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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen wärmeempfindlichen Durchflussmesser
zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. Durchflussrate eines Fluids unter Verwendung von wärmeempfindlichen
Elementen.
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In
einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzung für einen
Fahrzeugmotor ist es wichtig, die Menge der Motoransaugluft zu messen,
um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit
hoher Genauigkeit steuern zu können.
Wärmeempfindliche
Durchflussmesser werden als Luftfluss-Detektoren verwendet. Zwei wärmeempfindliche
Elemente zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit
bzw. Durchflussrate eines Fluids, wie z.B. Luft, sind auf einem
keramischen Substrat gebildet, durch Wicklung einer temperaturempfindlichen
Widerstandsschicht aus Platin oder aus einem Platindraht. Die Temperatur
des Fluids wird durch ein erstes wärmeempfindliches Element erfasst,
unter Ausnutzung von Veränderungen
im Widerstand dieses wärmeempfindlichen
Elementes, welche verursacht werden durch Temperaturvariationen,
und einem zweiten wärmeempfindlichen
Element wird ein Strom auf solche Weise zugeführt, dass die Temperatur des
zweiten wärmeempfindlichen
Elementes um eine vorbestimmte Temperatur höher wird als die Temperatur
des ersten wärmeempfindlichen
Elementes. Wenn das zweite wärmeempfindliche
Element durch den Fluss des Fluids gekühlt wird, nimmt der Strom zur
Auf rechterhaltung der vorbestimmten Temperatur am zweiten wärmeempfindlichen
Element zu, und die Strömungsgeschwindigkeit bzw.
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Durchflussrate
des Fluids wird aus dieser Veränderung
des Stromwertes gemessen. Dieses Steuerungssystem wird als "Steuersystem mit
fester Temperaturdifferenz" oder
als "Festtemperatur-Steuersystem" bezeichnet.
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Aus
der
EP 0 561 365 A2 ist
ein wärmeempfindlicher
Durchflussmesser bekannt mit einer Steuerschaltung, welche umfasst:
Eine Brückenschaltung mit
einem ersten wärmeempfindlichen
Element in einem ersten Brückenzweig
zur Messung der Temperatur eines Fluids und mit einem zweiten wärmeempfindlichen
Element in einem zweiten Brückenzweig, welches
mittels eines Heizstroms Wärme
erzeugt und durch den Fluss des Fluids gekühlt wird; einen Differenzverstärker zur
Verstärkung
einer Potentialdifferenz zwischen dem ersten und zweiten wärmeempfindlichen
Element; eine Spannungsquelle zur Zuführung einer Offsetspannung
an eine Eingangsschaltung des Differenzverstärkers; und eine Offsetspannungs-Änderungseinrichtung zum vorübergehenden Ändern der
Offsetspannung zum Zeitpunkt des Anlegens der Offsetspannung.
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Die
US 5 703 288 offenbart einen
temperaturempfindlichen Luftstrommesser, bei dem ein Rauschen der
Spannungsquelle dadurch unterdrückt wird,
dass jeweils eine Brückenschaltung
mit Sensorelement en im Zulauf und Ablauf des Luftstroms angeordnet
wird, wobei der Luftstrom aus einer Spannungsdifferenz zwischen
Messwiderständen
der beiden Brückenschaltungen
ermittelt wird.
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Eine
weiterer herkömmlicher
wärmeempfindlicher
Durchflussmesser wird nachfolgend anhand von 10 der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. 10 zeigt ein Schaltbild,
in welchem ein Beispiel eines konventionellen wärmeempfindlichen Durchflussmessers
gezeigt ist, und 3(C) ist ein
Schaubild, welches die Signalform des Ausgangs B zeigt, wenn eine Versorgungsspannung
an diesen konventionellen wärmeempfindlichen
Durchflussmesser angelegt wird. In 10 ist
ein Anschluss T, an welchen eine Versorgungsspannung angelegt wird,
mit dem Verbinder eines Transistors 8 verbunden, der Emitter
des Prozessors 8 ist mit einem Ende eines ersten wärmeempfindlichen
Elementes 1 und mit einem Ende eines zweiten wärmeempfindlichen Elementes 2 verbunden,
das andere Ende des ersten wärmeempfindlichen
Elementes 1 ist mit einem Ende eines festen Widerstandes 3 verbunden,
das andere Ende des festen Widerstandes 3 ist mit einem
Ende eines festen Widerstandes 4 und mit dem invertierenden
Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 7 verbunden,
und das andere Ende des festen Widerstandes 4 ist geerdet.
Das andere Ende des zweiten wärmeempfindlichen
Elementes 2 ist der Ausgang (V5) der Brückenschaltung, und ist verbunden
mit einem Ende eines festen Widerstandes 5, und dem nicht-invertierenden
Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 7, über eine
Gleichspannungs-Offsetspannung 33. Der Ausgang des Operationsverstärkers 7 ist
mit der Basis des Transistors 8 verbunden, und der Brückenschaltung
wird von einer Versorgungsquelle ein Strom über den Transistor 8 zugeführt, um
das Gleichgewicht der Brückenschaltung aufrechtzuerhalten.
Das obige erste wärmeempfindliche
Element 1 ist mit einem Brückenzweig SA verbunden, und
das zweite wärmeempfindliche
Element 2 ist mit einem Brückenzweig SB verbunden. Die
ersten und zweiten wärmeempfindlichen
Elemente 1 und 2 sind an vorbestimmten Orten auf
dem obigen keramischen Substrat angeordnet.
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Nun
wird der Betrieb dieses wärmeempfindlichen
Durchflussmessers beschrieben. Wenn die Durchflussrate bzw. Strömungsgeschwindigkeit
der Luft zunimmt, wird das zweite wärmeempfindliche Element 2,
welches im Luftzug angeordnet ist, gekühlt, und sein Widerstandswert
nimmt ab, wodurch das Potential eines Verbindungspunktes zwischen dem
zweiten wärmeempfindlichen
Element 2 und dem festen Widerstand 5 zunimmt.
Diese Spannungsveränderung
erhöht
die nicht-invertierende Eingangsspannung des Operationsverstärkers 7,
die Ausgangsspannung nimmt dadurch zu, ein Strom wird der Brückenschaltung über den
Transistor 8 zugeführt,
das zweite wärmeempfindliche
Element 2 erzeugt mit diesem Strom Wärme, und die Temperatur des
zweiten wärmeempfindlichen
Elementes 2 nimmt dadurch zu, um eine feste Temperaturdifferenz
gegenüber
dem ersten wärmeempfindlichen
Element 1 aufrechtzuerhalten. Allgemein gesprochen, da
der Operationsverstärker 7 eine
primäre
Verzögerungscharakteristik
hat, und das zweite wärmeempfindliche
Element 2 eine thermische Verzögerung hat, zeigt eine Steuerschaltung
mit fester Temperaturdifferenz eine sekundäre Verzögerungscharakteristik. Da die
Offsetspannung 33 für
den stabilen Betrieb des sekundären
Verzögerungssystems
bereitgestellt wird, kann die Schaltung über dem gesamten Bereich der
Durchflussrate bzw. Strömungsgeschwindigkeit stabil
arbeiten.
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Wärme, die
von dem zweiten wärmeempfindlichen
Element 2 erzeugt wird, wird an die Luft übertragen,
und an einen Trageabschnitt zum Tragen des zweiten wärmeempfindlichen
Elementes 2, und wird als Verlust verbraucht. Wenn eine
Versorgungsspannung angelegt ist, kann ein Wärmeübertragungsverlust an diesem
Trageabschnitt nicht vernachlässigt
werden, und diese Wärmeübertragung verändert sich
allmählich über einen
langen Zeitraum. Zum Beispiel, wenn eine Versorgungsspannung angelegt
wird, wie im Ausgang B der 3(A) gezeigt,
zeigt ein Durchflusssignal die Tendenz, allmählich eine Enddurchflussrate
zu erreichen, ausgehend von einer Durchflussrate, die ein wenig
höher ist
als die End-Durchflussrate.
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Es
ist bekannt, dass wenn die Durchflussrate bzw. Strömungsgeschwindigkeit
sich abrupt ändert, das
Ansprechen vermindert wird durch den Einfluss eines Wärmeübertragungsverlustes
an den Trägerabschnitt.
Als Maßnahme
des Standes der Technik zum Verbessern des Ansprechens, zeigt 11 eine Steuerschaltung
mit fester Temperaturdifferenz für
einen wärmeempfindlichen
Durchflussmesser gemäß der JP
7-63 588 A. Im Vergleich mit der Schaltung gemäß 10 ist hierbei eine Differentialschaltung bzw.
Differenzschaltung 34 mit dem Ausgang der Brückenschaltung,
welche das zweite wärmeempfindliche
Element 2 und den festen Widerstand 5 umfasst,
verbunden, und der Ausgang der Differentialschaltung bzw. Differenzschaltung 34 wird
aufgeteilt in zwei Zweige, die mit Komparatoren 35 und 36 verbunden
sind, wobei die Ausgänge
der Komparatoren 35 und 36 integriert werden und
mit einer Konstantstromschaltung 37 verbunden sind, und
der Ausgang der Konstantstromschaltung 37 mit dem nichtinvertierenden
Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 7 verbunden
ist. Ein Ende eines festen Widerstandes 6 ist mit dem nicht-invertierenden
Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 7 verbunden,
und das andere Ende des festen Widerstandes 6 ist mit den
Ausgängen
des zweiten wärmeempfindlichen
Elementes 2 und dem festen Widerstand 5 zur Bildung
einer Schleife verbunden, und der Ausgang einer Konstantstromschaltung 38 ist
mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 7 verbunden.
Diese Konstantstromschaltung 38 wird angesteuert durch
eine Spannung Vcc, die erhalten wird durch Teilen einer Versorgungsspannung
durch nicht abgebildete Widerstände,
und gesteuert durch die Rückkopplungsregelung der
Schleife, um eine Offsetspannung ΔE
bereitzustellen.
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Wenn
sich die Durchflussrate bzw. Strömungsgeschwindigkeit
abrupt ändert,
wird die Rückkopplungsregelung
entsprechend einem Durchflussänderungssignal
durchgeführt,
zur vorübergehenden Änderung
dieser Offsetspannung ΔE,
wodurch das Ansprechen verbessert wird.
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Wenn
im Stand der Technik die wärmeempfindlichen
Elemente 1 und 2 durch Anlegen einer Versorgungsspannung
Wärme erzeugen, übertragen
sie Wärme
an den Trageabschnitt und werden dann bei einer vorbestimmten Temperatur
stabil. Daher vergeht Zeit bis ein Zielsignal bzw. Sollsignal erreicht wird,
wodurch die Stabilität
zum Zeitpunkt des Anlegens einer Versorgungsspannung verschlechtert wird,
und ein Ausgabefehler verursacht wird, bis die wärmeempfindlichen Elemente 1 und 2 stabil
werden.
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Die
JP 07-063 588 A zeigt einen wärmeempfindlichen
Durchflussmesser, bei dem das Ansprechen verbessert wird durch vorübergehende
Veränderung
der Offsetspannung ΔE
entsprechend einem Durchflussveränderungssignal.
Da jedoch die wärmeempfindlichen
Elemente erst nach einer Übertragung
von Wärme
an den Trägerabschnitt
stabil werden, wird der Einfluss eines Ausgabefehlers zum Zeitpunkt
des Anlegens einer Versorgungsspannung nicht beseitigt. Wenn wärmeempfindliche
Elemente 1 und 2 mit niedriger Ansprechempfindlichkeit
verwendet werden und die Offsetspannung ΔE vorübergehend entsprechend einem
Durchflusssignal verändert
wird, kommt es auch leicht zu einem Oszillieren des Ausgangs der
Brückenschaltung
aufgrund der Rückkopplungsregelung,
insbesondere zum Zeitpunkt des Anlegens einer Versorgungsspannung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wärmeempfindlichen
Durchflussmesser zu schaffen, bei dem auf vergleichsweise einfache
und kostengünstige
Weise thermische Verzögerungen
der darin enthaltenen wärmeempfindlichen Elemente
zu unterdrücken
oder zu kompensieren, so dass Fehler beim Anlegen einer Versorgungsspannung
vermieden werden bzw. die Zeit bis zu einem stabilen Betrieb des
Durchflussmessers sehr kurz wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einem wärmeempfindlichen
Durchflussmesser gemäß dem Patentanspruch
1 gelöst.
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Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei
einem wärmeempfindlicher
Durchflussmesser gemäß der Erfindung
sind eine Versorgungsquelle zur Zuführung einer Offsetspannung
an die Eingangsschaltung eines Differentialverstärkers bzw. Differenzverstärkers und
eine Offsetspannungs-Veränderungseinrichtung
zum vorübergehenden Ändern der
Offsetspannung zum Zeitpunkt des Anlegens einer Versorgungsspannung
vorgesehen. Vorzugsweise addiert oder subtrahiert die Offsetspannungs-Veränderungseinrichtung
die Offset-Spannung
zum Zeitpunkt des Anlegens einer Versorgungsspannung, worauf die
Offsetspannung a llmählich
verringert wird.
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Vorzugsweise
kann bei dem erfindungsgemäßen wärmeempfindlichen
Durchflussmesser die Offsetspannungs-Veränderungseinrichtung
aus einer Primärfilterschaltung
bestehen, und die Zeitkonstante der Filterschaltung kann auf beinahe
den gleichen Wert eingestellt werden wie die Wärmezeitkonstante eines weiteren
wärmeempfindlichen
Elementes.
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Die
Offsetspannungs-Veränderungseinrichtung
des erfindungsgemäßen wärmeempfindlichen Durchflussmessers
kann aus einer sekundären
Filterschaltung oder einer Filterschaltung höherer Ordnung bestehen, und
die Zeitkonstante dieser Filterschaltung kann auf annähernd auf
den gleichen Wert eingestellt werden wie die Wärmezeitkonstante eines zweiten
wärmeempfindlichen
Elementes.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung und deren Vorteile sind im folgenden anhand der Zeichnungen
näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Schaltbild, welches den Aufbau einer Steuerschaltung mit fester
Temperaturdifferenz in einem wärmeempfindlichen
Durchflussmesser nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 ein
Schaltbild, welches den Aufbau einer Versorgungsquelle der Ausführungsform
nach 1 zeigt;
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3(A), 3(B) und 3(C) Schaubilder, welche die Versorgungsspannung,
die Offsetspannung und Ausgangs-Signalformen bei der Ausführungsform
nach 1 zeigen;
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4 ein
Schaltbild, welches den Aufbau einer Versorgungsquelle gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5(A), 5(B) und 5(C) Schaubilder, welche die Versorgungsspannung,
die Offsetspannung und Ausgangssignalform bei der weiteren Ausführungsform
gemäß 4 zeigen;
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6(A) und 6(B) Schaltbilder,
welche den Aufbau von Versorgungsquellen nach einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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7(A) und 7(B) Schaltbilder,
welche Anordnungen von Versorgungsquellen nach der weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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8 ein
Schaltbild, welches den Aufbau einer Steuerschaltung mit fester
Temperaturdistanz nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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9(A), 9(B) und 9(C) Schaubilder, welche eine Versorgungsspannung,
die Offsetspannung und Ausgangssignalformen bei der weiteren Ausführungsform
gemäß 8 zeigen;
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10 ein
Schaltbild, welches den Aufbau eines wärmeempfindlichen Durchflussmessers
nach dem Stand der Technik zeigt; und
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11 ist
ein weiteres Schaltbild, welches den Aufbau eines wärmeempfindlichen
Durchflussmessers nach dem Stand der Technik zeigt.
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Nun
werden bevorzugte Ausführungen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben. Dabei werden die obengenannten bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung kurz auch als "Ausführungen" bezeichnet.
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Ausführung 1
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1 ist
ein Schaltbild, welches ein Beispiel der Steuerschaltung mit fester
Temperaturdifferenz in einem wärmeempfindlichen
Durchflußmesser
nach der ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt, 2 ist ein
Schaltbild einer Versorgungsquelle, und die 3(A), 3(B) und 3(C) sind Schaubilder,
welche die Versorgungsspannung, Offsetspannung und Ausgangssignalformen
zeigen. In diesen Figuren tragen gleiche oder entsprechende Elemente
wie jene in den 10 und 11 die
gleichen Bezugszeichen.
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In
dieser Ausführung 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 1 ein erstes wärmeempfindliches Element zur
Erfassung der Temperatur eines Fluids, 2 bezeichnet ein
zweites wärmeempfindliches
Element, welches Wärme
erzeugt, wenn ein Heizstrom zugeführt wird, und 3, 4, 5 und 6 bezeichnen
feste Widerstände.
Die wärmeempfindlichen
Elemente 1 und 2 und die festen Widerstände 3, 4, 5 und 6 bilden
eine Brückenschaltung.
Durch 7 wird ein Operationsverstärker als Differentialverstärker bzw.
Differenzverstärker
bezeichnet, zur Verstärkung
der unausgeglichenen Spannung der Brückenschaltung, 8 bezeichnet
einen Transistor als Leistungsverstärker um der Brückenschaltung
einen Strom zuzuführen,
und 9 bezeichnet eine Versorgungsquelle, deren Ausgang
mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7 verbunden
ist, und welche eine Filterschaltung als Offsetspannungs-Veränderungseinrichtung
enthält,
und betrieben wird mit einer Spannung Vcc, welche gleichzeitig mit
dem Anlegen einer Versorgungsspannung eingeschaltet wird. Ein Quellenstrom
I9, welcher durch die Filterschaltung gesteuert wird, fließt in den
festen Widerstand 6 (Widerstandswert R6), der mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7 verbunden
ist, um dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 7 eine
Offsetspannung ΔE
(I9 x R6) zuzuführen.
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Da
Zeit (Wärmezeitkonstante)
erforderlich ist, damit das wärmeempfindliche
Element 2 bei einem vorbestimmten Widerstandswert direkt
nach dem Anlegen einer Versorgungsspannung stabil wird, erreicht
die Spannung des zweiten wärmeempfindlichen
Elementes 2 einen vorbestimmten Wert mit einer thermischen
Verzögerung.
Während
dieser Zeit verändert
sich der Ausgang V5 der Brückenschaltung,
und es wird ein Fehler erzeugt. Um diese Spannungsveränderung
des Ausgangs V5 der Brückenschaltung
zu beseitigen, wird die Zeitkonstante τ der Filterschaltung im voraus
auf den gleichen Wert eingestellt wie die obige Wärmezeitkonstante,
der Strom I9 wird, dem festen Widerstand 6 aus der Versorgungsquelle 9 zugeführt, um
eine Offsetspannung ΔE
zu bilden, diese Offsetspannung ΔE
wird der Spannung V5 des zweiten wärmeempfindlichen Elementes 2 hinzuaddiert,
und die erhaltene Gesamtspannung wird dem Operationsverstärker 7 zugeführt. Somit
wird ein Ausgangsfehler zum Zeitpunkt des Anlegens einer Versorgungsspannung
beseitigt, ohne Rückkopplungssteuerung
des Operationsverstärkers 7.
Da der Ausgang V5 der Brückenschaltung ein
Sollsignal ohne Erzeugung eines Ausgangsfehlers erreicht, kann die
Zeit bis zur Erreichung des Sollsignals verkürzt werden.
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2 zeigt
die innere Konfiguration der Versorgungsquelle 9, welche
einen Operationsverstärker 10,
Transistoren 11 und 12, feste Widerstände 13, 14, 15, 16 und 17 und
einen Kondensator 18 umfaßt. Der feste Widerstand 17 und
der Kondensator 18 bilden eine Primärfilterschaltung. Ein Ende
des festen Widerstandes 13 ist mit einem Anschluß verbunden, dem
eine Spannung Vcc zugeführt
wird, das andere Ende des festen Widerstandes 13 ist mit
einem Ende des festen Widerstandes 14 verbunden, das andere Ende
des festen Widerstandes 14 ist geerdet, und die festen
Widerstände 13 und 14 sind
mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 10 verbunden.
Ein Ende des festen Widerstands 16 ist mit dem Anschluß verbunden,
dem die Spannung Vcc zugeführt
wird, das andere Ende des festen Widerstandes 16 ist mit
einem Ende des festen Widerstandes 15 verbunden, und das
andere Ende des festen Widerstandes 15 ist mit dem invertierenden
Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers 10 verbunden.
Das andere Ende des festen Widerstandes 16 ist mit einem
Ende des festen Widerstandes 17 verbunden, das andere Ende
des festen Widerstandes 17 ist mit einem Ende des Kondensators 18 verbunden,
und das andere Ende des Kondensators 18 ist geerdet. Das
andere Ende des festen Widerstandes 16 ist mit dem Emitter
des Transistors 12 verbunden, die Basis des Transistors 12 ist mit
dem Emitter des Transistors 11 verbunden, und die Basis
des Transistors 11 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 10 verbunden.
Die Kollektoranschlüsse
der Transistoren 11 und 12 sind miteinander verbunden,
und der Quellenstrom 29, der aus diesen Kollektoranschlüssen zugeführt wird,
fließt
in den festen Widerstand 6, um dem Operationsverstärker 7 die
Offsetspannung ΔE
zuzuführen.
Allmählich wird
eine Spannung in die Filterschaltung geladen, auf der Seite des
invertierenden Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers 10,
so daß der
Strom allmählich
ansteigt und bei einem vorbestimmten Wert stabil wird. Die Widerstandswerte
der festen Widerstände 13, 14, 15, 16 und 17 werden
dargestellt durch R13, R14, R15, R16, und R17, und die Kapazität des Kondensators 18 wird
dargestellt durch C18.
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Die
Zeitkonstante τ (R17 × C18) der
Filterschaltung, welche aus dem festen Widerstand 17 und dem
Kondensator 18 besteht, wird im voraus auf den gleichen
Wert eingestellt wie die Wärmezeitkonstante
des zweiten wärmeempfindlichen
Elementes 2. Diese Wärmezeitkonstante
wird direkt gemessen durch Anlegen eines konstanten Stroms oder
einer konstanten Spannung an das zweite wärmeempfindliche Element 2,
und die Zeitkonstante τ der
Filterschaltung wird eingestellt auf den gleichen Wert wie diese
Wärmezeitkonstante.
Diese Zeitkonstante τ, welche
sich entsprechend der Wärmekapazität des zweiten
wärmeempfindlichen
Elementes 2 unterscheidet, beträgt höchstens mehrere 10 Sekunden.
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Da
das erste wärmeempfindliche
Element 1 im Vergleich mit dem zweiten wärmeempfindlichen Element 2 selten
Wärme erzeugt,
beeinflußt
die Wärmezeitkonstante
des ersten wärmeempfindlichen Elementes 1 selten
die Wärmezeitkonstante
des zweiten wärmeempfindlichen
Elementes 2. Wenn jedoch das erste wärmeempfindliche Element 1 selbst Wärme erzeugt,
oder die Temperatur des ersten wärmeempfindlichen
Elementes 1 durch von dem zweiten wärmeempfindlichen Element 2 erzeugte
Wärme verändert wird,
hat die Wärmezeitkonstante
des ersten wärmeempfindlichen
Elementes 1 einen geringfügigen Einfluß auf die
Wärmezeitkonstante
des zweiten wärmeempfindlichen
Elementes 2.
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Selbst
wenn dieser Einfluß jedoch
existiert, kann die Zeitkonstante τ der Filterschaltung eingestellt
werden, eine Gesamtzeitkonstante auszulöschen, wenn man die Anordnung
so betrachtet, daß nur
das zweite wärmeempfindliche
Element 2 die gesamte Wärmezeitkonstante
auf der Grundlage der Wärmezeitkonstante
des ersten wärmeempfindlichen
Elementes 1 hat, da die Brückenschaltung eine Differentialschaltung
bzw. Differenzschaltung ist, zum Vergleichen der wärmeempfindlichen
Elemente 1 und 2. Zur Messung dieser Gesamtwärmezeitkonstante
kann die Gesamtzeitkonstante der Brückenschaltung gemessen werden,
während
die abschließende
Ausgangssignalform eines Durchflußmessers mit einem Oszilloskop
oder dergleichen überwacht wird.
Das bedeutet, daß die
Zeit, die erforderlich ist, damit der Ausgang V5 ein Zielsignal
bzw. Sollsignal ohne Betrieb der Versorgungsquelle 9 erreicht,
d.h. eine Spannungsveränderungs-Verzögerungszeit, kann
gemessen werden.
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Wenn
die Wärmezeitkonstante
des ersten wärmeempfindlichen
Elementes 1 einen Einfluß hat, kann man die Anordnung
auch so betrachten, daß nur
das erste wärmeempfindliche
Element 1 die Gesamtwärmezeitkonstante
hat, auf der Grundlage der Wärmezeitkonstante
des zweiten wärmeempfindlichen
Elementes 2. Um diese Gesamtwärmezeitkonstante auszulöschen sind
die Versorgungsquelle 9 und der feste Widerstand 6 mit
dem invertierenden Anschluß des
Operationsverstärkers 7 verbunden, um
eine Offsetspannung zuzuführen,
damit ein Ausgangsfehler ausgeschlossen wird. Dies ist das gleiche
wie oben beschrieben, insofern, als die Gesamtwärmezeitkonstante korrigiert
wird, obwohl die Grundlage anders ist.
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Nun
wird der Betrieb der Steuerschaltung mit fester Temperaturdifferenz
unter Bezugnahme auf die 3(A), 3(B) und 3(C) beschrieben. Der
Ausgang A der Schaltung dieser Ausführung, wenn eine Versorgungsspannung
zu dem in 3(A) gezeigten Zeitpunkt an
den Anschluß T
angelegt wird, wird mit dem Ausgang B der Schaltung des Standes
der Technik verglichen. 3(A) zeigt eine
Versorgungsspannung und Vcc, 3(B) zeigt die
Signalform der Offsetspannung ΔE,
und 3(C) zeigt die Signalform des
Ausgangs V5 der Brückenschaltung.
Wenn eine Versorgungsspannung zu dem in 3(A) gezeigten
Zeitpunkt angelegt wird, wird eine Spannung, welche gleich einer
Spannung an beiden Enden des festen Widerstandes 13 ist,
an beiden Enden des festen Widerstandes 16 in 2 erzeugt,
und ein durch die folgende Gleichung dargestellter Strom I16 fließt in den
festen Widerstand 16. I16 = Vcc/(R13
+ R14) × R13/R16
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Unterdessen
wird ein Strom in den Kondensator 18 mit einer Zeitkonstante τ (C18 × R17) geladen,
und der geladene Strom I18 wird dargestellt durch die folgende Gleichung,
wenn sein Anfangswert durch Is dargestellt wird, und sein Endwert
durch Ie dargestellt wird. Is = Vcc/(R13 + R14) × R14/R17 Ie = 0
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Das
bedeutet, daß der
Strom I18, welcher in den Kondensator 18 fließt, allmählich vom
Anfangswert abnimmt und zu Null wird, und in den Kondensator 18 geladen
wird, so daß der Emitterstrom
des Transistors 12 von seinem Anfangswert auf einen vorbestimmten
Wert ansteigt. Daher verändert
ein Strom It, welcher in die Transistoren 11 und 12 fließt, seinen
Anfangswert entsprechend dem Strom I18, d.h. er nimmt von seinem
Anfangswert ab und wird bei einem vorbestimmten wert stabil. Da
der Quellenstrom I9 aus den Transistoren 11 und 12 entsprechend
der Veränderung
dieses Stroms It zugeführt wird,
nimmt der Quellenstrom I9 allmählich
von seinem Anfangswert ab, und wird bei einem vorbestimmten Wert
stabil. Da das Produkt des Quellenstroms I9 und des Widerstandswertes
des festen Widerstands 6 die Offsetspannung ΔE ist, wird
die Offsetspannung ΔE
direkt nach dem Anlegen einer Versorgungsspannung zur Spannung des
nicht-invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 7 als
ein Anfangswert ΔEs
hinzuaddiert. Danach nimmt die Offsetspannung ΔE ab und wird bei einem Endwert von ΔEe stabil.
Der Anfangswert ΔEs
wird durch die folgende Gleichung dargestellt. ΔEs = VCC/(R13
+ R14) × (R13/R16 – R14/R17) × R6
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Der
Endwert ΔEe
verändert
sich wie durch die folgende Gleichung gezeigt. ΔEe = (Vcc/(R13
+ R14) × (R13/R16)) × R6
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Um
die Ausgabe B des Standes der Technik als Ausgabe V5 der Brückenschaltung
auszulöschen,
verändert
sich die Offsetspannung ΔE
allmählich
von ihrem Anfangswert ΔEs
während
einer Zeit Th auf einen vorbestimmten Wert, wie durch die Ausgabe
A der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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In 3(C) ist die Zeit Th erforderlich, um anfänglich das
zweite wärmeempfindliche
Element 2 zu heizen. Da das zweite wärmeempfindliche Element 2 keine
Wärme erzeugt
bis sein Widerstandswert während
dieser Zeit Th einen vorbestimmten Wert erreicht, liefert die Brückenschaltung
den Maximalstrom aus dem Transistor 8 an das zweite wärmeempfindliche
Element 2, um Wärme
zu erzeugen. Das bedeutet, da die Brückenschaltung nicht mit einer
regulären
Steuerung beginnt, arbeitet der Operationsverstärker 7 dafür, den Maximalstrom
zuzuführen,
und gibt eine Spannung aus, welche so hoch ist wie die Versorgungsspannung
des Operationsverstärkers 7.
Daher wird der Ausgang V5 während
der Zeit Th hoch. Unterdessen, in der Versorgungsquelle 9 wird
der Quellenstrom I9 durch die Filterschaltung gesteuert, um den
Fehler des Ausgangs V5 auszulöschen.
Da die Offsetspannung ΔE
sich allmählich ändert, wenn
die Brückenschaltung
nach der Zeit Th die reguläre
Steuerung beginnt, wird der Ausgang V5 der vorliegenden Erfindung
stabil bei einem Zielsignal bzw. Sollsignal, direkt nach der Zeit
Th, im Gegensatz zum Ausgang B des Standes der Technik, welcher
allmählich
bei einem Sollsignal stabil wird. Daher ist es möglich, die Zeit zu verkürzen, welche
erforderlich ist, damit der Ausgang V5 der Brückenschaltung beim Sollsignal
stabil wird.
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Der
Ausgang V5 der Brückenschaltung nimmt
linear zu, zusammen mit der Offsetspannung ΔE, wenn die Durchflußrate bzw.
Strömungsgeschwindigkeit
fest ist. Daher, wenn die Zeitkonstante τ im wesentlichen auf den gleichen
Wert eingestellt ist wie die Wärmezeitkonstante,
kann ein Fehler, welcher verursacht wird durch den Wärmeübertragungsverlust
der wärmeempfindlichen
Element 1 und 2 an den Trägerabschnitt, offensichtlich
ausgelöscht
werden, wodurch es möglich
wird, die Zeit zur Erreichung des Sollsignals nach Anlegen einer
Versorgungsspannung zu verkürzen.
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Gemäß dem obigen
Aufbau, da die Offsetspannung ΔE
des Operationsverstärkers 7 zur
Steuerung der Brückenschaltung
nur zum Zeitpunkt des Anlegens einer Versorgungsspannung vorübergehend
verändert
wird, kann ein Fehler zum Zeitpunkt der Wärmeerzeugung der wärmeempfindlichen
Elemente 1 und 2 korrigiert werden, und ein genaueres Ausgangssignal
V5 wird erhalten.
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Ausführung 2
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In
der ersten Ausführung
wurde beschrieben, daß die
Versorgungsquelle 9 so ist, daß das andere Ende des Kondensators 18 der
Filterschaltung geerdet ist. In der zweiten Ausführung, welche in 4 gezeigt
ist, ist ein Ende eines Kondensators 20 mit einem Anschluß verbunden,
dem Vcc zugeführt wird,
das andere Ende des Kondensators 20 ist mit einem Ende
eines festen Widerstandes 19 verbunden, das andere Ende
des festen Widerstandes 19 ist mit den festen Widerständen 15 und 16 und
mit dem Emitter des Transistors 12 verbunden, und eine
Filterschaltung, welche aus dem festen Widerstand 19 (Widerstandswert
R19) und dem Kondensator 20 (Kapazitätswert C18) besteht, bildet
die Versorgungsquelle 9. In dieser zweiten Ausführung, wie
in 5(C) gezeigt, wird angenommen,
daß der
Schaltungsbetrieb so ist, daß der
Ausgang V5 der Brückenschaltung
allmählich
ansteigt, direkt nach dem Anlegen einer Versorgungsspannung, wie
durch Ausgang D gezeigt. Der Grund, warum der Ausgang sich so verändert, ist,
daß die
Wärme des
Trageabschnitts, die von dem zweiten wärmeempfindlichen Element 2 übertragen
wird, einen Einfluß auf
die Wärmemessung
des ersten wärmeempfindlichen Elementes 1 hat.
Um diesen Einfluß auszuschließen, wird
die Zeitkonstante der Filterschaltung im voraus so eingestellt,
daß sie
die Gesamtwärmezeitkonstante
des zweiten wärmeempfindlichen
Elementes 2 auslöscht.
Daher, selbst wenn die Wärme
des Trageabschnitts, welche übertragen
wird von dem zweiten wärmeempfindlichen
Element 2, existiert, kann ein Ausgangsfehler beseitigt
werden, ohne Beeinflussung der Temperaturmessung des ersten wärmeempfindlichen
Elementes 1. In diesem Fall wird die Rückkopplungssteuerung des Operationsverstärkers ebenfalls
nicht ausgeführt.
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Nun
wird der Betrieb dieser Steuerschaltung mit fester Temperaturdifferenz
unter Bezugnahme auf die 5(A), 5(B) und 5(C) beschrieben.
Der Ausgang C dieser Ausführung
wird verglichen mit dem Ausgang D der Schaltung des Standes der Technik,
wenn eine Versorgungsspannung zu einem in 5(A) gezeigten
Zeitpunkt angelegt wird. 5(B) zeigt
die Signalform einer Offsetspannung ΔE und 5(C) zeigt
die Signalform der Ausgabe VS der Brückenschaltung. Wenn eine Versorgungsspannung
zu dem in 5(A) gezeigten Zeitpunkt angelegt
wird, wird eine Spannung, welche gleich einer Spannung an beiden
Enden des festen Widerstandes 13 ist, an beiden Enden des
festen Widerstandes 16 der 4 erzeugt,
und ein durch die folgende Gleichung repräsentierter Strom I16 fließt in den
festen Widerstand 16. I16 = VCC/(R13
+ R14) × R13/R16
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Unterdessen
wird ein Strom in den Kondensator 20 mit einer Zeitkonstante τ(C20 × R19) geladen,
und der geladene Strom I20 ist dargestellt durch die folgende Gleichung,
wenn der Anfangswert durch Is dargestellt wird, und der Endwert
durch Ie dargestellt wird. IS = Vcc/(R13 + R14) × R13/R20 Ie = 0
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Das
bedeutet, daß der
Strom I20, welcher in den Kondensator 20 fließt, allmählich vom
Anfangswert Is abnimmt und zu Null wird, und in dem Kondensator 20 so
geladen wird, daß das
Potential des Emitteranschlusses des Transistors 12 vom
Anfangswert auf einen vorbestimmten Wert abfällt. Daher, während sich
ein Strom It, der in die Transistoren 11 und 12 fließt, von
seinem Anfangswert entsprechend dem Strom I20 verändert, nimmt
er allmählich
von seinem Anfangswert ab, und wird bei einem vorbestimmten Wert
stabil. Da der Quellenstrom I9 zugeführt wird aus den Transistoren 11 und 12,
zusammen mit der Veränderung
dieses Stroms It, nimmt er allmählich
ab von seinem Anfangswert und wird bei einem vorbestimmten Wert
stabil. Da das Produkt des Quellenstroms I9 und des Widerstandswertes des
festen Widerstands 6 zur Offsetspannung ΔE wird, wird
die Offsetspannung ΔE
direkt nach dem Anlegen einer Versorgungsspannung von der Spannung
des nichtinvertierenden Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers 7 als
ein Anfangswert ΔEs
subtrahiert. Danach nimmt die Offsetspannung ΔE ab und wird bei einem Endwert ΔEe stabil.
Der Anfangswert ΔEs
wird dargestellt durch die folgende Gleichung. ΔEs = (VCC/(R13
+ R14) × (R13/R16
+ R13/R20)) × R6
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Der
Endwert ΔEe
verändert
sich wie durch die folgende Gleichung angegeben. ΔEe = (Vcc/(R13
+ R14) × (R13/R16)) × R6
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Unterdessen,
da der Ausgang V5 der Brückenschaltung
zusammen mit ΔE
linear zunimmt wenn die Durchlußrate
bzw. Strömungsgeschwindigkeit
fest ist, wenn die obige Zeitkonstante auf im wesentlichen den gleichen
Wert eingestellt ist wie die Wärmezeitkonstante,
wie in Ausführung
1, kann ein Fehler offensichtlich ausgelöscht werden, wodurch es möglich wird,
die Zeit zur Erreichung des Sollsignals zum Zeitpunkt des Anlegens
einer Versorgungsspannung zu verkürzen.
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In 5(C) ist die Zeit Th eine Zeit, die erforderlich
ist, um das zweite wärmeempfindliche
Element 2 anfänglich
zu heizen, wie in Ausführung
1.
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Ausführung 3
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In
der obigen Ausführung
1 ist die Filterschaltung vorgesehen auf der Seite des nicht-invertierenden
Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers 10. Bei dieser
dritten Ausführung,
wie in 6(A) gezeigt, ist ein Ende
eines Kondensators 22 mit einem Anschluß T und mit einem Ende eines
festen Widerstandes 13 verbunden, das andere Ende des Kondensators 22 ist
mit einem Ende eines festen Widerstandes 21 verbunden,
das andere Ende des festen Widerstandes 21 ist mit dem
anderen Ende des festen Widerstandes 13 und mit dem nicht-invertierenden
Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers 10 verbunden,
und eine Filterschaltung, welche aus einem festen Widerstand 21 und
dem Kondensator 22 besteht, ist vorgesehen zur Steuerung
des Potentials des nicht-invertierenden Eingangsanschlusses des
Operationsverstärkers 10.
Alternativ, wie in 6(B) gezeigt, kann
eine Filterschaltung vorgesehen sein, welche besteht aus (1) einem
festen Widerstand 22, dessen eines Ende verbunden ist mit
dem anderen Ende des festen Widerstandes 13 und mit dem
nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 10,
und (2) einem Kondensator 24, dessen eines Ende verbunden
ist mit dem anderen Ende des festen Widerstandes 23, und
dessen anderes Ende geerdet ist. Somit kann der Quellenstrom I9
zum Auslöschen
eines Ausgangsfehlers zugeführt
werden, wie bei den Ausführungen
1 und 2, selbst wenn das Potential des nicht-invertierenden Eingangsanschlusses,
welches ein Referenzpotential für
den Betrieb des Operationsverstärkers 10 ist, gesteuert
wird.
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Ausführung 4
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In
der obigen ersten Ausführung
ist eine Primärfilterschaltung
vorgesehen. In dieser vierten Ausführung ist eine Sekundärfilterschaltung
vorgesehen, bestehend aus festen Widerständen 25 und 26,
und Kondensatoren 27 und 28. Wie in 7(A) gezeigt, ist ein Ende des festen
Widerstandes 25 verbunden mit dem anderen Ende des festen
Widerstandes 16 und mit dem Emitteranschluß des Transistors 12,
das andere Ende des festen Widerstandes 25 ist mit einem
Ende des festen Widerstandes 26 und mit einem Ende des
Kondensators 27 verbunden, die anderen Enden des festen
Widerstandes 26 und des Kondensators 27 sind verbunden
mit einem Ende des Kondensators 28, und das andere Ende
des Kondensators 28 ist geerdet. Alternativ kann eine Sekundärfilterschaltung
vorgesehen sein, welche aus festen Widerständen 29 und 30,
und Kondensatoren 31 und 32 besteht. Wie in 7(B) gezeigt, ist ein Ende des festen
Widerstandes 29 verbunden mit dem anderen Ende des festen
Widerstandes 16 und mit dem Emitteranschluß des Transistors 12,
das andere Ende des festen Widerstandes 29 ist mit einem
Ende des festen Widerstandes 30 und mit einem Ende des
festen Kondensators 31 verbunden, die anderen Enden der
festen Widerstände 30 und
des Kondensators 31 sind verbunden mit einem Ende des Kondensators 32,
und das andere Ende des Kondensators 32 ist mit dem Anschluß Vcc verbunden,
an welchen eine Versorgungsspannung angelegt wird.
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Wenn
ein Ausgangsfehler mit der Sekundärfilterschaltung ausgelöscht wird,
verändert
sich der Ausgang (Ladung) der Sekundärfilterschaltung steiler als
bei der Primärfilterschaltung,
wodurch es möglich
wird, die Zeit zur Erreichung des Zielsignals bzw. Sollsignals zum
Zeitpunkt des Anlegens einer Versorgungsspannung zu verkürzen. Ein
aktives Filter unter Verwendung eines Operationsverstärkers kann vorgesehen
sein. Auch kann eine Sekundärfilterschaltung
oder eine Filterschaltung höherer
Ordnung vorgesehen sein.
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Ausführung 5
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In
der obigen ersten Ausführung
wird die Offsetspannung ΔE
durch die in der Versorgungsquelle 9 eingebaute Filterschaltung
gesteuert. In dieser fünften
Ausführung,
wie in 8 gezeigt, ist eine Primärfilterschaltung oder Sekundärfilterschaltung 50, wie
die oben beschriebenen, vorgesehen zwischen der Versorgungsquelle 9 und
einem Anschluß,
an welchem eine Spannung Vcc angelegt wird, so daß der Anstieg
der Spannung Vcc verzögert
wird, wie durch die Signalform E der 9(A) gezeigt,
um das Zuführen
der Offsetspannung ΔE
zu verzögern,
so daß das
gleiche Verhalten bereitgestellt wird wie bei den Ausführungen
1, 2, 3 und 4. E in 9 zeigt die Signalform
der Schaltung der vorliegenden Erfindung, und F zeigt die Signalform
der Schaltung des Standes der Technik.
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Ausführung 6
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sIn
der obigen ersten Ausführung
ist die Filterschaltung geerdet. In der zweiten Ausführung ist die
Filterschaltung verbunden mit dem Anschluß, an welchen eine Spannung
Vcc angelegt wird. In dieser sechsten Ausführung ist eine Schalteinrichtung
vorgesehen, um zwischen dem Erden der Filterschaltung oder dem Verbinden
der Filterschaltung mit dem Anschluß, an welchen die Spannung
Vcc angelegt wird, auszuwählen.
Da die innere Konfiguration dieser Filterschaltung gleich ist, macht
es die Schalteinrichtung leicht, ein Verfahren zur Veränderung
der Offsetspannung ΔE
zu wählen.
Dies kann bewirkt werden durch Anschluß eines Überbrückungsdrahtes bzw. Jumpers
(nicht abgebildet) an die Schalteinrichtung. Diese Schalteinrichtung
kann in den wärmeempfindlichen
Durchflußmessern
der 6(A), 6(B), 7(A) und 7(B) vorgesehen
sein.
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Wie
oben beschrieben, ist gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Versorgungsquelle vorgesehen
zum Anlegen der Offsetspannung an die Eingangsschaltung des Differentialverstärkers bzw.
Differenzverstärkers,
und eine Offsetspannung-Veränderungseinrichtung
ist vorgesehen, um vorübergehend
die Offsetspannung zum Zeitpunkt des Anlegens einer Versorgungsspannung zu
verändern.
Daher kann ein Ausgangsfehler direkt nach dem Anlegen einer Versorgungsspannung
unterdrückt
werden, und die Zeit zur Erreichung des Zielsignals kann verkürzt werden.
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Nach
dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, da die Offsetspannungs-Veränderungseinrichtung
die Offsetspannung zum Zeitpunkt des Anlegens einer Versorgungsspannung
hinzuaddiert und dann die Offsetspannung allmählich verringert, kann ein
Ausgabefehler direkt nach dem Anlegen einer Versorgungsspannung
unterdrückt
werden, und die Zeit zur Erreichung des Sollsignals kann verkürzt werden.
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Nach
dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, da die Offsetspannungs-Veränderungseinrichtung
die Offsetspannung zum Zeitpunkt des Anlegens einer Versorgungsspannung
subtrahiert und dann die Offsetspannung allmählich verringert, selbst wenn
es Wärme
gibt, die von dem zweiten wärmeempfindlichen
Element an den Trageabschnitt übertragen
wird, wird die Zeitkonstante der Filterschaltung eingestellt, diese
Wärmezeitkonstante auszulöschen, und
ein Ausgangsfehler kann ausgelöscht
werden.
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Gemäß dem vierten
Aspekt der vorliegenden Erfindung, da die Offsetspannung-Veränderungseinrichtung
aus einer Primärfilterschaltung
besteht, und die Zeitkonstante der Filterschaltung auf beinahe den gleichen
Wert eingestellt ist wie die Wärmezeitkonstante
des zweiten wärmeempfindlichen
Elementes, kann ein Ausgangsfehler direkt nach dem Anlegen einer
Versorgungsspannung unterdrückt
werden, und die Zeit zur Erreichung des Sollsignals kann verkürzt werden.
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Gemäß dem fünften Aspekt
der vorliegenden Erfindung, da die Offsetspannungs-Veränderungseinrichtung
aus einer Sekundärfilterschaltung
oder einer Filterschaltung höherer
Ordnung besteht, und die Zeitkonstante der Filterschaltung eingestellt
ist auf beinahe den gleichen Wert wie die Wärmezeitkonstante des zweiten
wärmeempfindlichen
Elementes, kann die Zeit zur Erreichung des Sollsignals verkürzt werden.