DE202005008774U1

DE202005008774U1 - Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids

Info

Publication number: DE202005008774U1
Application number: DE200520008774
Authority: DE
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2015-06-03

Abstract

Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids mittels eines Sensors mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand, der sich in thermischem Kontakt mit dem Fluid befindet, mit
a) einer Schalteinrichtung, die an den Sensor in dessen Heizphase in einem vorgebbaren Takt abwechselnd eine Heizspannung und eine zum Bestimmen der Sensortemperatur geeignete Messspannung anlegt, die so gewählt ist, dass sie den Sensor nicht oder nur vernachlässigbar erwärmt, und an den Sensor in dessen Abkühlphase nur die Messspannung anlegt,
b) Mitteln zum Vergleichen eines die Sensortemperatur abbildenden Spannungswertes mit einem oberen und einem unteren Grenzwert, dem ein oberer und ein unterer Temperaturgrenzwert entspricht,
c) Mitteln zum Betätigen der Schalteinrichtung, um die Heizspannung abzuschalten, wenn die Vergleichsmittel in der Heizphase das Erreichen des oberen Temperaturgrenzwerts detektieren, oder die Heizspannung anzuschalten, wenn die Vergleichsmittel in der Abkühlphase das Erreichen des unteren Temperaturgrenzwerts detektieren, sowie
d) Mitteln zum Bestimmen der Zeitdauer von Heizphase und...

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, d. h. eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, mittels eines Sensors mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand, der auf einem Substrat aufgebracht ist und mit dem Fluid in thermischem Kontakt steht.
Aus der DE 19960437 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit eines in einem Kanal befindlichen Fluids bekannt, die einen durch einen Heizstrom auf eine gegenüber der Fluidtemperatur erhöhte Arbeitstemperatur aufgeheizten Messfühler aufweist. Der Messfühler wird mittels einer Steuerschaltung während vorbestimmter Messabschnitte entweder mit der Heizspannung oder einer Widerstandsmesseinrichtung verbunden. Während der Messabschnitte, in denen der Messfühler mit der Heizspannung verbunden ist, ist aus der Änderung des Heizstromes die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids bestimmbar. Während der Messabschnitte, in denen der Messfühler mit der Widerstandsmesseinrichtung verbunden ist, wird die Heizspannung soweit abgesenkt, dass die Eigenerwärmung des Messfühlers klein gegenüber der Arbeitstemperatur ist, und aus dem Widerstand des Messfühlers die Temperatur des Fluids ermittelt.
Bekannt sind auch Verfahren zur Strömungsmessung, die auf der Bestimmung der Abkühlzeit des mit einer gepulsten Heizspannung erwärmten Sensors basieren, der während der Abkühlphase als Temperatursensor fungiert (z. B. DE 3639666 A1 ). Bei einer die Aufheizphase modifizierenden Variante dieses Verfahrensprinzips ( US 5710380 ) wird der Sensor mittels einer Gruppe von Heizspannungs-Impulsen auf eine vorgebbare Temperatur oberhalb der Medientemperatur aufgeheizt. Nach jeweils einer Gruppe von Heizpulsen folgt ein Lesezyklus, bei dem am Sensor keine Heizspannung sondern nur eine niedrigere Messspannung zur Bestimmung der erreichten Sensortemperatur liegt.
Verfahren mit Auswertung sowohl der Aufheiz- als auch der Abkühlzeit sind z. B. in der DE 10030826 A1 und der DE 3527868 A1 beschrieben. Aus dem Verhältnis von Aufheizzeit und Abkühlzeit wird die Strömungsgeschwindigkeit berechnet. Alternativ ( DE 3429729 A1 ) kann auch das Puls-Pausenverhältnis der Heizleistung, die zum Aufheizen des Sensors auf eine vorgebbare Temperatur über der Medientemperatur erforderlich ist, als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit verwendet werden. Gemäß der DE 3527868 A1 ist auch eine Variante bekannt, bei der periodisch zwischen einer Aufheiz- und einer Abkühlphase umgeschaltet wird und der Sensor während der Abkühlphase durch Reduzierung der angelegten Spannung als Temperaturmesssonde geschaltet ist. Die dafür notwendige Steuereinheit kann in einer baulichen Einheit zusammen mit dem Sensor als Halbleiterbauelement ausgeführt sein.
Aus der DE 10009638 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen mittels eines Verfahrens bekannt, bei dem an einen im Gasstrom befindlichen Heizdraht eine gepulste Spannung mit einem konstanten Pulsbreiten-Verhältnis gelegt und aus dem Integralwert des Heizdrahtwiderstandes während mehrerer Heizspannungs-Impulse die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird.
Aus der DE 3803609 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit einem in Brückenschaltung betriebenen Heizdraht bekannt, der mit einer gepulsten Heizspannung betrieben wird. Der Heizdraht wird periodisch bis zu einer vorgegebenen Temperatur aufgeheizt, bei deren Erreichen der Heizstrom abgeschaltet wird, bis ein weiterer Heizspannungs-Impuls den nächsten Aufheizvorgang einleitet. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums wird die Zeitdauer gemessen, bis der Heizdraht wieder auf die vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird. Die Zeitdauer dieses Aufheizvorgangs korrespondiert zu einem Pulsbreiten-Verhältnis, das ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellt.
Ausgehend von dem vorstehend dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Strömungsgeschwindigkeit mit höherer Genauigkeit zu bestimmen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die gleichzeitige Verwendung des Sensors als Wärmequelle und als Temperaturfühler wird eine trägheitslose Temperaturregelung mit fester Hysterese realisiert. Weil die Dauer von Aufheizzeit und Abkühlzeit des Sensors von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids abhängt, kann die Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung von durch Kalibrierung ermittelten Werten aus dem Verhältnis der gemessenen Aufheizzeit und Abkühlzeit ermittelt werden. Unter Verwendung des Kontinuitätsgesetzes auf Gase und Flüssigkeiten kann mit der Erfindung auch der Volumen- und Massedurchfluss ermittelt werden.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
Dabei zeigen
1 eine Prinzipdarstellung der Position eines Sensors und des Leistungsschalters auf einem Substrat,
2 die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit frequenzproportionalem Ausgangssignal Z(v),
3 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Entsprechend 1 wird der Sensor im Zentrum des Trägersubstrats angeordnet. Dieses Substrat besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass der Wärmeabfluss vom erwärmten Sensor über das Substrat gering ist. Fließt nun der Windstrom mit einer Geschwindigkeit v über den Sensor, so wird dem Sensor auf der Oberfläche infolge der Konvektion Wärmeenergie entzogen. Da die Konvektion auf der Oberfläche des Sensors infolge der festen Geometrie nur noch von der Wärmeübergangszahl α abhängt, diese aber eine Funktion der Geschwindigkeit ist, kann über den Wärmeenergieverlust die Geschwindigkeit der Windströmung gemessen werden. Dieses Grundprinzip basiert in bekannter Weise auf dem des Hitzdrahtanemometers.
Da der Wärmeenergieverlust eine Funktion der Wind- bzw. Medienströmung ist, muss dieser in geeigneter Weise gemessen werden. 2 zeigt dazu eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und 3 das zugehörige Impulsdiagramm.
Charakteristisch für die Erfindung ist, dass der auf dem Substrat angeordnete Sensor mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand sowohl als Heizer als auch als Temperatursensor fungiert, sodass auf den sonst üblichen separaten Temperatursensor verzichtet wird. Diese Maßnahme macht die Messung der Windgeschwindigkeit richtungsunabhängig. Dadurch wird außerdem erreicht, dass die Messung der Heizertemperatur trägheitslos erfolgt, weil Heizer- und Temperaturfühlerwicklung identisch sind. Um die gemessene Sensortemperatur mit einem oberen und einem unteren Grenzwert zu vergleichen und mit der entstehenden Hystrese den durch den Leistungsschalter T betätigten Heizstrom ein- und auszuschalten, wird ein Präzisions-Schmitt-Trigger verwendet, bestehend aus den Komparatoren Ku und Ko sowie einem RS-Flip-Flop. Zwischen den Komparatoren Ku und Ko und dem RS-Flip-Flop wird der Präzisions-Schmitt-Trigger um zwei D-Flip-Flops erweitert, die immer nur dann die Übernahme der Zustandsinformation aus den Komparatoren Ku und Ko in das RS-Flip-Flop erlauben, wenn der störende Heizstrom nicht fließt, also der Messstrom fließt. In der Heizphase bleiben die in der Messphase anliegenden Schaltzustände von Ku als Qu und Ko als Qo erhalten bzw. gespeichert.
Die ohmschen Widerstände R3, R4 und R5 legen im Spannungsteiler die obere und die unter Grenztemperatur für den Vergleich mit dem durch V verstärkten temperaturabhängigen Spannungsabfall über dem Heizer fest.
Die logische Verknüpfung ist so ausgelegt, dass zu Beginn zunächst ein Heizstrom fließt, der den Sensor erwärmt. Dieser definierte Zustand wird durch einen R-Takt (3) sicher gestellt, der die beteiligten Flip-Flops in den Anfangszustand versetzt. Wird die obere Grenztemperatur To erreicht, ändert der Komparator Ko seinen logischen Zustand und am Ausgang des RS-Flip-Flops tritt in gleicher Weise eine Zustandsänderung ein, so dass nun der Heizstrom abgeschaltet wird. Infolge der durch die Windströmung verursachten Abkühlung wird nach Ablauf einer bestimmten Zeit die untere Grenztemperatur Tu erreicht und der Zustand am Ausgang des Komparators Ku ändert sich. Da nach der Unterschreitung der oberen Grenztemperatur der Komparator Ko bereits seinen Zustand geändert hat, der vorhergehende Zustand aufgrund der Eingangsbelegung am RS-Flip-Flop an seinem Ausgang gehalten wird, ändert er erst jetzt aufgrund der nun herrschenden Eingangsbelegung seinen Ausgangszustand. Der Heizstrom wird wieder eingeschaltet.
Der Heizstrom wird demzufolge an der unteren Temperatur Tu nur ein- und an der oberen Temperatur To nur ausgeschaltet. Auf Grund der Wärmeträgheit über- bzw. unterschreitet die Heizertemperatur in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit den Wert des oberen bzw. den des unteren Grenzwertes, so dass eine weitere Beeinflussung der Periodendauer bzw. der Frequenz erfolgt und in 3 gezeigt wird.
Auf Grund der immer noch vorhandenen, wenn auch geringen Wärmeleitfähigkeit des Substrats, erfolgt ein Wärmeenergieabfluss vom Sensor in das Trägersubstrat hinein. Um das zu verhindern kann auf der Gegenseite des Trägersubstrats ein Heizer angeordnet werden. Infolge seiner Heizenergie wird der Wärmestrom vom Sensor in das Substrat hinein verringert bzw. unterbrochen, sodass mehr Wärmeenergie für die Konvektion zur Verfügung steht. Dies erhöht die Messempfindlichkeit. Wie 1 zeigt, kann für den zweiten Heizer auf der Substratunterseite der verlustleistungsbehaftete Leitungsschalter T eingesetzt werden.

Claims

Schaltungsanordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids mittels eines Sensors mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand, der sich in thermischem Kontakt mit dem Fluid befindet, mit a) einer Schalteinrichtung, die an den Sensor in dessen Heizphase in einem vorgebbaren Takt abwechselnd eine Heizspannung und eine zum Bestimmen der Sensortemperatur geeignete Messspannung anlegt, die so gewählt ist, dass sie den Sensor nicht oder nur vernachlässigbar erwärmt, und an den Sensor in dessen Abkühlphase nur die Messspannung anlegt, b) Mitteln zum Vergleichen eines die Sensortemperatur abbildenden Spannungswertes mit einem oberen und einem unteren Grenzwert, dem ein oberer und ein unterer Temperaturgrenzwert entspricht, c) Mitteln zum Betätigen der Schalteinrichtung, um die Heizspannung abzuschalten, wenn die Vergleichsmittel in der Heizphase das Erreichen des oberen Temperaturgrenzwerts detektieren, oder die Heizspannung anzuschalten, wenn die Vergleichsmittel in der Abkühlphase das Erreichen des unteren Temperaturgrenzwerts detektieren, sowie d) Mitteln zum Bestimmen der Zeitdauer von Heizphase und Abkühlphase.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsmittel als Präzisions-Schmitt-Trigger ausgebildet sind, bestehend aus den Komparatoren Ku und Ko sowie einem RS-Flip-Flop und zwischen den Komparatoren Ku und Ko und dem RS-Flip-Flop zwei D-Flip-Flops geschaltet sind, die immer nur dann die Übernahme der Zustandsinformation aus den Komparatoren Ku und Ko in das RS-Flip-Flop erlauben, wenn am Sensor die Messspannung aber keine Heizspannung anliegt.