DE19948135B4

DE19948135B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Massenstroms eines Mediums

Info

Publication number: DE19948135B4
Application number: DE19948135A
Authority: DE
Inventors: Peter Fink; Otmar Stecher; Eberhard Weidner
Original assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Current assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 1999-10-06
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: DE19948135A1

Abstract

Verfahren zur Messung des Massenstroms ( ? ) eines Mediums (M), bei dem ein vom Medium (M) umströmtes, zyklisch abwechselnd mit einem Heizstrom (1_H) während einer Heizphase (t_H) und mit einem vergleichsweise niedrigen Messstrom (I_M) während einer Messphase (t_M) beaufschlagtes erstes Sensorelement (SE1) auf eine oberhalb der Mediumstemperatur (?_M) liegende Übertemperatur (Δ?) eingestellt wird, wobei die Zeitdauer der Messphasen (t_M) zwischen den Heizphasen (t_H) jeweils gleich ist,
– bei dem die Differenz zwischen einer mittels des ersten Sensorelementes (SE1) in einer Messphase (t_M) erfassten Sensortemperatur (?_H) und der mittels eines zweiten Sensorelementes (SE2) erfassten Mediumstemperatur (?_M) als eine Ist-Übertemperatur (xΔ?) ermittelt wird,
– bei dem aus einer Abweichung dieser Ist-Übertemperatur (x_Δ?) von einer entsprechenden, vorgebbaren Soll-Übertemperatur (w_Δ?) eine Stellgröße (y) für die Stärke des Heizstroms (1_H) bestimmt wird, und
– bei dem die Übertemperatur (x_?) durch die Stärke des Heizstroms (I_H) geregelt und die zugehörige Heizleistung (P_H) als Maß für den Massenstrom (?) ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Massenstroms eines Mediums, bei dem ein vom Medium umströmtes und zyklisch mit einem Heizstrom sowie mit einem vergleichsweise niedrigen Messstrom beaufschlagtes erstes Sensorelement auf eine oberhalb der Mediumstemperatur liegende Übertemperatur eingestellt wird. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Medium ist insbesondere ein Gas, z. B. Luft. Es kann jedoch auch eine wässrige oder Viskoseflüssigkeit sein.
Bei einem aus der DE 37 10 224 A1 bekannten Verfahren zum Messen von Luftmassenströmen wird ein luftumströmtes Widerstandsmesselement während einer Heizphase auf eine Übertemperatur beheizt und in einer anschließenden Messphase wird die zwischen zwei vorgegebenen Temperaturschwellen liegende Abkühlzeit des Widerstandselements gemessen. Dazu wird das Widerstandselement während der Heizphase kontinuierlich mit einem Heizstrom beaufschlagt, der bei Erreichen einer oberen Temperaturschwelle auf einen vergleichsweise niedrigen Messstrom zurückgeschaltet wird, so dass sich das Widerstandselement bis auf eine vergleichsweise niedrige Temperaturschwelle abkühlt. Dabei wird die Zeitdauer der Abkühlung vom vorgegebenen oberen Temperaturschwellwert auf den ebenfalls vorgegebenen unteren Temperaturschwellwert erfasst und als Maß für den jeweiligen Luftmassenstrom herangezogen. Um das während der Abkühlphase erfasste Temperaturfenster in Bezug auf die Umgebungstemperatur stets konstant zu halten, wird mittels eines zusätzlichen Temperaturfühlers die jeweilige Umgebungstemperatur gemessen.
Dieses bekannte Verfahren nutzt den Effekt, dass die Zeitdauer der Abkühlung von der Größe des Luftmassenstroms abhängig ist. Da die als Maß für den Luftmassenstrom herangezogene Abkühlzeit mit abnehmendem Luftmassenstrom zunimmt ist dieses Verfahren für eine Vielzahl von Anwendungen zu langsam und zu undynamisch, so dass schnelle Massenstromänderungen nicht oder nur mit unzureichender Genauigkeit erfasst werden können.
Um einen Luftstrom mit vergleichsweise hoher Genauigkeit erfassen zu können, ist es aus der DE 43 31 722 A1 bekannt, den Luftmassenstrom mit einem Luftmengendetektor zu messen, der einen mit einem Heizstrom beaufschlagbaren Heizwiderstand und einen Messwiderstand aufweist. Ein zusätzlicher Sensor in Form eines temperaturabhängigen Widerstandes erfasst die Temperatur des zu messenden Luftstroms. Der Heizwiderstand und der temperaturabhängige Wärmefühlerwiderstand liegen – wie auch bei den aus der DE 28 49 870 A1 und aus der US 3,603,147 bekannten Anemometer-Schaltungen – in einer Widerstands-Brückenschaltung, mittels der der Heizstrom in Richtung auf eine konstante Temperatur des Heizwiderstandes eingestellt wird. Der dazu erforderliche Heizstrom wird erfasst und als Maß für den Luftstrom herangezogen.
Bei diesem bekannten, nach dem sogenannten kalorimetrischen Messprinzip arbeitenden Verfahren wird der Effekt genutzt, dass sich die Temperatur des Heizwiderstandes infolge dessen Wärmeabgabe an den vorbeiströmenden Luftstrom in Abhängigkeit von dessen Massenfluss oder -strom ändert. Die zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Heizwiderstandes erforderliche Heizleistung ist somit abhängig vom Massenstrom und kann daher zu dessen Bestimmung herangezogen werden. Die zur Realisierung dieses bekannten Messverfahrens erforderliche Erfassungs- und Auswerteschaltung ist jedoch besonders aufwendig, zumal getrennte und jeweils komplexe Schaltungen zur Steuerung und Auswertung des über den Messwiderstand und über den Heizwiderstand sowie über den weiteren Messwiderstand zur Temperaturmessung des Luftstroms geführten Stroms erforderlich sind.
Eine nach diesem kalorimetrischen Messprinzip arbeitende Vorrichtung zur thermischen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten ist auch bekannt aus DE 92 00 771 U1 . Dabei werden ebenfalls ein erster beheizbarer Temperaturfühler sowie ein zweiter Temperaturfühler eingesetzt, die vom strömenden Medium beaufschlagt sind. Der beheizbare Temperaturfühler ist wiederum aus einem elektrischen Heizelement und zusätzlich hierzu aus mehreren parallelgeschalteten Thermoelementen zur Messung der Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement und dem strömenden Medium aufgebaut. Zur Messung des Massenstroms wird die Temperaturdifferenz der beiden Temperaturfühler ausgewertet, während die Heizleistung konstant gehalten wird.
Diese zur druck- und temperaturkompensierten Erfassung des Massenstroms eines Mediums vorgesehene Vorrichtung liefert jedoch einerseits für viele Anwendungsfälle zu ungenaue Messergebnisse und ist andererseits zu undynamisch. Grund hierfür ist, dass sich die als Maß für den Massenstrom herangezogene Temperaturdifferenz bei einem sich rasch ändernden Massenstrom nicht schnell genug einstellen kann, was zu unerwünscht langen Ansprechzeiten führt. Infolge der dadurch bedingten Trägheit der bekannten Vorrichtung ist mit dieser eine hochdynamische Erfassung des Massenstroms praktisch nicht oder nur begrenzt möglich.
Aus der WO 89/01132 A1 ist ferner eine Vorrichtung zur Messung insbesondere der Geschwindigkeit, der Dichte oder des Drucks eines Mediums mittels eines Halbleiter-Sensors bekannt, der mit einem Heizstrom mit zur Messbereichsumschaltung oder zur Luftfeuchtigkeitskompensation veränderbarer Stromstärke beaufschlagbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem unter Vermeidung der genannten Nachteile eine Messung des Massenstroms eines Mediums mit möglichst hoher Messgenauigkeit und besonders hoher Messdynamik möglich ist. Des Weiteren soll eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung angegeben werden, die insbesondere fertigungstechnisch einfach realisierbar ist.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe ertindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bei diesem kalorimetrischen Messverfahren zur Erfassung des Massenstroms eines Mediums wird ein von diesem umströmtes und zyklisch mit einem Heizstrom sowie mit einem vergleichsweise niedrigen Messstrom beaufschlagtes erstes Sensorelement auf eine oberhalb der mit einem dem ersten Sensorelement gleichen zweiten Sensorelement erfassten Mediumstemperatur liegende Übertemperatur eingestellt. Dabei wird das erste Sensorelement in einem Taktzyklus mit vorgegebener Taktzeit in einer Anzahl von Heizphasen als Heizelement und in dazwischen liegenden Messphasen gleicher Zeitdauer als Messelement zur Ermittlung der Übertemperatur betrieben. Aus dem Heizstrom wird die dazu erforderliche Heizleistung ermittelt und als Maß für den Massenstrom ausgewertet.

Dazu wird ausgehend von der zyklischen Beheizung des ersten Sensorelements in auf eine Anzahl von Heizphasen jeweils folgenden Messphasen stets gleicher Zeitdauer aus einer Abweichung der Ist-Übertemperatur von einer Soll-Übertemperatur eine Stellgröße für den Heizstrom ermittelt. Die Ist-Übertemperatur wird aus der Differenz zwischen der mittels des ersten Sensorelements erfassten Sensortemperatur und der mittels des zweiten Sensorelements erfassten Mediumstemperatur ermittelt. Die Auswertung der zur Konstanthaltung der aus der Temperaturdifferenz zwischen der Sensortemperatur und der Mediumstemperatur ermittelten Übertemperatur erforderlichen Heizleistung erfolgt zweckmäßigerweise anhand einer Referenzkurve, die den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Massenstrom und der Heizleistung beschreibt.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei Anwendung des kalorimetrischen Messverfahrens zur thermischen Messung eines Massenstroms eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielt werden kann, wenn einerseits das Prinzip der konstanten Temperaturdifferenz zwischen der Mediumstemperatur und der bei diesem Messverfahren eingestellten Übertemperatur herangezogen wird, und wenn andererseits die dazu eingesetzten zwei Sensorelemente gleich, d. h. zumindest bezüglich deren thermischer Masse identisch sind. Dies ist in fertigungstechnisch besonders einfacher Weise dadurch erreichbar, dass das auf Übertemperatur aufzuheizende erste Sensorelement und das zweite Sensorelement jeweils den gleichen temperaturabhängigen Widerstand aufweisen, der dann beim ersten Sensorelement sowohl als Heizwiderstand als auch als Messwiderstand dient. Um dies zu erreichen, wird das entsprechende Sensorelement lediglich diskontinuierlich als Heizelement betrieben und dazu mit einem entsprechenden Heizstrom beaufschlagt, während zwischen den einzelnen Heizphasen dieses Sensorelement als Messelement eingesetzt und dazu mit einem entsprechend niedrigen Mess- oder Exitationsstrom betrieben wird.

Dabei wird die gewünschte Übertemperatur vorzugsweise regelungstechnisch eingestellt und konstant gehalten, indem während der Messphasen die aktuelle Sensortemperatur und damit die Ist-Übertemperatur erfasst und bei einer Abweichung von einer vorgebbaren Soll-Übertemperatur nachgestellt wird. Da die Zeitdauer der einzelnen Messphasen und vorzugsweise ebenso die Zeitdauer der einzelnen Heizphasen stets gleich ist, ist dieses Messverfahren hochdynamisch, da es von unterschiedlich langen Abkühlphasen, die sich aufgrund von Änderungen der Massenstromdichte und/oder der Strömungsgeschwindigkeit zwangsläufig ergeben, unabhängig ist. So sind bei Einsatz einer Abtastregelung mit digitalem Regelalgorithmus Umschaltfrequenzen aufeinanderfolgender Heiz- und Messphasen von mindestens 200Hz realisierbar.

Zur Erfassung der Ist-Übertemperatur wird zweckmäßigerweise nicht die gesamte Zeitdauer der einzelnen Messphasen genutzt. Vielmehr wird vorteilhafterweise zur Erfassung der Sensortemperatur während der oder jeder Messphase lediglich ein Abtastimpuls erzeugt, dessen Impulsdauer kürzer als die Zeitdauer der jeweiligen Messphase ist. Dadurch werden Ein- und Ausschwingvorgänge berücksichtigt. Die aufeinanderfolgenden Heiz- und Messphasen werden dabei zweckmäßigerweise in einem Taktzyklus mit konstanter Taktzeit erzeugt. Diese Taktzeit entspricht der Abtastzeit, mit der die Sensortemperatur in aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten erfasst wird. Die Abtastzeit bzw. die Taktzeit ist dabei die Summe der Zeitdauern einer Heizphase und einer darauf folgenden Messphase. Eine besonders hohe Dynamik des Messverfahrens wird daher insbesondere aufgrund der kleinen thermischen Zeitkonstante und der hohen Abtastrate erreicht.

Zur Aufrechterhaltung oder Konstanthaltung der Übertemperatur anhand der innerhalb der Messphasen erfassten Sensortemperatur und der kontinuierlich oder in diskreten Werten erfassten Mediumstemperatur wird vorteilhafterweise ein Regelalgorithmus mit Proportional-Integral-Charakteristik (PI-Regelung) und zusätzlicher Trapezintegration eingesetzt. Innerhalb der den Regelalgorithmus beschreibenden Beziehung berücksichtigt die Trapezintegration einen Integrationsanteil des vorhergehenden Abtastzeitpunktes. Dadurch wird die Stabilität der Regelung erhöht. Die Ausgangsgröße des Regelalgorithmus ist die von diesem ermittelte Stellgröße, die als Führungsgröße für den jeweils erforderlichen Heizstrom dient. Die Eingangsgröße des vom Regelalgorithmus beschriebenen Reglers ist dann die Regelabweichung zwischen der ermittelten Ist-Übertemperatur oder Ist-Temperaturdifferenz und einer vorgegebenen Soll-Übertemperatur bzw. Soll-Temperaturdifferenz.

Um den Ist-Wert der Sensortemperatur während einer Heizphase der Regelung für die Verarbeitung zur Verfügung zu stellen, arbeitet die Übertemperaturerfassung zweckmäßigerweise nach dem „Sample and Hold"-Prinzip. Dabei werden die mit der Abtastzeit aufeinanderfolgenden Messwerte des Sensorsignals des ersten Sensorelements, d. h. der jeweilige Ist-Wert der Sensortemperatur, nach Art einer Pufferung zwischengespeichert.

Eine übergeordnete Steuereinrichtung, beispielsweise ein Taktgenerator, gibt zweckmäßigerweise den Taktzyklus und somit die Taktzeit der einzelnen Heiz- und Messphasen sowie die zyklische Abarbeitung des Regelalgorithmus, d. h. die Abtastzeit und die Abtastzeitpunkte vor. Dabei wird zweckmäßigerweise das erste Sensorelement während der einzelnen Heizphasen an eine steuerbare Stromquelle geschaltet. Während der einzelnen Messphasen ist das Sensorelement lediglich an eine Konstantstromquelle geschaltet, deren Messstrom während der Heizphasen abgeschaltet ist. Die steuerbare Stromquelle liefert während der einzelnen Heizphasen in Abhängigkeit der vom Regler generierten Steuergröße den erforderlichen Heizstrom zur Einstellung der Übertemperatur des ersten Sensorelements. Dabei ist die Zeitdauer der Heizphasen im Vergleich zur Zeitdauer der Messphasen groß und beträgt beispielsweise 10ms bis 100ms. Die Zeitdauer der einzelnen Messphasen beträgt dann zweckmäßigerweise lediglich 1 ms bis 10ms. Die Impulsdauer der Abtastimpulse innerhalb der einzelnen Messphasen liegt dann zweckmäßigerweise im μs-Bereich. Der jeweilige Abtastimpuls wird dabei vorzugsweise nicht unmittelbar bei Beginn der jeweiligen Messphase, sondern erst nach einer kurzen Messverzögerungszeit oder Ansprechzeit erzeugt. Dadurch wird das Einschwingverhalten, insbesondere die Abklingzeit des Heizstroms und die Einschwingzeit von elektronischen Bauelementen zur Messwertbearbeitung, ausgeblendet.

Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der auf diesen rückbezogenen Unteransprüche.

Die Vorrichtung umfasst im Wesentlichen zwei gleiche, d. h. möglichst identische Sensorelemente. Wesentlich dabei ist, dass deren thermische Zeitkonstante gleich ist, so dass sich diese thermodynamisch praktisch identisch verhalten. Dazu weisen die beiden Sensorelemente jeweils lediglich einen einzelnen und beiden Sensorelementen gleichen temperaturabhängigen Widerstand auf, so dass bei einem gemeinsamen Masseanschluss ein aus beiden Sensorelementen aufgebauter Sensor insgesamt lediglich drei Anschlüsse erfordert.

Zur Auswertung der Sensorsignale der beiden Sensorelemente ist zweckmäßigerweise eine getaktete Regeleinrichtung zur Einstellung einer gegenüber der jeweiligen Mediumstemperatur stets konstanten Übertemperatur des zyklisch mit dem Heizstrom beaufschlagten Sensorelements vorgesehen. Die Regeleinrichtung liefert als Ausgangsgrößen die als Führungsgröße für eine steuerbare Stromquelle dienende Stellgröße, die gleichzeitig Eingangsgröße einer Auswerteeinrichtung ist. Der Auswerteeinrichtung ist außerdem als Eingangsgröße die von der Regeleinrichtung ermittelte Ist-Sensortemperatur zugeführt. Die Auswerteeinrichtung ermittelt anhand einer entsprechenden Widerstands/Temperatur-Kennlinie den der jeweiligen Sensortemperatur entsprechenden Widerstandswert und bestimmt daraus die Heizleistung P_H gemäß der Beziehung P_H = 1² ⋅ R, wobei I der jeweilige Heizstrom ist. Anhand einer Referenzkurve bestimmt die Auswerteeinrichtung den zum jeweiligen Wert der Heizleistung gehörenden Wert des Massenstroms. Die Referenzkurve liegt dabei in einem Referenzwertspeicher als Ergebnis einer Referenzmessung vor, wobei der funktionale Zusammenhang zwi schen dem Massenstrom und der Heizleistung rechnerisch oder empirisch ermittelt ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ausgehend vom kalorimetrischen Messprinzip einerseits durch den Einsatz von zwei Sensorelementen gleicher thermischer Zeitkonstante und andererseits durch den Einsatz einer Abtastregelung zur Einstellung einer konstanten Temperaturdifferenz zwischen der jeweiligen Mediumstemperatur und der vorgegebenen Übertemperatur die dazu erforderliche Heizleistung und somit der Massenstrom in einfacher Art und Weise besonders genau und hochdynamisch bestimmt werden kann.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch in einem Blockschaltbild die Regelstruktur einer Vorrichtung zur Messung des Massenstroms eines Mediums mit zwei identischen Sensorelementen,
2 in einer Diagrammdarstellung den Taktzyklus aufeinanderfolgender Heiz- und Messphasen (oberes Diagramm), den Abtastzyklus der Temperaturerfassung des geheizten Sensorelements (mittleres Diagramm) sowie den geregelten Heizstrom für dieses Sensorelement (unteres Diagramm), und
3 in einer Seitenansicht einen die beiden gleichen Sensorelemente umfassenden Sensor der Messvorrichtung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einem Blockschaltbild die Regelstruktur einer Regeleinrichtung 2 sowie eine Auswerteeinrichtung 4 einer Vorrichtung zur Erfassung oder Messung des Massenstroms in eines beispielsweise in einem Rohr strömenden Medi ums M mittels zweier Sensorelemente SE1 und SE2. Das zweite Sensorelement SE2, das in Form eines temperaturabhängigen Widerstandes ausgeführt ist oder einen solchen aufweist, ist über eine auch als Signalleitung dienende Stromleitung 6 an eine Konstantstromquelle 8 angeschlossen. Analog ist das ebenfalls als temperaturabhängiger Widerstand ausgeführte bzw. einen solchen aufweisende erste Sensorelement SE1 über eine ebenfalls als Signalleitung dienende Leitung 10 in der dargestellten Stellung eines Schalters 12 an eine steuerbare Stromquelle 14 und zusätzlich an eine Konstantstromquelle 16 angeschlossen. Nach Umschaltung des Schalters 12 ist das erste Sensorelement SE1 nur noch an die Konstantstromquelle 16 angeschlossen.
Die Zuschaltung des ersten Sensorelementes SE1 an bzw. dessen Abtrennung von der steuerbaren Stromquelle 14 erfolgt gemäß dem in 2 oberen Diagramm gezeigten Taktzyklus. Dessen Taktzeit T ist bestimmt durch die Zeitdauer t_H einer Heizphase und die Zeitdauer t_M einer daran anschließenden Messphase, mit T = t_H + t_M. Der Taktzyklus ist im in 2 oberen Diagramm in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Dabei ist einerseits die Zeitdauer t_H aufeinanderfolgender Heizphasen und andererseits die Zeitdauer t_M aufeinanderfolgender Messphasen stets gleich, wobei die Heizphasen länger sind als die Messphasen (t_H > t_M). Die Zeitdauer der Heizphasen ist dabei beispielsweise t_H = 100ms, während die Zeitdauer der Messphasen etwa t_M = 10ms beträgt.
Die Taktzeit T wird von einer der Regeleinrichtung 2 übergeordneten Steuereinrichtung 18 beispielsweise mit oder in Form eines Taktgenerators vorgegeben. Dazu weist die Steuereinrichtung 18 einen Taktausgang A zur Heiz- und Messphasensteuerung auf. Die Steuereinrichtung 18 weist einen weiteren Steuerausgang B zur Steuerung einer Anheizphase mittels eines PI-Reglers 20 der Regeleinrichtung 2 auf. Die Steuereinrichtung 18 gibt damit dem PI-Regler 20 während einer Anheizphase einen P-Faktor k_p vor. Dieser führt über den nachfolgend näher bezeichneten Regelalgorithmus zu einer entsprechend hohen Anfangsamplitude eines von der steuerbaren Stromquelle 14 zu liefernden Heizstroms I_H für das erste Sensorelement SE1.
Die Steuereinrichtung 18 weist zudem einen Steuerausgang C zur „Sample and Hold"-Steuerung eines beispielsweise als Multiplexer ausgeführten Schaltteils 22 der Regeleinrichtung 2 auf. Ferner weist die Steuereinrichtung 18 einen Steuerausgang D zur Auswahl einer Führungsgröße oder eines Soll-Wertes w_Δϑn auf. Die ausgewählte Führungsgröße w_Δϑn gibt der Regeleinrichtung 2 bzw. dem entsprechenden Regelalgorithmus eine Soll-Übertemperatur vor, auf die das erste Sensorelement SE1 während der Heizphasen t_H eingestellt wird. Dabei wird das erste Sensorelement SE1 während der Heizphasen t_H anstelle eines von der Konstantstromquelle 16 erzeugten Mess- oder Exitationsstrom I_M ₁ mit dem von der steuerbaren Stromquelle 14 erzeugten Heizstrom I_H beaufschlagt, dessen Amplitudenverlauf im in 2 unteren Diagramm veranschaulicht ist.
Entsprechend der Taktzeit T schaltet die Steuereinrichtung 18 über deren Steuerausgang A nach Ablauf einer Heizphase t_H auf die Konstantstromquelle 16 um, die während der Messphase t_M den gegenüber dem Heizstrom I_H vergleichsweise kleinen Messstrom I_M1 für das erste Sensorelement S₁ liefert. Die Umschaltung von einer Heizphase t_H auf eine Messphase t_M erfolgt somit gemäß dem in 2 im oberen Diagramm dargestellten Taktzyklus mit der Taktzeit T. Dabei ist jede eine Heizphase t_H und eine Messphase t_M umfassende Taktperiode stets gleich, wobei einerseits die Heizphasen t_H und andererseits die Messphasen t_M zeitlich stets gleich lang sind. Dabei werden vorzugsweise zweihundert Heizphasen t_H und eine entsprechende Anzahl von Messphasen t_M pro Sekunde erzeugt. Die Taktfrequenz liegt somit bei 200Hz. Die Taktfrequenz kann jedoch auch größer und insbesondere auch kleiner sein.
Während jeder Messphase t_M wertet die Regeleinrichtung 2 bzw. der Regelalgorithmus die diesem zugeführten Sensorsignale S₁ und S₂ des ersten Sensorelementes S1 bzw. des zweiten Sensorelements SE2 aus. Dabei ergibt sich aus dem über das erste Sensorelement SE1 geführten Messstrom I_M1 sowie dem jeweiligen Spannungsabfall der Widerstandswert R1 des als temperaturabhängiges Widerstandselement oder als temperaturabhängiger Widerstand ausgeführten ersten Sensorelements S1 und über dessen Widerstand/Temperatur-Kennlinie die jeweilige Sensortemperatur ϑ_H. Der entsprechende Ist-Wert x_ϑH der Sensortemperatur ϑ_H wird z. B. mittels eines Operationsverstärkers 24 linearisiert und einem Differenzverstärker 26 eingangsseitig zugeführt. Dabei wird der Ist-Wert x_ϑH der Sensortemperatur ϑ_H aus dem Sensorsignal S₁ lediglich in Form eines kurzzeitigen Abtastimpulses aufgenommen, dessen Impulsdauer t_s von der Steuereinrichtung 18 vorgegeben und mittels des von der Steuereinrichtung 18 angesteuerten Sample-and-Hold(S&H)-Schaltteils 22 eingestellt wird. Die Steuereinrichtung 18 stellt synchron zur Taktzeit T der Heiz- und Messphasen t_H, t_M die Abtastzeit t_a ein und gibt diese somit vor. Wie im in 2 mittleren Diagramm dargestellt, ist dabei die Abtastzeit t_a gleich der Taktzeit T, mit t_a = T = t_H + t_M.
Die Erfassung des Ist-Wertes x_ϑH erfolgt dabei innerhalb der Messphasen t_M um eine Ansprech- oder Verzugszeit t_v zeitverzögert. Aufgrund der beispielsweise im μs-Bereich liegenden Impulsdauer t_s wird der während des Abtastimpulses, d. h. der zum Abtastzeitpunkt k erfasste Ist-Wert x_ΔϑH gespeichert und somit für die weitere Auswertung gehalten. Dazu ist im Ausführungsbeispiel ein dem Schaltteil 22 zugeordneter Speicher in Form eines Kondensators 28 vorgesehen.
Analog wird vorzugsweise kontinuierlich die Mediumstemperatur ϑ_M erfasst und der entsprechende Ist-Wert x_ϑM wird mittels z. B. eines weiteren Operationsverstärkers 30 linearisiert. Der Ist-Wert x_ϑM der Mediumstemperatur wird dem Differenzverstärker 26 ebenfalls eingangsseitig zugeführt. Dazu wird das zweite Sensorelement S₂ mit einem von der Konstantstromquelle 8 erzeugten Messstrom I_M2 beaufschlagt. Entsprechend demselben Zusammenhang zwischen dem Messstrom I_M2 und dem dadurch in Abhängigkeit vom jeweiligen Widerstandswert R2 auftretenden Spannungsabfall am Sensorelement SE2 wird der Regeleinrichtung 2 bzw. dem Regelalgorithmus mit dem Sensorsignal S₂ der jeweilige Ist-Wert x_ϑM zugeführt. Ebenso wie bei dem Sensorsignal S₁ ist somit auch bei dem Sensorsignal S₂ der jeweilige Spannungswert über die Widerstands/Temperatur-Kennlinie repräsentativ für die jeweils erfasste Ist-Temperatur x_ϑH bzw. x_ϑM.
Da die beiden Sensorelemente SE1 und SE2 gleich und insbesondere mit identischen temperaturabhängigen Widerstandselementen R1 und R2, vorzugsweise auf Platin-Basis, ausgeführt sind, sind deren thermische Massen und insbesondere deren thermischen Zeitkonstanten entsprechend gleich bzw. identisch. Dadurch sind Messungenauigkeiten auf ein Minimum reduziert, da sich beide Sensorelemente SE1 und SE2, insbesondere aufgrund der extrem kurzen Impulsdauer t_S, während die Ist-Übertemperatur x_ϑH des Sensorelementes SE1 abgetastet wird, thermodynamisch in höchstem Maße gleichartig verhalten. Der Differenzverstärker 26 liefert ausgangsseitig die Ist-Übertemperatur x_Δϑ des ersten Sensorelementes SE1, die sich aus der Differenz zwischen der ermittelten Ist-Sensortemperatur x_ϑH und der jeweiligen Mediumstemperatur x_ϑM ergibt. Der Regelalgorithmus der Regeleinrichtung 2 bildet durch Vergleich der Ist-Übertemperatur x_Δϑ mit der vorgegebenen Soll-Übertemperatur w_Δϑn im Vergleichspunkt 31 die Regeldifferenz xd_Δϑ, die Eingangsgröße des PI-Reglers 20 ist. Dieser bildet daraus als Ausgangsgröße eine Stellgröße y, aus der mittels der als Umsetzer arbeitenden steuerbaren Stromquelle 14 der Soll-Heizstrom I_H erzeugt wird. Die Stromquelle 14 liefert dann den zur Erreichung der Soll-Übertemperatur erforderlichen Heizstrom I_H für die nächste Heizphase t_H.
Die Stellgröße i_H wird mittels eines Regelalgorithmus mit PI-Charakteristik und Trapezintegration gebildet gemäß der Beziehung i3(k) = (kp ⋅ xdΔϑ(k)) + (1/2(xdΔϑ(k) + xdΔϑ(k – 1 )) ⋅ ki ⋅ ta + i3(K – 1).
Dabei ist kp der P-Faktor des digitalen Reglers 20 mit PI-Charakteristik, xd_Δϑ die aus einem Soll-Ist-Wert-Vergleich der Übertemperatur Δϑ gebildete Regeldifferenz und k_i⋅ t_a der I-Anteil des Reglers 20 zum Abtastzeitpunkt k.
Zur Ermittlung des jeweiligen Massenstroms M, der gemäß der Beziehung ṁ = ρ ⋅ v von der Massenstromdichte p des Mediums M und von dessen Strö mungsgeschwindigkeit v abhängt, wird das auf thermischen Grundlagen basierende kalorimetrische Messprinzip herangezogen. Dabei wird in der beschriebenen Art und Weise mittels der digitalen Regeleinrichtung 2 bzw. des angegebenen Regelalgorithmus zur Abtastregelung durch die Einstellung der Sensortemperatur ϑ_H des Sensorelementes SE1 auf die Soll-Übertemperatur w_Δϑ die Temperaturdifferenz Δϑ gegenüber der erfassten Mediumstemperatur ϑ_M konstant gehalten. Aus der dazu erforderlichen Heizleistung P_H wird der Massenstrom oder Massendurchfluss ṁ bestimmt. Dieses auf dem Prinzip der konstanten Temperaturdifferenz beruhende Messverfahren ist dabei hinsichtlich der Messgenauigkeit und der Messdynamik einerseits durch Einsatz zweier identischer Sensorelemente SE1, SE2 und andererseits durch die in einem Taktzyklus mit konstanter Taktzeiterzeugten Heiz- und Messphasen verbessert. Eine weitere Optimierung der Messgenauigkeit und insbesondere der Messdynamik wird durch die digitale Regelung mit konstanter Abtastzeit, d. h. durch die Abtastregelung erreicht, da aufgrund der extrem kurzen Abtastimpulse zu zeitlich äquidistanten Abtastzeitpunkten k Abkühleftekte aufgrund der konstanten Abtastzeit t_a kompensiert werden. Grund hierfür ist, dass innerhalb der exponentiell fallend verlaufenden Abkühlphasen das Einlesen des Ist-Wertes x_ϑH der jeweiligen Sensortemperatur ϑ_H stets im gleichen Bereich des Exponentialverlaufs, d. h. stets im gleichen Steigungsabschnitt dieses Verlaufs erfolgt.
Zur Bestimmung des jeweiligen Ist-Wertes x? des Massenstroms ? ist eine Auswerteeinrichtung 4 vorgesehen, die als Eingangsgrößen die den Soll-Heizstrom repräsentierende Stellgröße i_H und den Ist-Wert x_ϑH der Sensortemperatur ϑ_H erhält. Mittels einer Auswerteeinheit 4a wird einerseits aus der Stellgröße i_H, die als auswertbare physikalische Größe genutzt wird, der Heizstrom I_H in der Einheit Ampere und andererseits anhand der Ist-Sensortemperatur x_ϑH aus der Widerstands/Temperatur-Kennlinie des temperaturabhängigen Widerstandselements R1 der Widerstandswert R in der Einheit Ohm bestimmt. Ein Multiplizieren der Auswerteeinrichtung 4a liefert ausgangsseitig den Ist-Wert der elektrischen Heizleistung P_H in der Einheit Watt gemäß der Beziehung P_H = I 2 / H ⋅ R. Über eine in einem Referenzwertspeicher 4b der Auswerteeinrichtung 5 hinterlegten Referenzkurve, die den funktionalen Zusammenhang zwischen der Heizleistung P_H und dem Massenstrom ṁ wiedergibt, wird der jeweilige Ist-Wert x_ṁ des Massenstroms ṁ ermittelt. Gleichzeitig liefert die Auswerteeinrichtung 4 den mittels eines Impedanzwandlers 32 entkoppelten, aktuellen Ist-Wert x_ϑM der Mediumstemperatur ϑM. Somit wird vorteilhafterweise zusätzlich zum aktuellen Massenstrom ? auch die aktuelle Mediumstemperatur ϑM als Messwert zur Verfügung gestellt.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines beide Sensorelemente S1 und S2 umfassenden Sensors SE ist in 3 dargestellt. Der Sensor SE weist einen Schraub- oder Stecksockel 40 auf. Dieser trägt an dessen der Sockelunterseite 42 gegenüberliegenden Sockeloberseite 43 das zweite Sensorelement SE2. Dieses erstreckt sich parallel zur Längsachse 44 des Sensors SE und trägt in nicht näher dargestellter Art und Weise innerhalb einer röhrenförmigen Metallhülse 46 das temperaturabhängige Widerstandselement R2, dessen Anschlussleitungen in nicht näher dargestellter Art und Weise durch den Sockel 40 geführt sind.
Das erste Sensorelement SE1 erstreckt sich in Längsrichtung 48 des zweiten Sensorelements SE2 und ist zu diesem beabstandet angeordnet. Die beiden Sensorelemente SE1 und SE2 liegen somit auf der durch den Pfeil 48 angedeuteten gemeinsamen Längsachse, die ihrerseits parallel zur Längsachse 44 des Sensors 40 verläuft. Ebenfalls parallel zur Sensorachse 44 verläuft ein Führungsröhrchen 50 für (nicht dargestellte) Zuführleitungen zum ebenfalls in einem Metallröhrchen 51 angeordneten temperaturabhängigen Widerstandselement R1 des Sensorelementes SE1. Bei gemeinsamem Massenanschluss kann der Sensor SE somit mit lediglich drei Anschlüsse für die beiden Sensorelemente SE1, SE2 ausgeführt sein.
Am Übergang vom zweiten Sensorelement SE2 und dem Führungsröhrchen 50 zum Sockel 40 ist eine erste Keramikisolierung 52 vorgesehen. Zur Erzielung gleicher thermischer Massen des ersten Sensorelementes SE1 und des zweiten Sen sorelementes SE2 ist eine weitere Keramikisolierung 54 am gemeinsamen Ende des ersten Sensorelementes SE1 und des Führungsröhrchens 50 vorgesehen. Die thermischen Massen der auf Platin-Basis aufgebauten temperaturabhängigen Widerstandselemente R1, R2 der beiden identischen Sensorelemente SE1 und SE2 sind dabei besonders gering gehalten.

2: Regeleinrichtung
4: Auswerteeinrichtung
4a: Auswerteeinheit
4b: Referenzwertspeicher
6: Signal-/Stromleitung
8: Konstantstromquelle
10: Signal-/Stromleitung
12: Schaltelement
14: steuerbare Stromquelle
16: Konstantstromquelle
18: Steuereinrichtung
20: Regler
22: Schaltteil/S&H
24: Operationsverstärker
26: Differenzverstärker
28: Speicher/Kondensator
30: Operationsverstärker
31: Vergleichspunkt
32: Impedanzwandler
40: Sensor
42: Sockelunterseite
43: Sockeloberseite
44: Längsachse
46: Metallröhrchen
48: Längsrichtung
50: Führungsröhrchen
51: Metallröhrchen
52,54: Keramikisolierung
A-C: Steuerausgang
IH: Heizstrom
IM: Messstrom
R1,2: Widerstandselement
S_1,2: Sensorsignal
SE: Sensor
SE1,2: Sensorelement

Claims

Verfahren zur Messung des Massenstroms ( ? ) eines Mediums (M), bei dem ein vom Medium (M) umströmtes, zyklisch abwechselnd mit einem Heizstrom (1_H ) während einer Heizphase (t_H) und mit einem vergleichsweise niedrigen Messstrom (I_M) während einer Messphase (t_M) beaufschlagtes erstes Sensorelement (SE1) auf eine oberhalb der Mediumstemperatur (ϑ_M) liegende Übertemperatur (Δϑ) eingestellt wird, wobei die Zeitdauer der Messphasen (t_M) zwischen den Heizphasen (t_H) jeweils gleich ist, – bei dem die Differenz zwischen einer mittels des ersten Sensorelementes (SE1) in einer Messphase (t_M) erfassten Sensortemperatur (ϑ_H) und der mittels eines zweiten Sensorelementes (SE2) erfassten Mediumstemperatur (ϑ_M) als eine Ist-Übertemperatur (xΔ?) ermittelt wird, – bei dem aus einer Abweichung dieser Ist-Übertemperatur (x_Δϑ) von einer entsprechenden, vorgebbaren Soll-Übertemperatur (w_Δϑ) eine Stellgröße (y) für die Stärke des Heizstroms (1_H ) bestimmt wird, und – bei dem die Übertemperatur (x_ϑ) durch die Stärke des Heizstroms (I_H) geregelt und die zugehörige Heizleistung (P_H) als Maß für den Massenstrom (ṁ) ausgewertet wird.
Vorrichtung zur Messung des Massenstroms (ṁ) eines Mediums (M) mit einem von diesem umströmten ersten Sensorelement (SE1) sowie mit Mitteln, um das erste Sensorelement (SE1) zyklisch abwechselnd mit einem Heizstrom (I_H) während einer Heizphase (t_H) und mit einem vergleichsweise niedrigen Messstrom (I_M) während einer Messphase (t_M) zu beaufschlagen und dessen Temperatur auf eine oberhalb der Mediumstemperatur (ϑ_M) liegende Übertemperatur (Δ?) einzustellen, – mit einem dem ersten Sensorelement (SE1) gleichen zweiten Sensorelement (SE2) zur Erfassung der Mediumstemperatur (ϑ_M), mit einer getakteten Regeleinrichtung (2), die die Differenz zwischen einer mittels des ersten Sensorelementes (SE1) in einer Messphase (t_M) erfassten Sensortemperatur (ϑ_H) und der mittels des zweiten Sensorelementes (SE2) erfassten Mediumstemperatur (ϑ_M) als eine Ist-Übertemperatur (x_Δϑ) ermittelt und aus einer Abweichung dieser Ist-Übertemperatur (x_Δϑ von einer entsprechenden, vorgebbaren Soll-Übertemperatur (w_Δϑ) eine Stellgröße (y) für die Stärke des Heizstroms (1_H ) bestimmt sowie durch diese die Übertemperatur (x_ϑ) regelt, und – mit einer Auswerteeinrichtung (4), die die zugehörige Heizleistung (P_H) als Maß für den Massenstrom (ṁ) auswertet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Sensortemperatur (ϑ_H) während der oder jeder Messphase (t_M) ein Abtastimpuls mit im Vergleich zur Zeitdauer (t_M) der Messphase kurzer Impulsdauer (t_s) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Taktzyklus mit konstanter Taktzeit (T) aufeinandertolgend eine Heizphase (t_H) und eine Messphase (t_H) erzeugt werden, und dass die Sensortemperatur (ϑ_H) in aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten (k) mit konstanter Abtastzeit (t_a) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (i₃) mittels eines Regelalgorithmus mit PI-Charakteristik und Trapezintegration gemäß der Beziehung i3(k) = (kp ⋅ xdΔϑ(k)) + (1/2(xdΔϑ(k) + xdΔϑ(k – 1 )) ⋅ ki ⋅ ta + i3(K – 1) gebildet wird, wobei kp der P-Faktor eines digitalen Reglers (20) mit PI-Charakteristik, xd_Δϑ die aus einem Soll-Ist-Wert-Vergleich der Übertemperatur Δϑ gebildete Regeldifferenz und k_i ⋅ t_a der I-Anteil des Reglers (20) zum Abtastzeitpunkt k ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein während der Messphase (t_M) erfasster Ist-Wert (x_ϑH) der Sensortemperatur gespeichert wird, und dass anhand des gespeicherten Ist-Wertes (x_ϑH) die Ist-Übertemperatur (x_Δϑ) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der oder jeder Messphase (t_M) die Sensortemperatur (ϑ_H) im Anschluss an eine Verzögerungszeit (t_V) erfasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Sensorelemente (SE1,SE2) den gleichen temperaturabhängigen Widerstand (R1,R2) aufweisen, wobei der Widerstand (R1) des ersten Sensorelementes (SE1) während der oder jeder Heizphase (t_H) Heizwiderstand und während der oder jeder Messphase (t_M) Messwiderstand ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensorelement (SE1) während der oder jeder Heizphase (t_H) an eine steuerbare Stromquelle (14) und während der oder jeder Messphase (t_M) an eine erste Konstantstromquelle (16) geschaltet ist, und dass das zweite Sensorelement (SE2) zumindest während der Messphase (t_M) an eine zweite Konstantstromquelle (8) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeleinrichtung (2) die Sensorsignale (S₁,S₂) der beiden Sensorelemente (SE1,SE2) als Eingangsgrößen zugeführt sind, und dass die Regeleinrichtung (2) als Ausgangsgröße einerseits die den Soll-Heizstrom (1_H ) repräsentierende Stellgröße (i₃) und andererseits die aktuelle Mediumstemperatur (x_ϑM) liefert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (18) mit einem Taktausgang (A) zur Heiz- und Messphasensteuerung und mit einem ersten Steuerausgang (B) zur Steuerung einer Anheizphase sowie mit einem zweiten Steuerausgang (C) zur Steuerung eines Schaltteils (22) und mit einem dritten Steuerausgang (D) zur Auswahl eines Soll-Wertes (w_ϑΔn) der Übertemperatur (Δϑn).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch einen die beiden Sensorelemente (SE1,SE2) umfassenden Sensor (SE) mit einem Sockel (40), wobei die beiden Sensorelemente (SE1,SE2) bezogen auf eine parallel zur Längsachse (44) des Sensors (SE) verlaufende gemeinsame Längsachse (48) zueinander beabstandet angeordnet und jeweils endseitig in eine Keramikisolierung (52,54) geführt sind, und wobei ein parallel zur Längsachse (44) des Sensors (SE) verlaufendes Führungsröhrchen (50) für Zuleitungen zum dem Sockel (40) fernliegenden Sensorelement (SE1) vorgesehen ist.