DE19845462A1

DE19845462A1 - Verfahren zur Bestimmung des Wärmeüberganges insbesondere zur Bestimmung des Strömungszustandes eines fließenden Mediums

Info

Publication number: DE19845462A1
Application number: DE19845462A
Authority: DE
Inventors: Guenther Weber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2000-04-06
Also published as: US6539791B1

Description

Stand der Technik

Nach einem kalorimetrischen Prinzip arbeitende Strömungssensoren gewinnen in industriellen Anwendungen ständig an Bedeutung. Das kalorimetrische Prinzip beruht darauf, daß ein der zu überwachenden Strömung ausgesetzter Thermistor erwärmt wird, wobei die Abkühlung durch die Strömung eine von der Geschwindigkeit der Strömung abhängige Widerstandsveränderung herbeiführt die zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ausgewertet wird. Thermistor wird hier als Definition für jede Art von temperaturabhängigem Element verwand welches sich zur Messung einer Temperatur eignet.

Da die Temperaturänderung des beheizten Thermistors sowohl durch eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit, als auch durch eine Änderung der Medientemperatur erfolgen kann, müssen besondere Maßnahmen getroffen werden um eine eindeutige Zuordnung der Widerstandsänderung zur Strömungsgeschwindigkeit vornehmen zu können.

Um vorstehende Forderung zu erfüllen gelangen unterschiedliche Prinzipien zur Anwendung. Das am meisten verbreitete ist das, daß zwei Thermistoren verwendet werden, ein geheizter zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und ein zweiter, unbeheizter Thermister, zur Bestimmung der Medientemperatur. Da prinzipgemäß beide Thermistoren den gleichen TK besitzen bleibt das Verhältnis der beiden Thermistoren zu einander unabhängig von der Medientemperatur konstant, solange die Strömungsgeschwindigkeit konstant bleibt. Somit ändert sich das zur Signalauswertung genommene Verhältnis der beiden Thermistoren nur bei Änderung der Strömungsgeschwindigkeit.

Strömungssensoren die nach vorbeschriebenen Prinzip arbeiten sind einfach herzustellen und sind weit verbreitet.

Begrenzungen und Probleme der bekannten Technik

Das Problem dieser vorbeschriebenen Sensoren liegt in der konstruktiven Anordnung des als Referenzsensor dienenden, unbeheizten Thermistors.

Insbesondere bei Geräten die z. B. durch Einschrauben in eine Rohrleitung eingetaucht werden ergibt sich dieses Problem in besonderem Maße. Wenn die Medientemperatur eine andere ist als die Umgebungstemperatur der Rohrleitung, dann ergibt sich über das Sensorgehäuse ein Temperaturgefälle zwischen Medium und der Umgebungstemperatur. Aus diesem Grunde sollten prinzipgemäß die beiden Thermistoren möglichst dicht beieinander angeordnet sein um - der Kompensation wegen - der gleichen Temperatur ausgesetzt zu sein. Dieses führt jedoch zu einem Wärmestrom von der Heizquelle zu dem der Temperaturkompensation dienenden Referenz-Thermistor, also zu einer Temperaturdifferenz zwischen Mediumtemperatur und der Temperatur des Referenz-Thermistors.

Aus diesem Grunde sollten die beiden Thermistoren möglichst weit von einander entfernt angeorndet werden, was wiederum aufgrund des vorbeschriebenen Temperaturgradienten zwischen Mediumtemperatur und Umgebungstemperatur ebenfalls zur Verfälschung der benötigten Referenztemperatur führt. Beide Verfahren führen zu der bekannten, unzulässigen Verfälschung des Sensorsignales.

Die vorbeschriebene Situation ist der Grund dafür, daß Strömungssensoren der vorbeschriebenen Art nur dann zuverlässig arbeiten, solange die Medientemperatur gleich der Umgebungstemperatur ist. Je mehr beide voneinander abweichen, je größer wird bei den vorbeschriebenen, dem heutigen Stand der Technik repräsentierenden Geräten, der Fehler des Sensorsignales. Dieses führt oft dazu, daß derartige, zumeist als Strömungswächter arbeitende Geräte, Fehlsignale abgeben wenn die Mediumtemperatur von der umgebenden Raumtemperatur abweicht.

Entsprechend dem derzeitigen Stand der Technik werden üblicherweise Strömungssensoren der vorbeschriebenen Art mit einer Brückenschaltung realisiert, in der der als Strömungssensor dienende, beheizte Thermistor in Serie zu dem unbeheizten, als Referenzsensor dienenden Thermistor liegt. Abb. 1.

Die Verwendung einer Brückenschaltung hat den Vorteil einer großen Signalausbeute, führt jedoch bei den bekannten Schaltungen zu den erwähnten Problemen.

Erfindungsgemäße Lösung der bekannten Probleme

Die nachstehend beschriebene Erfindung löst das vorbeschriebene Problem durch eine neuartige Schaltungsanordnung die es ermöglicht Strömungssensoren der vorbeschriebenen Art mit nur einem Thermistor auszuführen.

Erfindungsgemäß wird eine Brückenschaltung verwendet in der eine Anordnung enthalten ist, die die Brückenspannung bei sich ändernder Medientemperatur konstant hält.

Dieses läßt sich z. B. dadurch erzielen, daß in dem den Messensor gegenüberliegenden Brückenteil eine Regelanordnung installiert ist die jede Änderung des Thermistors ausregelt, so daß die Brückenspannung konstant bleibt.

Ein Ausführungsbeispiel zeigt Abb. 2 in der ein Transistor diese Regelfunktion übernimmt.

Ohne zusätzliche, weitere Maßnahmen kann jedoch eine derartige Anordnung kein von der Strömungsgeschwindigkeit abhängiges Signal abgeben, da jede Widerstandsänderung des Messensors durch den Regelkreis wieder ausgeglichen würde. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß zusätzlich zu der erwähnten Anordnung anstelle der sonst üblichen Konstantheizung des Thermistors eine pulsförmige, periodische Heizung eingeführt. Weiter wird erfindungsgemäß die Regelfunktion der Regelanordnung in Abhängigkeit von dem Heizpuls so gesteuert, daß kein Ausregeln der durch den Heizpuls verursachten Veränderung des Thermistorwiderstandes erfolgt.

Eine mögliche Ausführung dieser Erfindung ist die, daß die Regelanordnung mit einem Zeitglied versehen wird welches die Regelzeitkonstante bestimmt. Diese ist so dimensioniert, daß diese größer ist als die Pulszeit des Heizpulses.

Die Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem PTC als temperaturabhängigen Widerstand. Durch den periodisch erfolgenden Heizpuls wird der Widerstand des PTCs durch die dadurch erfolgte Erwärmung größer und die Brückenspannung in diesem Zweig positiver gegenüber dem anderen Brückenzweig, da eine Nachregelung der Brückenspannung durch das RC-Glied verhindert wird.

Der den Heizwiderstand steuernde Pulsgenerator ist nicht dargestellt.

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, daß die Regelanordnung für die Dauer des Heizpulses, gesteuert durch den Heizpuls, außer Betrieb gesetzt wird. Auf diese Weise wird der Temperaturwert der unmittelbar vor dem Heizpuls vorhanden ist für die Dauer des Heizpulses "eingefroren".

Mit der vorbeschriebenen Anordnung ergeben sich dann in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums die in Abb. 3 dargestellten Verhältnisse. Die vorbeschriebene, erfindungsgemäße Anordnung hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine Reihe wesentlicher Verbesserungen und Vorteile:

- Es wird nur ein Thermister benötigt. Dadurch entfällt sowohl das bekannte Problem der konstruktiven Anordnung der beiden Thermistoren, als auch das ebenfalls bekannte Problem der nur begrenzten Temperaturkompensation das durch Abweichungen im Temperaturgleichlauf der beiden Thermistoren besteht.
- Dadurch daß die zur Signalerzeugung benötigte Heizung des Thermistors pulsförmig erfolgt, kann eine erheblich größere Heizleistung verwand werden als bei der üblichen Dauerheizung. Hierdurch ist es möglich erheblich größere Signale zu erzeugen und dadurch sowohl den Meßbereich, als auch die Meßgenauigkeit wesentlich gegenüber der bekannten Technik zu erweitern und zu erhöhen.
- Die Reduzierung der Anordnung auf nur einen Thermistor ermöglicht die Realisierung von Sensoren mit kleinen Durchmessern und geringer Abmessung, wie sie nach den bekannten Verfahren nicht möglich sind.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung und/oder Messung der Strömung strömender Medien, insbesonder zur Messung des Wärmeüberganges zu einem strömenden Medium bei welchem mindestens ein Heizelement verwand wird und bei dem durch den die Mediumtemperatur bestimmenden Wert eines ungeheizten Temperaturmeßelementes mit dem sich durch den Abkühlungseffekt der Strömung ergebenden Warmwiderstand des gleichen, geheizten Temperaturmeßelementes verglichen wird, wobei die Erwärmung des gleichen geheizten Temperaturmeßelementes durch periodische Heizung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein periodisch, pulsförmig geheiztes Temperaturmeßelement Teil einer Brückenschaltung ist in der ein Regelelement dafür sorgt, daß sich Änderungen der Mediumtemperatur das durch den Heizpuls erzeugte Signal nicht beeinflussen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sich die Regelanordnung in Serie zu dem Temperaturmeßelement befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sich die Regelanordnung im dem dem Temperaturmeßelement gegenüberliegendem Brückenzweig befindet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt des anderen Brückenzweiges als Referenz für den aus Temperaturmeßelement und Regelanordnung bestehenden Brückenzweiges genommen wird, so daß die Brückenspannung null wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die sich ohne Heizpuls ergebende Brückenspannung die entgegengesetzte Polarität besitzt, als die die sich durch den Heizpuls ergibt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Regelelement aus einem Transistor besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Regelelement aus einem Operationsverstärker besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Regelelement aus einer Konstantstromquelle besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Regelelement aus einer Konstantspannungsquelle besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Regelelement aus einem Mikroprozessor besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Regelzeitkonstante der Regelanordnung durch die die Widerstandverhältnisse der Brücke - mit Ausnahme des Thermistors - während der Meßzeit konstantgehalten werden einem RC Element besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Regelzeitkonstante der Regelanordnung durch die die Widerstandverhältnisse der Brücke - mit Ausnahme des Thermistors - während der Meßzeit konstantgehalten werden aus einer Mikroprozessoranordnung besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß durch den Heizpuls das Regelelement so gesteuert wird, daß während der Heizzeit keine Regelung erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung digital ausgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß der Heizpuls digital erzeugt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der beschriebenen Brückenanordnung als Digitalwerte in Rechenspeicher eingeschrieben werden und sowohl das das Signal bestimmende Brückenverhältnis, als auch die Zeitkonstante der Regelanordnung durch einen Mikroprozessor rechnerisch ermittelt werden.