dem Messmedium bringbar sind,
- - eine steuerbare Spannungs-Stelleinheit, mittels der die über die Brückenschaltung abfallende Versorgungsspannung und/oder der über die Brückenschaltung fließende Strom einstellbar ist,
- - eine Regel-Einheit, die ausgelegt ist, um die Spannungs-Stelleinheit derart zu steuern, dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem temperaturabhängigen Widerstandselement und dem Heizelement gemäß des CTA-Verfahrens auf einen konstanten Wert geregelt wird, und
- - eine Auswertungs-Einheit, die ausgelegt ist, um anhand der eingestellten Versorgungsspannung beispielsweise mittels einer Lookup-Table die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln.
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Im Hinblick auf das CTA-Prinzip ist es erforderlich, dass sich zwischen dem Heizelement und dem temperaturabhängigen Widerstandselement eine definierte, konstant zu haltende Temperaturdifferenz einstellt. Realisiert werden kann dies durch entsprechend dimensionierte Vorwiderstände in den Spannungsteilern. Alternativ oder zusätzlich kann hierzu auch das Heiz-Element entsprechend niederohmiger als das temperaturabhängige Widerstandselement ausgelegt werden. Im Hinblick auf das CTA-Prinzip ist es ebenfalls essenziell, dass auch das Heiz-Element als temperatur-abhängiger Widerstand ausgelegt ist. Dementsprechend können sowohl das temperaturabhängige Widerstandselement als auch das Heiz-Element beispielsweise aus Platin, Nickel, (positiver Temperaturkoeffizient) oder Polysilizium (negativer Temperaturkoeffizient) hergestellt werden.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass sowohl das temperaturabhängige Widerstandselement, als auch das Heiz-Element mit einem -ggf. gleichen,- geringen Widerstandswert im Bereich von 100 Ohm ausgelegt werden können, ohne dass die Empfindlichkeit der Strömungsmessung hierdurch beeinträchtigt wird. Diesbezüglich ist es möglich, dass der Widerstandswert und/oder der Temperaturkoeffizient des Heiz-Elementes dem Widerstandswert bzw. dem Temperaturkoeffizienten des temperaturabhängigen Widerstandselementes entspricht. Praktischerweise können somit sowohl das Heiz-Element als auch das temperaturabhängige Widerstandselement beispielsweise als PT100 ausgelegt werden.
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Die Regel-Einheit des Strömungsmessgerätes kann beispielsweise als Operationsverstärker realisiert sein, dessen Eingänge an die Mittelabgriffe der zwei Spannungsteiler kontaktiert sind. Passend dazu kann die Spannungs-Stelleinheit als insbesondere bipolarer Transistor ausgelegt werden, wobei die Basis bzw. das Gate des Transistors mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verschaltet ist.
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Korrespondierend zum thermischen Strömungsmessgerät wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein Verfahren zu dessen Betrieb gelöst. Demnach umfasst dieses Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Messmediums in einem Leitungsabschnitt mittels des thermischen Strömungsmessgerätes folgende Verfahrensschritte:
- - Anlegen einer Versorgungsspannung an die zwei Spannungsteiler über die Spannungs-Stelleinheit, wobei der Widerstand des Widerstandselementes um einen definierten Faktor vervielfacht wird,
- - derartige Regelung der Versorgungsspannung, dass sich zwischen dem Heiz-Element und dem Widerstandselement eine definierte Temperaturdifferenz einstellt, und
- - Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit anhand der eingestellten Versorgungsspannung.
Dabei stellt der Begriff „Strömungsgeschwindigkeit“, auch „Fließgeschwindigkeit“ oder „Flussgeschwindigkeit“ genannt, im Rahmen der Erfindung einen Oberbegriff für verschiedene Angaben des gemessenen Flusses dar. So umfasst der Begriff „Strömungsgeschwindigkeit“ beispielsweise den Massestrom und/oder den Volumenstrom des Messmediums.
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Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt
- 1: eine schematische Anordnung eines thermischen Strömungsmessgerätes an einem Leitungsabschnitt;
- 2: ein Schaltbild eines CTA-basierten thermischen Strömungsmessgerätes nach dem Stand der Technik;
- 3: ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen thermischen Strömungsmessgerätes, und
- 4: ein Schaltbild eines Impedanzkonverters.
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Zum allgemeinen Verständnis der Erfindung ist in 1 ein thermisches Durchflussmessgerät 1 gezeigt, das an einem Leitungsabschnitt 2 befestigt ist. Zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit γ des Messmediums umfasst das Durchflussmessgerät 1 eine Mess-Sonde 13, die sich im montierten Zustand senkrecht zur Flussrichtung in das Innere des Leitungsabschnittes 2 erstreckt und entsprechend vom Messmedium umströmt wird. Dabei kann es sich bei dem Messmedium um jegliches flüssige oder gasförmige Fluid handeln.
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Da das thermische Strömungsmessgerät 1 nach dem anemometrischen Prinzip arbeitet, sind in der Mess-Sonde 13 ein elektrisch steuerbares Heiz-Element 111 und ein temperaturabhängiges Widerstandselement 121 so angeordnet, dass sie in ausreichendem thermischen Kontakt zum Messmedium stehen. Um eine hinreichende Heiz-Leistung zu generieren, ist das Heiz-Element 111 mit einem entsprechend geringen Widerstand auszulegen, beispielsweise in einem Bereich von 100 Ohm.
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Gemäß des CTA-Prinzips sind das Widerstandselement 111 und das Heiz-Element 121 temperaturabhängig ausgelegt. Diesbezüglich sind das Widerstandselement 111 und das Heiz-Element 121 so konzipiert, dass deren Temperaturkoeffizienten dasselbe Vorzeichen aufweisen. Im Falle eines positiven Temperaturkoeffizienten („PTC“) können das Heiz-Element 111 bzw. das Widerstandselement 121 dementsprechend auf Basis von Platin oder Nickel gefertigt sein. Im Falle eines negativen Temperaturkoeffizienten („NTC“) können das Heiz-Element 111 und das Widerstandselement 121 zum Beispiel auf Basis von Polysilizium gefertigt sein. Zum mechanischen bzw. chemischen Schutz gegen das Messmedium sind das HeizElement 111 und das Widerstandselement 121 gängiger Weise auf einem gemeinsamen Trägersubstrat aufgebracht und mit einer Passivierungsschicht beschichtet, die den thermischen Kontakt mit dem Medium aufrechterhält.
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Die elektrische Verschaltung des Heiz-Elementes 111 und des Widerstandselementes 121 ist in 2 dargestellt: Kern der Schaltung ist eine Wheatstone'sche Messbrückenschaltung, die aus zwei Spannungsteilern 11, 12 besteht. An dem ersten Spannungsteiler 11 der Messbrückenschaltung wird eine anliegende Versorgungsspannung Vs in Bezug zur Masse GND an einem Mittelabgriff 112, 122 durch das Heizelement 111 und einen Vorwiderstand R1 und geteilt. Der zweite Spannungsteiler 12 bildet sich aus dem Widerstandselement 121 und einem zweiten Vorwiderstand R2. Hierdurch wird die Versorgungsspannung Vs in Bezug zur Masse GND wiederum am dazwischenliegenden Mittelabgriff 122 geteilt. Dabei ist es im Hinblick auf das CTA-Verfahren irrelevant, ob die Vorwiderstände R1, R2 wie in 2 in Bezug zur Versorgungsspannung Vs tatsächlich vor dem Heiz-Element 111 bzw. dem Widerstandselement 121 angeordnet sind, oder danach. Entscheidend ist lediglich, dass das Heiz-Element 111 und das Widerstandselement 121 in den Spannungsteilern an jeweils korrespondierender Stelle zueinander angeordnet sind. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsvariante des Strömungsmessgerätes 1 ist außerdem nicht explizit dargestellt, dass gemäß des Stand der Technik seriell am Widerstandselement 121 zudem ein Einstell-Widerstand angeordnet werden kann, um die Temperaturdifferenz zum Heiz-Element 111 hin auf einen definierten Wert einzustellen.
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Die an der Brückenschaltung anliegende Versorgungsspannung Vs bzw. der über die Spannungsteiler 12, 13 fließende Strom wird durch eine steuerbare Spannungs-Stelleinheit 14 geregelt. Schaltungstechnisch simpel realisiert werden kann diese durch einen Transistor, dessen Source bzw. Kollektor an einer Spannungsquelle von bspw. 10 V angeschlossen ist, während Drain bzw. Emitter mit den Spannungsteilern bzw. deren Vorwiderständen R1, R2 verbunden ist.
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Die Basis bzw. das Gate des Transistors 14 ist an den Ausgang eines Operationsverstärkers 15 angeschlossen. Diesbezüglich ist sicherzustellen, dass die nachfolgenden Spannungsteiler 11, 12 durch den Operationsverstärker 15 oder einen zusätzlichen Verstärker leistungstechnisch entsprechend getrieben werden können.
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Zur CTA-gemäßen Regelung sind die Eingänge des Operationsverstärkers 15 an den Mittelabgriff 112, 122 jeweils eines Spannungsteilers 11, 12 angeschlossen. Hierdurch fungiert der Operationsverstärker als Regel-Einheit 15 für die Spannungs-Stelleinheit 14: Da sich bei höherer Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums die durch das Heiz-Element 111 induzierte Temperatur am temperaturabhängigen Widerstandselement 121 reduziert, ändert sich die Potentialdifferenz zwischen den Mittelabgriffen 112, 122 der Spannungsteiler 11, 12. Infolgedessen ändert der Operationsverstärker 15 das Potential an der Basis bzw. am Gate des Transistors 14 entsprechend, so dass sich die Versorgungsspannung Vs bzw. der Stromfluss über die Spannungsteiler 11, 12 erhöht. Dadurch verstärkt sich wiederum die Heiz-Leistung am Heiz-Element 111, wodurch sich vor allem auch die gemessene Temperatur am temperaturabhängigen Widerstandselement 121 durch Selbsterwärmung erhöht.
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Durch diese Regelschleife wird eine definierte Soll-Potentialdifferenz Vm zwischen den Mittelabgriffen 112, 122 der Spannungsteiler 11, 12 eingestellt, wodurch sich gemäß des CTA-Verfahrens eine möglichst konstante Temperaturdifferenz zwischen Heiz-Element 111 und Widerstandselement 121 einstellt. Durch diese Art der Regelung ist die Versorgungsspannung Vs monoton abhängig von der Flussgeschwindigkeit des Messmediums, so dass anhand der vorherrschenden Versorgungsspannung Vs die momentane Strömungsgeschwindigkeit γ ermittelt werden kann. Die in 2 gezeigte Ausführungsvariante umfasst hierzu eine entsprechende Auswertungseinheit 16, welche die Versorgungsspannung Vs beispielsweise mittels einer per Kalibration erstellten Lookup-Table oder einer Umrechnungs-Funktion der Strömungsgeschwindigkeit γ zuordnet.
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Aufgrund der unerwünschten Selbsterwärmung des Widerstandselementes 121 wird der zweite Spannungsteiler 12 im Vergleich zum ersten Spannungsteiler 11 gemäß dem Stand der Technik häufig mit einem insgesamt höheren Widerstand, beispielsweise Faktor 10 bemaßt. Nachteilhaft an der in 2 dargestellten Schaltung ist dementsprechend, dass das thermische Widerstandselement 121 sehr hochohmig ausgelegt werden muss, um Selbsterwärmung und somit Messfehler zu vermeiden. Hierdurch wird jedoch die Empfindlichkeit der Durchflussmessung reduziert. Dies wird erfindungsgemäß dadurch unterbunden, dass das temperaturabhängige Widerstandselement 121 im zweiten Spannungsteiler 12 innerhalb einer Impedanz-Wandlerschaltung 123 verschaltet ist. Dabei vervielfacht die Impedanz-Wandlerschaltung 123 die Impedanz bzw. den Widerstand des Widerstandselementes 121 im zweiten Spannungsteiler 12 hinter dem zweiten Mittelabgriff 122 um einen definierten Faktor X von beispielsweise X = 10. In Bezug zu dem zweiten Spannungsteiler 12 bedeutet dies eine Verzehnfachung des Widerstandswertes des Widerstandselementes 121. Hierdurch reduziert sich der effektive Leistungsverbrauch bzw. die Selbsterwärmung am Widerstandselement 121, wodurch eine hohe Empfindlichkeit der Strömungsmessung erreicht werden kann.
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Dargestellt ist die erfindungsgemäße Auslegung in 3, wobei das dortige Strömungsmessgerät 1 von der Funktion her ansonsten der in 2 dargestellten Schaltung entspricht.
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Eine mögliche Realisierungs-Variante der Impedanz-Wandlerschaltung 123, die als Impedanzkonverter ausgelegt ist, wird in 4 gezeigt: Der dortige Impedanzkonverter 123 gliedert sich in zwei in Reihe geschaltete Spannungsteiler 17, 18 wobei das temperaturabhängige Widerstandselement 121 einen der Widerstände in einem der Spannungsteiler 13, 14 bildet. Jedem Spannungsteiler 13, 14 ist ein Operationsverstärker 19, 20 zugeordnet, dessen Eingänge mit den Endabgriffen des jeweiligen Spannungsteilers 13, 14 verbunden sind. Der Ausgang des jeweiligen Operationsverstärkers 19, 20 ist dabei an den Mittelabgriff des jeweils anderen Spannungsteilers 13, 14 angeschlossen. Seriell geerdet werden die zwei Spannungsteiler 13, 14 durch eine hochohmige Impedanz 21 von bspw. 50 kOhm. Am seriell gegenüberliegenden Eingang des Impedanzkonverters 123 ergibt sich, sofern das Widerstandselement 121 als PT1000 ausgelegt ist und die weiteren Widerstände der Spannungsteiler 17, 18 jeweils mit 5 kOhm konzipiert sind, eine adäquate Eingangsimpedanz von 10 kOhm, was einem Vervielfachungs-Faktor X von 10 entspricht. Hierdurch wird die Leitungsaufnahme am Widerstandselement 121 im Durchflussmessgerät 1 um das ca. Hundertfache verringert, so dass Messfehler bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit γ durch Selbsterwärmung des Widerstandselementes 121 praktisch keine Rolle mehr spielen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Thermisches Strömungsmessgerät
- 2
- Leitungsabschnitt
- 11
- Erster Spannungsteiler der Brückenschaltung
- 12
- Zweiter Spannungsteiler der Brückenschaltung
- 13
- Mess-Sonde
- 14
- Spannungs-Stelleinheit
- 15
- Regel-Einheit
- 16
- Auswertungs-Einheit
- 17,18
- Spannungsteiler des Impedanzkonverters
- 19, 20
- Operationsverstärker im Impedanzkonverter
- 21
- Impedanz
- 111
- Heiz-Element
- 112
- Mittelabgriff des ersten Spannungsteilers
- 121
- Temperaturabhängiges Widerstandselement
- 122
- Mittelabgriff des zweiten Spannungsteilers
- 123
- Impedanz-Wandlerschaltung
- GND
- Schaltungs-Masse
- R1, R2
- Vorwiderstände der Spannungsteiler
- Rx
- Offset-Widerstand
- Vm
- Potentialdifferenz zwischen den Mittelabgriffen
- Vs
- Betriebsspannung
- X
- Widerstands-Vervielfachungsfaktor des Widerstandselementes
- γ
- Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums
