DE19501347A1 - Vorrichtung zur Messung des Durchflusses in einem Fluidkanal - Google Patents
Vorrichtung zur Messung des Durchflusses in einem FluidkanalInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des
Durchflusses eines Fluids in einem Fluidkanal, mit
zumindestens einem Thermoelement-Paar, dessen
Thermoübergänge in Strömungsrichtung des Fluids
hintereinander angeordnet sind und mittels einer
Wechselstromquelle auf einer gegenüber der
Fluidtemperatur erhöhten Arbeitstemperatur gehalten
werden und welches an eine die Thermoelement-Spannung
auswertende Meßschaltung angeschlossen ist.
Für die Messung des Durchflusses eines Fluids in einem
Fluidkanal kommen eine Vielzahl physikalischer
Sensorprinzipien in Frage, die sich durch ihre
Handhabung, Empfindlichkeit, Herstellkosten und nicht
zuletzt in Bezug auf ihre Rückwirkungsfreiheit auf das
zu messende System unterscheiden. Zu nennen wären hier
beispielsweise Wirkdruckverfahren,
Coriolis-Massenstrommesser, Wirbelzähl-, Flügelrad-,
Schwebekörper- und thermische Meßverfahren, sowie
akustische und optische Strömungsmeßprinzipien. Für den
Einsatz im medizinischen Bereich spielen insbesondere
auch Eigenschaften wie Sterilisierbarkeit, Baugröße und
Energieeinbringung in das Meßsystem eine wesentliche
Rolle.
Thermische Meßverfahren nutzen den Wärmetransport durch
das zu messende Medium als Meßeffekt aus, wobei
Anordnungen zum Einsatz kommen, bei denen Wärmequelle
und Temperatursensor getrennt ausgeführt sind. Die
Wärmequelle wird dazu auf einer gegenüber der
Fluidtemperatur erhöhten Temperatur gehalten, so daß
die Temperaturänderung an dem in Flußrichtung hinter
der Wärmequelle angeordneten Sensor ein Maß für die
Durchflußgeschwindigkeit des Fluids ist. Eingesetzt
werden ebenso Durchflußsensoren, bei denen Wärmequelle
und Temperatursensor zu einem Element zusammengefaßt
sind. Zur Auswertung kann dieses Element, z. B. durch
Leistungssteuerung, auf einer konstanten Übertemperatur
gehalten werden, wobei die zugeführte Energie ein Maß
für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Es kann auch bei
konstant gehaltener Heizleistung durch
Widerstandsmessung die Temperatur ermittelt werden.
Derartige Sensoren ermöglichen bei einfacher Ausführung
keine Erkennung der Durchflußrichtung und erfordern
Kompensationsschaltungen, da der eigentliche Meßwert
als geringe Differenz hoher Signalpegel bestimmt wird.
Es sind ferner thermische Durchflußmeßverfahren
bekannt, die zur Erfassung des Wärmetransportes
Thermoelemente einsetzen. Eine derartige Vorrichtung
ist aus der EP 0 406 244 B1 bekanntgeworden. Die
Thermoübergänge eines Thermoelement-Paares sind in
einem Fluidkanal in Strömungsrichtung hintereinander
angeordnet und werden zur Aufheizung auf eine gegenüber
der Fluidtemperatur erhöhte Arbeitstemperatur über
einen gesteuerten Schalter an eine Wechselstromquelle
angeschlossen. Die an dem Thermoelement-Paar bei der
Durchströmung des Fluidkanals entstehende
Thermoelement-Spannung wird mittels einer Meßschaltung
ausgewertet. Zur Durchführung einer Messung wird das
von der Wechselstromquelle aufgeheizte
Thermoelement-Paar mittels des Schalters von der
Wechselstromquelle getrennt und dann die
Thermoelement-Spannung gemessen, die dann frei von
Wechselspannungsanteilen ist.
Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, daß zur
Durchführung einer Messung der Heizkreis des für
Störungen empfindlichen Thermoelement-Paares geöffnet
werden muß, wodurch eine Abkühlung des
Thermoelement-Paares während der Messung eintritt, und
hierdurch einerseits die Genauigkeit der
Durchflußmessung beeinträchtigt ist und andererseits
nur eine diskontinuierliche Messung des Durchflusses
möglich ist, was mit einer entsprechenden
Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses
einhergeht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung der genannten Art derart zu verbessern, daß
ein kontinuierlicher Meßablauf mit hoher Genauigkeit
durchführbar ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß die
Meßschaltung ein Schaltungsnetzwerk aufweist, durch
welches die Wechselstromquelle zumindestens während der
Meßphase mit dem Thermoelement-Paar verbunden ist und
durch welches die der Thermoelement-Spannung
über lagerten Wechselspannungsanteile durch
Differenzbildung eliminiert sind.
Der Vorteil der Erfindung liegt im wesentlichen darin,
daß durch das das Thermoelement-Paar aufnehmende
Schaltungsnetzwerk die Wechselspannungsanteile durch
Differenzbildung eliminiert werden, und es stellt
sich durch den kontinuierlichen Meßablauf ein
verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis für die
Thermoelement-Spannung ein.
In vorteilhafter Weise ist das Schaltungsnetzwerk eine
von der Wechselstromquelle über eine erste
Brückendiagonale gespeiste Meßbrücke, bei welcher das
Thermoelement-Paar einen der vier Brückenwiderstände
bildet und die Thermoelement-Spannung als
Diagonalspannung über eine zweite Brückendiagonale der
Meßbrücke abgegriffen wird. Mit Hilfe der Meßbrücke
wird der Wechselspannungsanteil durch Differenzbildung
von der Thermoelement-Spannung eliminiert.
Es ist zweckmäßig, das Schaltungsnetzwerk mit einem
Tiefpaß zu kombinieren, um evtl. durch Streukapazitäten
oder Streuinduktivitäten entstehende
Wechselspannungsanteile zu beseitigen.
In vorteilhafter Weise wird der Wechselspannungsanteil
auf der Thermoelement-Spannung UT mittels eines dem
Thermoelement-Paar nachgeschalteten
Subtraktionselementes mit zumindestens einem ersten
Signaleingang und einem zweiten Signaleingang
kompensiert. Hierzu wird das an die Wechselstromquelle
angeschlossene Thermoelement-Paar mit dem ersten
Signaleingang verbunden, an welchem dann die mit der
Wechselspannung überlagerte Thermoelement-Spannung UT
liegt. Dem zweiten Signaleingang wird ein
Wechselspannungssignal zugeführt, welches um 180 Grad
gegenüber der am ersten Signaleingang anliegenden
Wechselspannung phasenverschoben ist und bezüglich
seiner Amplitude und Frequenz der am ersten
Signaleingang befindlichen Wechselspannung entspricht.
Durch Überlagerung der Wechselspannungsanteile am
Subtraktionselement liegt am Signalausgang des
Subtraktionselements die von Störspannungen befreite
Thermoelement-Spannung UT an. Die Stellgröße für die
Einstellung der Amplitude des Wechselspannungssignals
am zweiten Signaleingang wird durch phasenempfindliche
Gleichrichtung aus dem der Thermoelement-Spannung UT
überlagerten Wechselspannungsanteil gebildet.
Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß die
Wechselstromquelle zumindestens während der Meßphase an
das Thermoelement-Paar angeschlossen ist und dem
Thermoelement-Paar ein Tiefpaß nachgeschaltet ist,
durch welchen die der Thermoelement-Spannung
überlagerte Wechselspannung eliminiert ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Thermoelement-Paar in
einem Fluidkanal,
Fig. 2 ein Thermoelement-Paar in
einer ersten Meßschaltung,
Fig. 3 ein Thermoelement-Paar in
einer zweiten Meßschaltung,
Fig. 4 ein Thermoelement-Paar in
einer dritten Meßschaltung,
Fig. 5 auf einem Folienträger
angeordnete, zickzackförmig
ausgerichtete
Thermoelement-Paare.
Fig. 1 zeigt einen Fluidkanal (1) im Längsschnitt,
welcher von einem Fluid in Richtung eines Pfeils (2)
durchströmt wird. In einer Verengung (3) des
Fluidkanals (1) ist ein Thermoelement-Paar (4)
angeordnet, dessen erster Thermoübergang (5) und
zweiter Thermoübergang (6) in Richtung des Pfeils (2)
hintereinander angeordnet sind. Das Thermoelement-Paar
(4) ist mit Zuleitungsdrähten (7) kontaktiert. Je nach
Strömungsrichtung in dem Fluidkanal (1), wie durch die
Richtungen des Pfeils (2) veranschaulicht, wird zuerst
der erste Thermoübergang (5) und dann der zweite
Thermoübergang (6) oder zuerst der zweite
Thermoübergang (6) und dann der erste Thermoübergang
(5) angeströmt.
Fig. 2 zeigt eine erste Meßschaltung (8) für das durch
eine Wechselstromquelle (9) auf eine gegenüber der
Fluidtemperatur erhöhte Arbeitstemperatur aufgeheizte
Thermoelement-Paar (4). Die erste Meßschaltung (8)
besteht aus der Reihenschaltung einer Meßbrücke (10),
eines Differenzverstärkers (11), eines Tiefpasses (12),
eines Meßverstärkers (13), einer
Linearisierungsschaltung (14) und einer Anzeigeeinheit
(15). Zwischen einer ersten Brückendiagonale (16) der
Meßbrücke (10), die mit der Wechselstromquelle (9)
verbunden ist, sind in Reihenschaltung ein erster
Festwiderstand (17) mit dem Thermoelement-Paar (4),
Fig. 1, und parallel dazu ein zweiter Festwiderstand
(18) mit einem komplexen Stellwiderstand (19)
angeordnet. Die zweite Brückendiagonale (20) ist mit
dem Eingang des Differenzverstärkers (11) verbunden.
Die Grenzfrequenz des dem Differenzverstärker (11)
nachgeschalteten Tiefpasses (12) ist derart gewählt,
daß die an der zweiten Brückendiagonale (20) eventuell
noch vorhandenen Wechselspannungsanteile unterdrückt
werden. Mit der Linearisierungsschaltung (14) werden
Nichtlinearitäten der ersten Meßschaltung (8)
kompensiert.
Die Wirkungsweise der ersten Meßschaltung (8) soll im
folgenden erläutert werden.
Das in dem Fluidkanal (1) befindliche
Thermoelement-Paar (4) wird mittels der
Wechselstromquelle (9) auf die Arbeitstemperatur
aufgeheizt. Beide Thermoübergänge (5, 6) des
Thermoelement-Paares (4) nehmen dabei die gleiche
Temperatur an, sofern der Fluid-Durchfluß unterbunden
ist. Der komplexe Stellwiderstand (19) der Meßbrücke
(10) wird so abgeglichen, daß an der zweiten
Brückendiagonale (20) kein Wechselspannungsanteil mehr
auftritt. Wird nun der Fluidkanal (1) dem strömenden
Fluid ausgesetzt, werden je nach Anströmungsrichtung
die Thermoübergänge (5, 6) unterschiedlich stark
abgekühlt, und an der zweiten Brückendiagonale (20)
fällt die durch das Thermoelement-Paar (4) erzeugte
Thermoelement-Spannung UT ab, die in dem
Differenzverstärker (11) verstärkt wird. Durch den
vorherigen Abgleich der Meßbrücke (10) sind
Wechselspannungsanteile auf der Thermoelement-Spannung
UT durch Differenzbildung eliminiert. Eventuell noch
vorhandene Wechselspannungsanteile, die durch
Streuinduktivitäten oder Leitungskapazitäten entstehen,
werden durch den Tiefpaß (12) unterdrückt.
Fig. 3 zeigt das Thermoelement-Paar (4) in einer
zweiten Meßschaltung (21). Gleiche Komponenten sind mit
gleichen Bezugsziffern der Fig. 2 bezeichnet.
Unterschiedlich gegenüber der ersten Meßschaltung (8)
ist, daß das Thermoelement-Paar (4) über den
Festwiderstand (17) direkt an die Wechselstromquelle
(9) angeschlossen ist und der gesamte
Wechselspannungsanteil am Thermoelement-Paar (4) über
den Tiefpaß (12) herausgefiltert wird.
Fig. 4 zeigt schematisch eine dritte Meßschaltung (23)
für das Thermoelement-Paar (4), bei welcher aus der der
Thermoelement-Spannung UT überlagerten
Wechselspannung mittels phasenempfindlicher
Gleichrichtung eine Stellgröße bestimmt wird. Die mit
der Wechselspannung überlagerte Thermoelement-Spannung
UT wird über einen ersten Signaleingang (24) einem
Substraktionselement (25) zugeführt, und ein zweiter
Signaleingang (26) des Substraktionselementes (25) ist
über einen Verstärker (27) mit einstellbarem
Verstärkungsfaktor mit der Wechselstromquelle (9)
verbunden. Mit dem Minuszeichen am zweiten
Signaleingang (26) soll zum Ausdruck gebracht werden,
daß innerhalb des Verstärkers (27) eine
Phasenverschiebung des Wechselspannungssignals um den
Winkel PI erfolgt. Das Ausgangssignal des
Substraktionselementes (25) wird über den
Differenzverstärker (11) einem Lock-IN-Verstärker (28)
zugeführt, welcher als weiteres Signal die
Wechselspannung der Wechselstromquelle (9) erhält. Das
Ausgangssignal des Lock-IN-Verstarkers (28) wird in
einem dem Lock-IN-Verstärker (28) nachgeschalteten
Integrator (29) in die den Verstärkungsfaktor des
Verstärkers (27) beeinflussende Stellgröße umgesetzt.
Die Stellgröße ist im wesentlichen von der Amplitude
des Wechselspannungsanteils am Ausgang des
Substraktionselementes (25) bzw. am Ausgang des
Differenzverstärkers (11) abhängig. Bei vollständiger
Kompensation des Wechselspannungsanteils im
Substraktionselement (25) nimmt das Ausgangssignal des
Lock-IN-Verstärkers (28) den Wert Null an und die
Stellgröße für den Verstärkungsfaktor des Verstärkers
(27) bleibt unverändert. Der an die Wechselstromquelle
(9) angeschlossene Festwiderstand (17), das
Substraktionselement (25), der Differenzverstärker
(11), der Lock-IN-Verstärker (28), der Integrator (29)
und der Verstärker (27) bilden zusammen ein
Schaltungsnetzwerk (101).
Die Positionen (11, 13, 14, 15) der Fig. 4 entsprechen
denen der Fig. 2.
Durch die mit der dritten Meßschaltung (23)
vorgenommene Kompensation des Wechselspannungsanteils
ergibt sich ein weiter verbessertes
Signal-Rausch-Verhältnis für die Thermoelement-Spannung
UT.
Eine alternative Ausführungsform zur Anordnung von
Thermoelement-Paaren (4) in dem Fluidkanal (1) besteht
darin, eine Vielzahl von Thermoelement-Paaren so auf
einem flachen Träger (22) anzuordnen, daß sich die in
der Fig. 5 dargestellte Zickzackstruktur ergibt. Durch
geeignete Verteilung der Thermoelement-Paare über den
Strömungsquerschnitt kann dem sich mit dem Durchfluß
ändernden Strömungsprofil Rechnung getragen werden.
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines
Fluids in einem Fluidkanal (1), mit zumindestens
einem Thermoelement-Paar (4), dessen
Thermoübergänge (5, 6) in Strömungsrichtung des
Fluids hintereinander angeordnet sind und mittels
einer Wechselstromquelle (9) auf einer gegenüber
der Fluidtemperatur erhöhten Arbeitstemperatur
gehalten werden und welches an eine die
Thermoelement-Spannung UT auswertende
Meßschaltung (8, 21, 23) angeschlossen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßschaltung ein
Schaltungsnetzwerk (10, 101) aufweist, durch
welches die Wechselstromquelle (9) zumindestens
während der Meßphase mit dem Thermoelement-Paar (4)
verbunden ist und durch welches die der
Thermoelement-Spannung UT über lagerten
Wechselspannungsanteile durch Differenzbildung
eliminiert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schaltungsnetzwerk eine
über eine erste Brückendiagonale (16) von der
Wechselstromquelle (9) gespeiste Meßbrücke (10)
ist, bei welcher das Thermoelement-Paar (4) mit
Brückenwiderständen (17, 18, 19) zu der Meßbrücke
(10) zusammengeschaltet ist und die
Thermoelement-Spannung UT als Diagonalspannung
über einer zweiten Brückendiagonale (20) der
Meßbrücke (10) abgegriffen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Schaltungsnetzwerk (10) ein
Tiefpaß (12) nachgeschaltet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schaltungsnetzwerk (101)
zumindestens ein Subtraktionselement (25) mit
zumindestens einem ersten Signaleingang (24) und
einem zweiten Signaleingang (26) aufweist, daß das
an die Wechselstromquelle (9) angeschlossene
Thermoelement-Paar (4), an welchem die mit der
Wechselspannung überlagerte Thermoelement-Spannung
UT entsteht, mit dem ersten Signaleingang (24)
verbunden ist und daß an den zweiten Signaleingang
(26) ein gegenüber der Wechselspannung der
Wechselstromquelle (9) um 180 Grad
phasenverschobenes Wechselspannungssignal von der
Amplitude und der Frequenz des der
Thermoelement-Spannung UT überlagerten
Wechselspannungsanteils gelegt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Stellgröße zur Einstellung
der Amplitude des am zweiten Signaleingang (26)
anliegenden Wechselspannungssignals durch
phasenempfindliche Gleichrichtung des der
Thermoelement-Spannung UT überlagerten
Wechselspannungsanteils gebildet ist.
6. Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines
Fluids in einem Fluidkanal (1), mit zumindestens
einem Thermoelement-Paar (4), dessen
Thermoübergänge (5, 6) in Strömungsrichtung des
Fluids hintereinander angeordnet sind und mittels
einer Wechselstromquelle (9) auf einer gegenüber
der Fluidtemperatur erhöhten Arbeitstemperatur
gehalten werden und welches an eine die
Thermoelement-Spannung UT auswertende
Meßschaltung (8, 21) angeschlossen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (9)
zumindestens während der Meßphase an das
Thermoelement-Paar (4) angeschlossen ist und ein
dem Thermoelement-Paar (4) nachgeschalteter Tiefpaß
(12) vorgesehen ist, durch welchen die der
Thermoelement-Spannung UT über lagerte
Wechselspannung eliminiert ist.
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