DE19504496A1 - Verfahren zur Messung eines Wärmeübergangs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Strömung strömender Medien, insbesondere zur Erfassung der Wärmetransportkapazität des strömenden Mediums, bei welchem ein Meßsignal eines von mindestens einem Heizelement und dem vorbeiströmenden Medium beeinflußten Temperaturmeßelement überwacht wird und bei welchem beim Über- oder Unterschreiten eines Schaltpunktes durch das Meßsignal des Temperaturmeßelements ein Ausgangssignal erzeugt wird.

Strömungsmeßgeräte der in Rede stehenden Art, also insbesondere kalorimetrisch ar­ beitende Strömungswächter, sind seit langem und in vielen Ausführungsformen be­ kannt (vgl. z. B. die deutschen Offenlegungsschriften 24 47 617, 26 29 051, 32 13 902, 32 22 046, 37 13 981, 38 11 728, 38 25 059, 39 11 008, 39 43 437). Bei diesen Strömungsmeßgeräten, im folgenden immer Strömungswächter genannt, arbeitet man im allgemeinen mit einer Differenztemperaturmessung. Ein erstes Temperaturmeßele­ ment mißt eine durch ein Heizelement und durch das strömende Medium bestimmte Temperatur, wobei sich diese Temperatur aus der Heizleistung des Heizelements und der strömungsabhängigen Wärmetransportkapazität des strömenden Mediums ergibt. Weiter mißt ein zweites Temperaturmeßelement eine möglichst nicht von dem Heiz­ element sondern nur von dem strömenden Medium beeinflußte Referenztemperatur. Für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Referenztemperaturmessung nicht zwingend notwendig. Sie kann beispielsweise entfallen, wenn die Temperatur des strömenden Mediums bekannt ist. Insbesondere sind auch Strömungswächter bekannt, die allgemein als "dynamisch" arbeitende Strömungswächter bezeichnet werden. Bei diesen Strömungswächter wird das Heizelement nur während periodisch wiederkehrender Zeitintervalle erhitzt. Die Überwachung der Strömung des strömen­ den Mediums erfolgt bei den dynamisch arbeitenden Strömungswächtern dadurch, daß der zeitliche Verlauf des Meßsignals des Temperaturmeßelements in den Zeiträu­ men ausgewertet wird, in welchen das Heizelement nicht betätigt ist.

Strömungswächter nach dem kalorimetrischen Prinzip werden aufgrund ihrer robu­ sten, zuverlässigen und problemlosen Eigenschaften in den verschiedensten Berei­ chen der Strömungsüberwachung eingesetzt. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet dieser Strömungswächter ist z. B. der Einsatz in Werkzeugmaschinen, bei denen eine Schmier-/Kühlmittelüberwachung sicherzustellen ist. Bei diesen Anwendungsfällen unterscheidet man zwischen den Zuständen "Strömungsstillstand" und "Strömung vorhanden". Vorliegend interessiert insbesondere das jeweilige Übergangsverhalten beim Umschalten zwischen diesen beiden Zuständen. Das Verhalten des Ausgangssi­ gnals des Strömungswächters beim Umschalten ist nämlich, wie noch deutlich werden wird, für die Funktionssicherheit beispielsweise einer Werkzeugmaschine maßgebend.

Die Arbeitsgeschwindigkeiten von Werkzeugmaschinen sind zum Teil so groß, daß ein Fehlen des Schmier-/Kühlmittels von mehr als 1 bis 2 Sekunden zu einer Zerstö­ rung des Werkzeugs führen kann (Metallbrand). Dies bedeutet, daß der Strömungs­ wächter eine entsprechend kurze Reaktionszeit bei einem Strömungsausfall oder ei­ nem Strömungsrückgang aufweisen muß. Hierzu liegt bei den bekannten Strö­ mungswächtern der Schaltpunkt bei eher niedrigen Temperaturen. Eine entspre­ chende Lage dieses Schaltpunktes ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Bei einer solchen Lage des Schaltpunktes, die auf eine kurze Reaktionszeit bei Strömungsaus­ fall abgestellt ist, ist insbesondere problematisch, daß eine Überwachung des tatsäch­ lichen Strömungsstillstandes nicht möglich ist, da der Schaltpunkt nahe bei der vollen Nennströmung liegt. Bereits ein geringer Strömungsabfall um ca. 20% hat zur Folge, daß der Schaltpunkt unterschritten wird, was wiederum bedeutet, daß der Strö­ mungswächter bereits bei einer Strömung von bis zu 80% der Nennströmung ein Ausgangssignal "Strömungsstillstand" ausgibt.

Im übrigen besteht eine weitere Aufgabe des Strömungswächters beim Einsatz z. B. in Werkzeugmaschinen darin, die Strömung möglichst schnell zu erkennen. Die Bear­ beitung des eingespannten Werkstücks darf erst dann erfolgen, wenn der Strö­ mungswächter das Vorhandensein des Kühl-/Schmiermittels erkannt hat. Um hier wertvolle Bearbeitungszeit zu sparen, soll selbstverständlich auch diese Erkennung der Strömung möglichst schnell erfolgen. Aus dem Stand der Technik bekannt wird hierfür eine Lage des Schaltpunktes nahe bei dem Meßsignal bei tatsächlichem Strö­ mungsstillstand gewählt. Dies ist in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt. Man erkennt nun unmittelbar, daß diese Einstellung auf eine kurze Reaktionszeit bei beginnender Strömung einer Überwachung der Nennströmung mit ebenfalls kurzer Reaktionszeit widerspricht, da die jeweils zu wählenden Schaltpunkte weit auseinanderliegen. Bei der zuletzt geschilderten Lage des Schaltpunktes nahe dem Strömungsstillstand führt bereits ein geringer Strömungsanstieg um ca. 20% dazu, daß der Schaltpunkt über­ schritten wird, d. h. der Strömungswächter meldet bereits eine Strömung von 20% der Nennströmung als "Strömung vorhanden".

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das in Rede stehende Verfahren so auszugestalten und weiterzubilden, daß es bei seinem Einsatz eine kurze Reaktions­ zeit sowohl bei der Überwachung der Nennströmung als auch bei der Überwachung des Strömungsstillstandes gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung des Heizelementes und/oder die Lage des Schaltpunktes ab­ hängig vom Ausgangssignal geändert werden. Insbesondere für den Fall einer relativ hohen Temperatur am Temperaturmeßelement - Ausgangssignal "Strömungsstillstand" - wird die Heizleistung gesenkt und/oder die Lage des Schaltpunktes hin zu höheren Werten verändert und für den Fall einer relativ niedrigen Temperatur am Temperatur­ meßelement - Ausgangssignal "Strömung vorhanden" - die Heizleistung erhöht und/oder die Lage des Schaltpunktes hin zu niedrigeren Temperaturen verändert. Somit ist beim Vorhandensein einer Strömung im Bereich der Nennströmung gewähr­ leistet, daß sich das Meßsignal in Folge der erhöhten Heizleistung und/oder der Lage des Schaltpunktes bei niedrigeren Werten in der Nähe des Schaltpunktes befindet. Bei Abfallen der Strömung wird in Folge der Erhöhung der Temperatur am Tempera­ turmeßelement sofort der Schaltpunkt überschritten und das Ausgangssignal "Strö­ mungsstillstand" ausgegeben. Gleichzeitig mit der Ausgabe des Ausgangssignals "Strömungsstillstand" wird die Heizleistung des Heizelements zurückgenommen und/oder die Lage des Schaltpunktes hin zu höheren Werten verändert, was zur Folge hat, daß sich das Meßsignal wiederum in der Nähe des Schaltpunktes befindet. Hierdurch wird wiederum gewährleistet, daß der Strömungsstillstand mit einer gerin­ gen Ansprechzeit überwacht wird. Die hier geschilderten Maßnahmen und Vorteile betreffen nicht nur die "statisch" arbeitenden Strömungswächter, sie sind auch auf die dynamisch arbeitenden Strömungswächter übertragbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener, lediglich Ausführungsbei­ spiele darstellender Verwirklichungen in Verbindung mit einer Zeichnung nochmals erläutert; es zeigt

Fig. 3 Strömung, Strömungssignal, Heizleistung und Ausgangssignal eines er­ sten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Verwirklichung eines erfin­ dungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 5a)-d) Meßsignale, Strömung, Ausgangssignal des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und Ausgangssignal eines bekann­ ten Verfahrens,

Fig. 6a)-c) die unterschiedlichen Anteile des Meßsignals des ersten erfindungsge­ mäßen Verfahrens, die Strömung und das Ausgangssignal des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 7 die Abhängigkeit des Meßsignals von der Geschwindigkeit der Strö­ mung und der Temperatur des Heizelementes,

Fig. 8 das Meßsignal in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Strömung und der Temperatur des Heizelements, und verschiedene Übergangsver­ läufe des Meßsignals beim Umschalten der Temperatur des Heizelemen­ tes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens,

Fig. 9a)-d) Meßsignale, Strömung, Ausgangssignal eines zweiten Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und Ausgangssignal eines be­ kannten Verfahrens und

Fig. 10a)-d) Meßsignal, Strömung, Ausgangssignal eines dritten Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und Ausgangssignal gemäß ei­ nem bekannten Verfahren.

Fig. 3 zeigt für ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens den zeitlichen Verlauf des die Temperatur an einem von mindestens einem Heizelement und dem vorbeiströmenden Medium beeinflußten Temperaturmeßelement wider­ spiegelnden Strömungssignals, der Heizleistung des Heizelementes und des den Strömungszustand des strömenden Mediums wiedergebenden Ausgangssignals in Abhängigkeit von einer zeitveränderlichen Strömung.

Im Bereich I findet keine Strömung statt, d. h. das Ausgangssignal "Strömungsstill­ stand" wird ausgegeben und die Heizleistung des Heizelementes befindet sich auf ei­ nem abgesenkten Niveau. Steigt nun die Strömung bis in den Bereich der Nennströ­ mung an, hier Bereich II, so wird mit einer kurzen Reaktionszeit das Ausgangssignal "Strömung vorhanden" ausgegeben, gleichzeitig die Heizleistung des Heizelementes erhöht und somit das Strömungssignal im Bereich des Schaltpunktes gehalten, wo­ durch, wie bereits erläutert, eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit gewährleistet ist. Nimmt nun die Strömung wieder ab und gelangt somit in den Bereich des Strömungs­ stillstandes, hier Bereich III, so erhält man mit einer kurzen Reaktionszeit das Aus­ gangssignal "Strömungsstillstand". Entsprechend wird nunmehr wieder die Heizlei­ stung des Heizelementes gesenkt.

In dem in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Gefahr, daß das Verfahren aufgrund der Umschaltung der Heizleistung zu einer Schwingung des Ausgangssignal in Eigenresonanz führt. Eine erste Möglichkeit dieses Problem zu umgehen besteht darin, daß die Veränderung der Heizleistung des Heizelementes mit einer vorgegebenen Verzögerung nach der Ände­ rung des Ausgangssignals erfolgt. Diese Möglichkeit ist in der Zeichnung nicht dar­ gestellt.

In dem in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird die Heizleistung des Heizelementes im Bereich IV stetig gesenkt, um zu verhindern, daß das Verfahren zu einer Schwingung des Ausgangssignals in Eigenresonanz führt. Die Veränderung der Heizleistung beim Übergang vom Zustand "Strömungsstillstand" zum Zustand "Strö­ mung vorhanden" kann hingegen unstetig erfolgen, da die thermische Trägheit hier ausreicht, um eine Eigenresonanz zu verhindern. Jedoch kann auch für diesen Fall eine stetige Erhöhung der Heizleistung, z. B. bei starken relativen Änderungen der Heizleistung und bei geringen Geschwindigkeiten der Strömungsänderung, die Ten­ denz zur Eigenresonanz reduzieren.

In Fig. 4 der Zeichnung ist eine Schaltung zur Verwirklichung des ersten Ausfüh­ rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Bei der Schaltung 1 sind ein Temperaturmeßelement 2 und ein Heizelement 3 als gemeinsame Baueinheit 4 ausgeführt. Diese Baueinheit 4 ist über einen Meßausgang mit einer Signalauswerte- und Anzeigeeinheit 5 verbunden. An der Signalauswerte- und Anzeigeeinheit 5 liegt eine Versorgungsspannung UB an. Die Signalauswerte- und Anzeigeeinheit 5 ist di­ rekt mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 6 und über einen ersten Widerstand 7 mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 6 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 6 steuert einen parallel zu ei­ nem zweiten Widerstand 8 angeordneten Transistor 9, dessen Emitter mit dem Pluspol der Versorgungsspannung UB verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 9 und der zweite Widerstand sind einerseits mit dem Heizelement 3 und andererseits über einen Kondensator 10 mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden. Außerdem ist parallel zum ersten Widerstand 7 eine Diode 11 geschaltet, die mit ihrer Anode mit dem Kondensator 10 verbunden ist.

Das in Fig. 3 dargestellte erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist in Fig. 5 im Vergleich mit einem bekannten Verfahren in einer anderen Sicht­ weise dargestellt. In Fig. 5a) sind die Meßsignale unterschiedlicher Verfahren, bei in Fig. 5b) dargestellter wechselnder Strömung in Abhängigkeit der Zeit dargestellt. Hier sei angemerkt, daß ein Meßsignal, wie es in Fig. 5a) dargestellt ist, sich von ei­ nem Strömungssignal wie es in Fig. 3 dargestellt ist, nur durch das Vorzeichen unter­ scheidet.

Zunächst soll der in Fig. 5b) oben dargestellte Fall betrachtet werden, daß sich die Strömung vom Strömungsstillstand zum Zeitpunkt t₁ auf die Nennströmung, Ge­ schwindigkeit der Strömung V=1, erhöht. Für ein erstes bekanntes Verfahren ist in Fig. 5a) der entsprechende Meßsignalverlauf durch eine doppelstrichpunktierte Linie dargestellt. Man erkennt deutlich, daß der Schaltpunkt S von dieser doppelstrich­ punktierten Linie erst zu einem relativ späten Zeitpunkt t₄ unterschritten wird. Somit wird, wie in Fig. 5d) oben dargestellt, erst mit großer Zeitverzögerung ein Ausgangs­ signal "Strömung vorhanden" ausgegeben. Bei einem zweiten bekannten Verfahren, dessen Meßsignal durch die strichdoppelpunktierte Linie dargestellt ist, wird, wie auch bereits anhand von Fig. 1 erläutert, eine deutlich geringere Reaktionszeit erzielt.

Betrachtet man nun weiter den in Fig. 5b) unten dargestellten Fall, daß die Strömung zum Zeitpunkt t₁ von Nennströmung auf Strömungsstillstand, V=0, absinkt, so be­ schreibt die in Fig. 5a) lang gestrichelte Linie das Meßsignal des ersten bekannten Verfahrens. Man erkennt hier, daß in diesem Fall das erste bekannte Verfahren eine kurze Reaktionszeit aufweist. Hingegen kann man an dem in Fig. 5a) sehr kurz ge­ strichelt dargestellten Meßsignal des zweiten bekannten Verfahrens ablesen, daß die­ ses erst mit deutlicher Verzögerung, zum Zeitpunkt t₅, ein Ausgangssignal "Strö­ mungsstillstand" liefert. Das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens liefert hingegen, wie anhand der durch die gestrichelte und die durchgezo­ gene Linie dargestellten Meßsignale in Fig. 5a) gezeigt, sowohl bei Strömungsan­ stieg als auch bei Strömungsabfall mit sehr kurzen Reaktionszeiten, zum Zeitpunkt t₂, ein entsprechendes Ausgangssignal, wie in Fig. 5c) oben und unten dargestellt. Die Reaktionszeit beim Strömungsabfall kann, wie anhand des in Fig. 5a) durch das strichpunktiert dargestellte Meßsignal gezeigt, durch eine Erhöhung der Heizleistung beim Ausgangssignal "Strömung vorhanden" weiter gesenkt werden. Eine solche Er­ höhung der Heizleistung ist unproblematisch, da es aufgrund der Absenkung der Heizleistung bei Unterschreiten des Schaltpunktes nicht zu einer Überhitzung des Heizelementes kommen kann.

Die Notwendigkeit, bei dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens eine Veränderung der Heizleistung im wesentlichen stetig vorzunehmen wird nun anhand von Fig. 6 weiter verdeutlicht. In Fig. 6 sind der besseren Anschaulich­ keit wegen lineare Signalverläufe angenommen.

In Fig. 6 zeigt die strichpunktierte Linie den Fall, daß die Strömungsgeschwindigkeit konstant ist und ab dem Zeitpunkt t₂ die Heizleistung geändert wird. Dagegen zeigt die durchgezogene Linie die Veränderung des Meßsignals, wenn die Heizleistung konstant bleibt und sich die Strömungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt t₁ ändert. Der besseren Anschaulichkeit halber ist die strichpunktierte Linie an dem Schaltpunkt S gespiegelt als gestrichelte Linie dargestellt. Die Differenz der Werte der durchgezo­ genen Linie und der gestrichelten Linie ergibt die resultierende sehr kurz gestrichelte Linie, die im Interesse schnelle Reaktionszeiten möglichst nah an dem Schaltpunkt S liegen sollte, d. h. der Abstand D zwischen dem als sehr kurz gestrichelte Linie darge­ stellten Meßsignal und dem Schaltpunkt S sollte möglichst minimal sein. Unterschrei­ tet die sehr kurz gestrichelte Linie zum Zeitpunkt t₂ den Schaltpunkt S, so muß durch eine entsprechende zeitliche Steuerung, z. B. eine Verzögerung der Heizleistungsän­ derung oder eine rampenförmige Heizleistungsänderung vermieden werden, daß die sehr kurz gestrichelte Linie wieder den Schaltpunkt S in entgegengesetzter Richtung überschreitet, so daß eine Schwingung des Ausgangssignals auftritt. Wie in Fig. 6a) bis c) dargestellt, kann ein solches unerwünschtes Schwingen des Ausgangssignals auch bei einer zeitlichen Verzögerung der Veränderung der Heizleistung oder einer rampenförmigen Veränderung der Heizleistung dann auftreten, wenn die Strömung, wie in Fig. 6b) dargestellt, zeitweise einen Wert zwischen der Nennströmung und Strömungsstillstand annimmt.

Um die Umstände näher zu erläutern, die zu einer unerwünschten Schwingung des Ausgangssignals führen können, soll zunächst anhand von Fig. 7 die Abhängigkeit des Meßsignals von der Geschwindigkeit der Strömung und der Temperatur des Heizelementes betrachtet werden. In Fig. 7 ist die Abhängigkeit des Meßsignals von der Geschwindigkeit der Strömung für zwei Heizleistungen P=1 und P=0,5 darge­ stellt. Bei realen Strömungswächtern liegen diese Heizleistungen im Bereich von ca. 100 bis 1000 mW. Man erkennt in Fig. 7 deutlich, daß die Kurve des Meßsignals bei der höheren Heizleistung auf insgesamt höherem Niveau verläuft. Entscheidend für die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit bei der Ausgabe des Ausgangssignals ist das höhere Niveau des Meßsignals bei der höheren Heizleistung und einer Strö­ mung in Höhe der Nennströmung. Diese höhere Niveau setzt sich zusammen aus dem größeren Offsets U_Off1 bei der Heizleistung P=1 gegenüber dem Offsets U_Off0,5 bei der Heizleistung P=0,5 bei Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb der sogenannten Grenzströmungsgeschwindigkeiten V_max einerseits und andererseits der Tatsache, daß die Grenzströmungsgeschwindigkeit bei niedrigerer Heizleistung P=0,5, V_max0,5, nur knapp über der Geschwindigkeit der Nennströmung liegt, während die Grenz­ strömungsgeschwindigkeit bei höherer Heizleistung P=1, V_max1, deutlich über der Geschwindigkeit der Nennströmung liegt.

In Fig. 8 sind nunmehr verschiedene Übergangsverläufe zwischen den beiden Meß­ signalverläufen für verschiedene Heizleistungen dargestellt. Die Übergangsverläufe beim Wechsel von P=1 hin zu P=0,5 sind in Fig. 8 sehr kurz gestrichelt dargestellt, während die Übergangsverläufe beim Wechsel von P=0,5 hin zu P=1 gestrichelt dar­ gestellt sind. Die in Fig. 8 dargestellten Übergangsverläufe werden beeinflußt durch die Heizleistungssteuerung, durch die Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums, durch die Änderung von Wärmeübergangswiderständen zwischen strömendem Medium und Heizelement bzw. Temperaturmeßelement und dadurch, daß der Heizleistungsnennwert nicht erreicht oder überschritten wird. Dies kann einerseits, wie in Fig. 6 dargestellt zu einem Schwingen des Ausgangssignals führen, oder andererseits, wie bei einigen Übergangsverläufen in Fig. 8 dargestellt, dazu führen, daß das Ausgangssignal vor Erreichen eines stabilen Zustandes mehr­ fach hin- und hergeschaltet wird.

Ein solches Schwingen oder zeitweises Hin- und Herschalten des Ausgangssignals kann dadurch vermieden werden, daß die Veränderung der Heizleistung abhängig von der Temperatur am Temperaturmeßelement geregelt wird.

In Fig. 9, die im wesentlichen Fig. 5 entspricht, ist in Fig. 9a) mit der strichpunktierten Linie der Verlauf eines Meßsignals dargestellt, bei dem unterschiedliche Einflüsse zu einem unregelmäßigen Verlauf des Meßsignals führen. Bei dem in Fig. 9a) als strich­ punktierte Linie dargestellten Meßsignal ergeben sich somit unzulässig große Varia­ tionen des Abstands D des Meßsignals vom Schaltpunkt S. Diese Variationen lassen sich durch eine Regelung der Heizleistung abhängig von der Temperatur am Tempe­ raturmeßelement vermeiden.

Bei einer Regelung der Heizleistung abhängig von der Temperatur am Temperatur­ meßelement muß beachtet werden, daß die Veränderung der Heizleistung abhängig vom Ausgangssignal nur in einer Richtung erfolgt. Nur so kann gewährleistet wer­ den, daß der Schaltpunkt S wieder überschritten werden kann.

Die Regelung der Heizleistung abhängig von der Temperatur am Temperaturmeßele­ ment erfolgt besonders vorteilhaft dergestalt, daß die Veränderung der Heizleistung einen im wesentlichen gleichen Abstand D zwischen Schaltpunkt S und Meßsignal gewährleistet. So ist eine stets gleichbleibende kurze Reaktionszeit auf Änderungen der Strömung gewährleistet.

Um das Heizelement nicht zu überlasten, bzw. um die Temperaturerhöhung des strö­ menden Mediums durch das Heizelement nicht so weit abzusenken, daß eine Tempe­ raturänderung des strömenden Mediums als Änderung der Strömung erkannt wird, ist es sinnvoll, daß die Veränderung der Heizleistung innerhalb vorgegebener Grenzen erfolgt.

Wie stark die relative Änderung der Heizleistung des Heizelementes ist, ist davon ab­ hängig, wie groß die erwarteten relativen Strömungsdifferenzen sind. Dabei ist zu be­ achten, daß die relative Änderung der Heizleistung um so geringer wird, je geringer die erwarteten relativen Strömungsdifferenzen sind. Wird dieses nicht beachtet, so neigt der Strömungswächter wiederum zur Eigenresonanz, d. h. der Schaltausgang ändert seinen Zustand periodisch, ohne das eine Änderung der Strömung vorliegt. Insbesondere bei Anwendungen von Strömungswächtern in Werkzeugmaschinen, d. h. bei Anwendungen, bei denen nur zwischen tatsächlichem Strömungsstillstand und maximaler Strömung unterschieden wird, hat sich ein Wert von 50% für die relative Änderung der Heizleistung als vorteilhaft erwiesen.

Alternativ oder kumulativ zur Veränderung der Heizleistung des Heizelements ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß für den Fall einer relativ hohen Temperatur am Temperaturmeßelement - Ausgangssignal "Strömungs­ stillstand" - die Lage des Schaltpunktes hin zu höheren Werten verändert wird (S_H) und für den Fall einer relativ niedrigen Temperatur am Temperaturmeßelement - Aus­ gangssignal "Strömung vorhanden" - die Lage des Schaltpunktes hin zu niedrigeren Werten verändert wird (S_N). Durch die geschilderte alternative Ausgestaltung des er­ findungsgemäßen Verfahrens wird im wesentlichen die gleiche Reduzierung der Re­ aktionsgeschwindigkeit des Ausgangssignals auf Veränderungen der Strömung des strömenden Mediums erreicht, wie bei der zuerst geschilderten Alternative, der Ver­ änderung der Heizleistung.

Die alternative Verwirklichung der Veränderung der Lage des Schaltpunktes ist in Fig. 10 in einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dar­ gestellt. Fig. 10b) bis d) zeigen wie in den Fig. 5 und 9 das Verhalten der Strö­ mung, das Ausgangssignal des dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemä­ ßen Verfahrens und das Ausgangssignal gemäß einem bekannten Verfahren. In Fig. 10a) ist dargestellt, wie die Veränderung der Lage des Schaltpunktes S hin zu S_H bzw. S_N erfolgen kann, so daß eine deutliche Erhöhung der Reaktionsgeschwindig­ keit auf eine Veränderung der Strömung des strömenden Mediums gewährleistet ist.

Analog zu der ersten Alternative der Veränderung der Heizleistung, ist die zweite Al­ ternative dadurch vorteilhaft ausgestaltet, daß die Veränderung der Lage des Schalt­ punktes S mit einer vorgegebenen Verzögerung nach der Änderung des Ausgangssi­ gnals erfolgt. Hierdurch ist gewährleistet, daß das Ausgangssignal nicht zum Schwin­ gen neigt.

Alternativ oder kumulativ zur Verzögerung der Veränderung der Lage des Schalt­ punktes ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Schaltpunktes im wesentlichen stetig hin zu niedrigeren Werten und/oder im we­ sentlichen stetig hin zu höheren Werten verändert wird. Auch durch diese Maß­ nahme, insbesondere die rampenförmige Änderung des Schaltpunktes, wird die Nei­ gung des Ausgangssignals zu Schwingungen vermindert.

Eine optimale Überwachung des Strömungszustands in Verbindung mit einer redu­ zierten Neigung des Ausgangssignals zu Schwingungen wird dadurch gewährleistet, daß die Veränderung der Lage des Schaltpunktes S abhängig von der Temperatur am Temperaturmeßelement geregelt wird.

Um bei der Regelung der Lage des Schaltpunktes S abhängig von der Temperatur am Temperaturmeßelement zu gewährleisten, daß der Schaltpunkt S bei einer Änderung der Strömung hin zu dem vom Ausgangssignal angezeigten Strömungswerten abwei­ chenden Strömungswerten zu gewährleisten, ist das erfindungsgemäße Verfahren da­ durch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Lage des Schaltpunktes S abhängig von dem Ausgangssignal nur in einer Richtung erfolgt.

Insbesondere erfolgt die Veränderung der Lage des Schaltpunktes S dadurch vorteil­ haft, daß sie einen im wesentlichen gleichen Abstand zwischen Schaltpunkt S und Meßsignal gewährleistet, so daß eine stets gleiche Reaktionszeit bei einer Änderung der Strömung des strömenden Mediums gewährleistet ist.

Aus den gleichen Gründen wie bei der Veränderung der Heizleistung ist es vorteil­ haft, daß die Veränderung der Lage des Schaltpunktes S innerhalb vorgegebener Grenzen erfolgt.

Wie bereits angesprochen ist es möglich und vorteilhaft die Änderung der Heizlei­ stung des Heizelementes und die Änderung der Lage des Schaltpunktes S abhängig vom Ausgangssignal kumulativ zu verwirklichen. Vorteilhaft ist die kumulative Ver­ wirklichung insbesondere dann, wenn mit einer hohen Nennströmungsgeschwindig­ keit gearbeitet wird, für die normalerweise eine entsprechend höhere Heizleistung er­ forderlich ist. Bei einer kumulativen Verwirklichung der Heizleistungsumschaltung und der Veränderung der Lage des Schaltpunktes S ist es auch bei hohen Nennströ­ mungsgeschwindigkeiten möglich, übliche Heizleistungen zu wählen, so daß eine un­ erwünschte Erhöhung der Heizleistung vermieden werden kann und gleichzeitig der Abstand D zwischen dem Meßsignal und dem Schaltpunkt S nicht größer wird. Ei­ nem Strömungswächter der kumulativ die Heizleistungsumschaltung als auch die Veränderung der Lage des Schaltpunktes S abhängig vom Ausgangssignal realisiert ist es also möglich, einen weitaus größeren Bereich der Nennströmungsgeschwindig­ keiten des zu überwachenden strömenden Mediums abzudecken.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiter vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß bei einem einen vorgegebenen Wertebereich unter- oder überschreitenden Abstand zwi­ schen Meßsignal und Schaltpunkt S ein Störsignal - "unsicherer Bereich" - ausgege­ ben wird. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ist sowohl bei statisch arbeitenden Strömungswächtern als auch bei dynamisch arbeitenden Strömungswächtern vorteil­ haft, da ein zu kleiner oder zu großer Wert für den Abstand D zwischen dem Meßsi­ gnal und dem Schaltpunkt S erkannt wird, der auf einem internen oder externen Fehler, z. B. einer ungeeigneten Heizleistungssteuerungskurve oder Abweichungen von den vorgegebenen zeitlichen Strömungsgeschwindigkeitsänderungen beruht, so daß man rechtzeitig Gegenmaßnahmen treffen kann, bevor ein falsches Ausgangssi­ gnal oder ein schwingendes Ausgangssignal ausgelöst wird. Solche Wertebereiche sind exemplarisch in Fig. 5a) dargestellt. In Fig. 5a) wird der obere Wertebereich "zulässiger" Meßsignale durch die Grenzschaltpunkte S_o und S_o′ begrenzt, während der untere Wertebereich durch die Grenzschaltpunkte S_u und S_u′ begrenzt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das erfindungsgemäße Verfahren da­ durch, daß ein eine vorgegebene Zeitdauer nicht überschreitendes Störsignal - "unsi­ cherer Bereich" - nicht ausgegeben wird. Hierdurch wird insbesondere bei dynamisch arbeitenden Strömungswächtern eine dauernde Ausgabe des Störsignals bei Über- oder Unterschreiten des Schaltpunktes vermieden.

Claims (20)

1. Verfahren zur Überwachung der Strömung strömender Medien, insbesondere zur Erfassung der Wärmetransportkapazität des strömenden Mediums, bei welchem ein Meßsignal eines von mindestens einem Heizelement und dem vorbeiströmenden Me­ dium beeinflußten Temperaturmeßelements überwacht wird und bei welchem beim Über- oder Unterschreiten eines Schaltpunktes durch das Meßsignal des Tempera­ turmeßelements ein Ausgangssignals erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung des Heizelementes und/oder die Lage des Schaltpunktes abhängig vom Ausgangssignal geändert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall einer relativ hohen Temperatur am Temperaturmeßelement - Ausgangssignal "Strömungsstillstand" - die Heizleistung gesenkt wird und für den Fall einer relativ niedrigen Temperatur am Temperaturmeßelement - Ausgangssignal "Strömung vorhanden" - die Heizleistung erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Heizleistung des Heizelementes mit einer vorgegebenen Verzögerung nach der Änderung des Ausgangssignals erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung im wesentlichen stetig erhöht und/oder im wesentlichen stetig gesenkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung rampenförmig verändert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Heizleistung abhängig von der Temperatur am Temperaturmeßele­ ment geregelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Heizleistung abhängig vom Ausgangssignal nur in einer Richtung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Heizleistung einen im wesentlichen gleichen Abstand zwischen Schaltpunkt und Meßsignal gewährleistet.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Heizleistung innerhalb vorgegebener Grenzen erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Änderung der Heizleistung um so geringer wird, je geringer die erwarteten relativen Strö­ mungsdifferenzen sind.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Änderung der Heizleistung vorzugsweise 50% beträgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall einer relativ hohen Temperatur am Temperaturmeßelement - Ausgangssignal "Strömungsstillstand" - die Lage des Schaltpunktes hin zu höheren Werten verändert wird und für den Fall einer relativ niedrigen Temperatur am Temperaturmeßelement - Ausgangssignal "Strömung vorhanden" - die Lage des Schaltpunktes hin zu niedri­ gen Werten verändert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Lage des Schaltpunktes mit einer vorgegebenen Verzögerung nach der Änderung des Ausgangssignals erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Schaltpunktes im wesentlichen stetig hin zu niedrigeren Werten und/oder im wesent­ lichen stetig hin zu höheren Werten verändert wird.

15. Verfahren nach einem Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ änderung der Lage des Schaltpunktes abhängig von der Temperatur am Temperatur­ meßelement geregelt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Lage des Schaltpunktes abhängig von dem Ausgangssignal nur in einer Richtung er­ folgt.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verände­ rung der Lage des Schaltpunktes einen im wesentlichen gleichen Abstand zwischen Schaltpunkt und Meßsignal gewährleistet.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Lage des Schaltpunktes innerhalb vorgegebener Grenzen erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem einen vorgegebenen Wertebereich unter- oder überschreitenden Abstand zwi­ schen Meßsignal und Schaltpunkt ein Störsignal - "unsicherer Bereich" - ausgegeben wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine vorgegebene Zeitdauer nicht überschreitendes Störsignal - "unsicherer Bereich" - nicht ausgege­ ben wird.