DE19501347C2 - Vorrichtung zur Messung des Durchflusses in einem Fluidkanal - Google Patents

Vorrichtung zur Messung des Durchflusses in einem Fluidkanal

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines Fluids in einem Fluidkanal, mit zumindestens einem Thermoelement, dessen Verbindungsstellen im Fluid und indessen Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und mittels eines aus einer Wechselstromquelle gespeisten Stromdurchflusses 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 Verbindungsstellen des Thermoelementes 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 bei der Durchströmung des Fluidkanals entstehende Thermoelement-Spannung wird mittels einer Meßschaltung ausgewertet. Zur Durchführung einer Messung wird das von der Wechselstromquelle aufgeheizte Thermoelement 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 Thermoelementes geöffnet werden muß, wodurch eine Abkühlung des Thermoelementes 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, welches die Wechselstromquelle während der Messung mit dem Thermoelement verbunden hält und welches den der Thermoelement-Spannung infolge der Wechselstrombeheizung überlagerten Wechselspannungsanteil durch Differenzbildung eliminiert.
Der Vorteil der Erfindung liegt im wesentlichen darin, daß durch das das Thermoelement 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 die erste Brückendiagonale gespeiste Meßbrücke, bei welcher das Thermoelement einen der vier Brückenwiderstände bildet und die Thermoelement-Spannung als Diagonalspannung über der zweiten Brückendiagonalen 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 nachgeschalteten Subtraktionselementes mit zumindestens einem ersten Signaleingang und einem zweiten Signaleingang kompensiert. Hierzu wird das an die Wechselstromquelle angeschlossene Thermoelement mit dem ersten Signaleingang verbunden, an welchem dann die mit der Wechselspannung über lagerte 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 während der Messung an das Thermoelement angeschlossen bleibt und dem Thermoelement 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 in einem Fluidkanal,
Fig. 2 ein Thermoelement in einer ersten Meßschaltung,
Fig. 3 ein Thermoelement in einer zweiten Meßschaltung,
Fig. 4 ein Thermoelement in einer dritten Meßschaltung,
Fig. 5 auf einem Folienträger angeordnete, zickzackförmig ausgerichtete Thermoelemente.
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 (4) angeordnet, dessen erste Verbindungsstelle (5) und zweite Verbindungsstelle (6) in Richtung des Pfeils (2) hintereinander angeordnet sind. Das Thermoelement (4) ist mit Zuleitungsdrähten (7) kontaktiert. Je nach Strömungsrichtung in dem Fluidkanal (1), wie durch die Richtungen des Pfeils (2) veranschaulicht, wird zuerst die erste Verbindungsstelle (5) und dann die zweite Verbindungsstelle (6) oder zuerst die zweite Verbindungsstelle (6) und dann die erste Verbindungsstelle (5) angeströmt.
Fig. 2 zeigt eine erste Meßschaltung (8) für das durch eine Wechselstromquelle (9) auf eine gegenüber der Fluidtemperatur erhöhte Arbeitstemperatur aufgeheizte Thermoelement (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 (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 (4) wird mittels der Wechselstromquelle (9) auf die Arbeitstemperatur aufgeheizt. Beide Verbindungsstellen (5, 6) des Thermoelementes (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 Verbindungsstellen (5, 6) unterschiedlich stark abgekühlt, und an der zweiten Brückendiagonale (20) fällt die durch das Thermoelement (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 (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 (4) über den Festwiderstand (17) direkt an die Wechselstromquelle (9) angeschlossen ist und der gesamte Wechselspannungsanteil am Thermoelement (4) über den Tiefpaß (12) herausgefiltert wird.
Fig. 4 zeigt schematisch eine dritte Meßschaltung (23) für das Thermoelement (4), bei welcher aus der der Thermoelement-Spannung UT über lagerten 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-Verstärkers (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 einzelnen Thermoelementen (4) in dem Fluidkanal (1) besteht darin, die Thermoelemente so auf einem flachen Träger (22) anzuordnen, daß sich die in der Fig. 5 dargestellte Zickzackstruktur ergibt. Durch geeignete Verteilung der Thermoelemente 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 (4), dessen Verbindungsstellen (5, 6) im Fluid und in dessen Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und mittels eines aus einer Wechselstromquelle (9) gespeisten Stromdurchflusses auf einer gegenüber der Fluidtemperatur erhöhten Arbeitstemperatur gehalten werden und welches an eine die Thermoelement-Spannung UT auswertende Meßschaltung (8, 23) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung ein Schaltungsnetzwerk (10, 101) aufweist, welches die Wechselstromquelle (9) während der Messung mit dem Thermoelement (4) verbunden hält und welches den der Thermoelement-Spannung UT infolge der Wechselstrombeheizung überlagerten Wechselspannungsanteil durch Differenzbildung eliminiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungsnetzwerk eine Meßbrücke (10) ist, zu welcher das Thermoelement (4) mit Brückenwiderständen (17, 18, 19) zusammengeschaltet ist, die über die erste Brückendiagonale (16) von der Wechselstromquelle (9) gespeist wird und an der die Thermoelement-Spannung UT als Diagonalspannung über die zweite Brückendiagonale (20) abgegriffen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schaltungsnetzwerk (10) ein Tiefpaß (12) nachgeschaltet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 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 (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, gekennzeichnet durch Mittel zur Einstellung der Amplitude des am zweiten Signaleingang (26) anliegenden Wechselspannungssignals, die eine durch phasenempfindliche Gleichrichtung des der Thermoelement-Spannung UT überlagerten Wechselspannungsanteils gebildete Stellgröße verwenden.
6. Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines Fluids in einem Fluidkanal (1), mit zumindestens einem Thermoelement (4), dessen Verbindungsstellen (5, 6) im Fluid und in dessen Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und mittels eines aus einer Wechselstromquelle (9) gespeisten Stromdurchflusses auf einer gegenüber der Fluidtemperatur erhöhten Arbeitstemperatur gehalten werden und welches an eine die Thermoelement-Spannung UT auswertende Meßschaltung (21) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (9) während der Messung an das Thermoelement (4) angeschlossen bleibt und ein dem Thermoelement (4) nachgeschalteter Tiefpaß (12) vorgesehen ist, welcher die der Thermoelement-Spannung UT infolge der Wechselstrombeheizung überlagerte Wechselspannung eliminiert.
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