DE2145460A1

DE2145460A1 - Thermo-Sensor

Info

Publication number: DE2145460A1
Application number: DE19712145460
Authority: DE
Inventors: Ernst Uster Felix (Schweiz)
Original assignee: Zellweger Uster AG
Current assignee: Zellweger Uster AG
Priority date: 1971-02-17
Filing date: 1971-09-10
Publication date: 1972-08-31
Also published as: AU466959B2; AT328346B; BE775171A; AU3852572A; ATA915771A; RO61836A; ES399839A1; FR2125255A1; NL7113406A; DD95706A5; CH528084A

Description

DR. MÜLLER-BURE DIPL-PHYS. DR. MANITZ DIPL-CHEM. DR. DEUFEL DIPL-ING. FINSTERWALD DIPL-ING. GRÄM KOW

ίΐ. PATENTANWÄLTE 2 1 4 5 4 5 Q

10. SEP. »71 φ

M/U - Z 1081

ZBLLVEGER AG

Apparate- und Maschinenfabriken Uster CH-8610 Uster / SCHWEIZ

Thermo-Sensor

Die vorliegende Erfindung betrifft ein wärmeempfindliches Element, das durch ein vorbeiströmendes Medium beeinflusst wird.

Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei welchen mit Hilfe von Wärmefühlern Strömungen .gemessen werden. Ein Beispiel hierfür ist in einer Abhandlung "Die elektronische Messung der Strömungsgeschwindigkeit und der Turbulenz¹· von R.P. Staritz gegeben, erschienen in der VDI-Zeitschrift 102 (i960) Nr.3 Ein ganz spezielles Verfahren ist in der deutschen Patentanmeldung P 20 53 ^7Ö«5 beschrieben, in dem gezeigt wird, wie ein bewegtes Medium, insbesondere die einen Textilfaden umgebende Luft, an einem wärmeempfindlichen Element vorbeigeführt wird und somit festgestellt werden kann, ob sich das Medium bewegt oder nicht.

In vielen Fällen genügen diese Verfahren vollkommen. Werden jedoch höhere Anforderungen an die Ansprechge-

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schwindigkeit gestellt, so sind die wärmeempfindlichen

T Elemente meistens zu träge. So haben^züin Beispiel NTC- , Widerstände («Widerstände mit negativem Temperatur- ·' koeffizienten, !negative ^temperature coefficient) Zeitkonstanten von der GrossenOrdnung bis 10 und mehr Sekunden.

In normalen Fällen wird das wärmeempfindliche Element aufgeheizt. Je nach der Geschwindigkeit des sich vorbeibewegenden Mediums erfolgt eine mehr oder weniger starke Abkühlung. Durch Verkleinerung der Elemente kann zwar noch eine Reduktion der Zeitkonstanten erreicht werden, doch sind der Verkleinerung oftmals aus verschiedenen Gründen Grenzen gesetzt. Jedenfalls ist es recht schwierig, wärmeempfindliche Elemente mit Zeitkonstanten von 1 Sekunde oder noch weniger in geeigneter Form herzustellen. Für bestimmte Fälle ist hingegen eine kleine Zeitkonstante ein unbedingtes Erfordernis. So könnte z.B. die in der deutschen Patentanmeldung P 20 53 478.5 offenbarte Erfindung noch einen viel grösseren Anwendungsbereich . finden, wenn die Zeitkonstante kleiner wäre. Gilt es zum Beispiel, an Verarbeitungsmaschinen der Textilindustrie bei einem Fadenbruch die Maschine oder eine einzelne Arbeitsstelle schnell stillzusetzen, so sind nur Vorrichtungen mit kleinen Zeitkonstanten brauchbar.

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Die vorliegende Erfindung überwindet diese Nachteile , und besteht aus einem wärmeempfindlichen Element, das durch ein vorbeiströmendes Medium beeinflusst wird, und zeichnet sich dadurch aus, dass das wärmeempfindliche Element auf einer vorgegebenen, mindestens annähernd konstanten Temperatur gehalten wird, wobei die . zur Konstanthaltung der Temperatur notwendige zusätzliehe Energie ein Mass für Geschwindigkeit des vorbeiströmenden Mediums ist.

Die Erfindung bezieht sich auch auf die Anwendung des wärmeempfindlichen Elementes als Fadenlaufwächter in Verarbeitungsmaschinen der Textilindustrie..

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Beschreibung und der Figuren erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 das Prinzip eines von aussen beeinflussten

wärmeempfindlichen Elementes; Fig. 2 das Prinzip eines von aussen beeinflussten wärmeempfindiiehen Elementes mit äuöerer

Energie zufuhr;
Fig. 3 das Prinzip eines von aussen beeinflussten wärmeempfindlichen Elementes mit innerer

Wärmeerzeugung; _;.

Fig. 4 das Prinzipschaltbild einer wärmeempfindlichen

Steuerung mit selbsttätiger Temperaturregelung Fig. 5 ein weiteres Prinzipschaltbild einer wärme- ν

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empfindlichen Steuerung mit selbsttätiger Temperaturregelung;

Fig. 6 ' ein drittes Prinzipschaltbild einer wärmeempfindlichen Steuerung mit selbsttätiger _; Regelung der Temperatur;

Fig. 7 den zeitlichen Verlauf einer pulsierenden Gleichspannung';

Fig. 8 den zeitlichen Verlauf einer gesteuerten Spannung;

Fig. 9 eine Brückenschaltung;

Fig. 10 ein Schaltbild eines Temperaturfühlers in . BrUckenschaltung;

Fig. 11 das Prinzip eines geschlossenen Regelkreises.

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In der Pig. 1 ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Darin stellt 1 das wärmeempfindliche
Element dar, das von dem daran vorbeiströmenden Medium 2 dadurch abgekühlt wird, dass dieses von dem sich bewegenden Textilfaden in Bewegung gesetzt wird und dadurch dem wärmeempfindlichen Element Wärmeenergie entzieht. Mit 3 ist angedeutet, dass die entzogene Wärmeenergie wieder zugeführt wird, damit das Element 1 auf konstanter Temperatur gehalten wird.
In der Fig. 2 sind dieselben Teile wie in Pig. I gezeigt; zusätzlich ist mit 4 ein Element bezeichnet,
das die zu ersetzende Wärmeenergie an das Element 1
abgibt. Bei dieser Anordnung ergibt sich aber durch die· thermische Kopplung zwischen den Elementen 1 und 4 eine gewisse schädliche Zeitkonstante.

Diese wird in der in Pig. 3 gezeigten prinzipiellen Anordnung vermieden. Das wärmeempfindliche Element 1
wird hierbei direkt beheizt.

Pig. 4 zeigt als Schaltbild eine Temperaturkompensation des fremdbeheizten Elementes 1 gemäss Pig. 2. Das wärmeempfindliohe Element 1 liegt- mit einem Widerstand 5
in Reihe an einer Spannung U . Der durch diese Widerstände 1 und 5 fliessende Strom erwärmt den Widerstand 1, der beispielsweise ein NTC-Widerstand sein kann. Der an ihm anstehende Teil U₁ der Spannung U ist somit ein

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Mass für seinen Widerstand. Diese Teilspannung U₁ wird nun einem Regler 6 zugeführt, der den Heizwiderstand 4, der mit dem wärmeempfindlichen Element 1 thermisch gekoppelt ist, derart aufheizt, dass die Temperatur des letzteren konstant bleibt. Die dem Heizwiderstand 4 aus einer Spannungsquelle 17 zugeführt Energie entspricht der durch das Medium 2 abgeführten Energie und bildet somit ein Mass für die Geschwindigkeit des Mediums 2. Die bereits oben erwähnte zusätzliche Zeitkonstante, bedingt durch die thermische Kopplung, ist bei dieser Anordnung noch nicht vermieden.

Die Ausgestaltung des in Pig. 3 gezeigten Prinzips ist in Fig. 5 dargestellt. Hierbei liegt das wärmeempfindliche Element 1 wiederum in Reihe mit einem Widerstand 5 an der Spannung U . Die Teilspannung U, ist an einen Regler 7 gelegt. Dieser wirkt nun aber direkt auf das wärme empfindliche Element 1 ein, indem er entsprechend der festgestellten Spannung U, eine dieser Spannung überlagerte Energie einspeist. Obwohl dies an sich ein Widerspruch ist, ist eine Trennung zwischen der Peststellung des Widerstandswertes und der Einspeisung von Energie möglich. Die Spannung für die Erwärmung des wärmeempfindlichen Elementes kann beispielsweise eine Gleichspannung, und die Spannung für die zusätzliche Energiezufuhr eine Wechselspannung sein.

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Durch die Wahl verschiedener Frequenzen für Mess-Bpannung und Speisespannung kann aber auch intermittierend am gleichen wärmeempfindlichen Element gemessen und Energie zugeführt werden. Dies kann auf vorteilhafte Weise durch Einsatz einer Phasenanschnittsteuerung realisiert werden. Hierbei ruht bei Beginn jeder Periode die Energiezufuhr, so dass während dieser Zeitintervalle die Widerstandsmessung erfolgen kann. Fig. 6 zeigt eine hierfür geeignete Schaltungsanordnung. 1 und 5 sind widerum die in Reihe an einer Gleichspannung U liegenden Widerstände. In einer Schaltungseinheit 8 an der zusätzlich eine Spannung Up liegt, sind nun sowohl die Messschaltung, als auch die Phasenanschnittsteuerung enthalten. Hierfür exi-

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stieren bekannte Schaltungen verschiedenster Art; ein für den vorliegenden Fall geeignetes Ausführungsbeispiel wird später erläutert.

Fig. 7 zeigt den zeitlichen Verlauf der Vorgänge der Schaltung gemäss Fig. 6. Die Spannung U^ sei eine pulsierende Gleichspannung. Unmittelbar nach Beginn eines Intervalls t findet die Messung der Teilspannung U, statt. Im Zeitpunkt t., setzt die Phasenanschnittsteuerung ein. Der Zeitpunkt t-, variiert demzufolge je nach der benötigten Energiezufuhr.

Fig. 8 zeigt den Spannungsverlauf am wärmeempfindlichen Element 1. Bei Beginn jeder Periode herrscht die Spannung U- und die Energiezufuhr durch die Phasenanschnittsteuerung ist eingestellt. Im Zeitpunkt t, setzt die Energiezufuhr durch Spannungs erhöhung am wärmeempfindlichen Element 1 ein. Bei einer Phasenanschnittsteuerung wird diese Spannung in der Regel dem Spannungsverlauf von U_ entsprechen.

Zur Kompensation äusserer Einflüsse, wie Raumtemperatur Luftbewegungen usw. ist ein Vergleichszweig besonders vorteilhaft. Hierzu wird beispielsweise ein weiteres wärmeempfindliches Element möglichst in der Nähe des ersten angeordnet, jedoch an einem solchen Ort, wo es von dem zu messenden bzw. überwachenden Objekt nicht mehr beeinflusst wird. Für solche Fälle sind beispielsweise

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Brlickenschaltungen sehr vorteilhaft, wie in Fig. 9 gezeigt ist. An die Spannung U ist wiederum die Serieschaltung der Widerstände 1 und 5_f in einem weiteren Zweig ein weiteres wärmeempfindliches Element 12 und ein Widerstand 11 gelegt. Am ersten wärmeempfindlichen Element 1 liegt die Spannung U, , am zweiten wärmeempfindlichen Element 12 liegt die Spannung U,. Diese beiden Spannungen, bzw. deren Differenz werden nun wiederum einer Mess- und Steuereinheit 9 zugeführt, wobei diese im wesentlichen der Einheit 8 in Fig. 6 entsprechend aufgebaut sein kann.

Fig. 10 zeigt ein ausführliches Schaltungsbeispiel für die Mess- und Steuereinheit 9· An einem Widerstand 15 liegt auf der einen Seite die Spannung IL,' auf der anderen Seite über einen Widerstand 14 beispielsweise eine Sägezahnspannung IL, damit die Schaltung in Phasenanschnittsteuerung arbeiten kann. Sobald die Spannung Uf. grosser ist als U, (unter Vernachlässigung der Basis-Emitterspannung eines Transistors 15)_f so wird Transistor 15 leitend. Sein Kollektorstrom ist identisch mit dem Basisstrom eines weiteren Transistors 16, und damit wird auch der Transistor 16 leitend; Damit liegt die Wechselspannung U« direkt am wärmeempfindlichen Element 1. Erst wenn die Wechselspannung UL die Gleichspannung U₁ unterschreitet oder auf Null absinkt, ist der leitende Zustand der Transistoren 15 und 16 beendet.

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In die Emitterzuleitung des Transistors 16 kann nun eine Anzeigevorrichtung, beispielsweise ein Instrument 18, geschaltet werden. Die vom wärmeempfindlichen Element benötigte Energie lässt sich dabei am Strom ip, dessen Grosse am Instrument 18 ablesbar ist, erkennen. Selbstverständlich können auch von dem Strom i« über an sich bekannte Einrichtungen Schaltapparate verschiedenster Art angesteuert werden, insbesondere solche, die die eine Luftströmung im Bereiche des Elements 1 verursachenden Objekte stillsetzen.

Die Spannung U muss nicht unbedingt eine Gleichspannung sein. Sie kann auch als Wechselspannung oder als pulsierende Gleichspannung angelegt werden; sie kann aber auch mit der Wechselspannung Up identisch sein.

Das erfindungsgemässe wärmeempfindliche Element mit der zugeordneten Schaltung kann auch als geschlossener Regelkreis betrachtet werden (Fig. 11). Darin ist 20 ein wärmeempfindliches Element mit einer bestimmten Wärmeträgheit (Zeitkonstante). Ueber eine Verbindung 21 wird der Istwert an den Regler 22 gemeldet. Durch die Verbindung 23 wird der Sollwert eingegeben. Ueber 24 wird das wärmeempfindliche Element 20 aufgeheizt. Au3 der Theorie der Regeltechnik ist bekannt, dass die Zeitkonstante in einem geschlossenen Regelkreis um den Faktor der Regelverstärkung verkleinert wird. Auf die er-

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findungsgemässe Vorrichtung übertragen bedeutet dies, dass die Wärmeträgheit des wärmeempfindlichen Elementes scheinbar um den Regelfaktor verkürzt wird.

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Claims

Patentansprüche

1.jWärmeempfindliches Element, das durch ein vorbeiströmendes Medium beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet , dass das wärmeempfindliche Element (l) auf einer vorgegebenen mindestens annähernd konstanten Temperatur gehalten wird, wobei die zur Konstanthaltung der Temperatur notwendige zusätzliche Energie ein Mass für die Geschwindigkeit des vorbeiströmenden Mediums (2) ist·

2. Wärmeempfindliches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass es als Widerstand mit von seiner Temperatur abhängigen Widerstandswert ausgebildet ist.

3* WärmeempfindIiches Element nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , dass der temperaturabhängige Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstand) aufweist.

. Wärmeempfindliches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass es mit einem Heizelement (4) gekoppelt ist.

Wärmeempfindliches Element nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet , dass das Heizelement (4) von einer äusseren Energiequelle (17) mit Energie versorgt wird, wobei die zugeführte Energiemenge vom Spannungsabfall (U, ) am wärmeempfindlichen Element (l) gesteuert wird.

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6. Wärmeempfindliches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die dem temperaturempfindlichen Widerstand (l) zugeführte Energie der zur Messung des Spannungsabfalles (U ) dienenden Spannung (U ) überlagert ist.

7· Wärmeempfindliches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass eine Brückenschaltung vorgesehen ist, in welcher ein erster temperaturabzeigender Widerstand (l) im einen, und ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand (12) im anderen Brückenzweig enthalten ist.

8. Wärmeempfindliches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Meßspannung (U ) eine Gleichspannung, die Spannung der Energiequelle (-17) eine Wechselspannung (U ) ist ο

9. Wärmeempfindliches Element nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Meßspannung (U₁) überlagerte Spannung (U_) eine pulsierende Gleichspannung ist, und dass eine sägezahnförmige Steuerspannung (U.) zu einem Bezugswiderstand (13) gelegt ist, wodurch der Einschaltpunkt (t,) für den Stromfluss der die Heizleistung liefernden pulsierenden Gleichspannung (U₀) in Abhängigkeit von der Grosse der Spannung (U₁) am temperaturabhängigen Widerstand (l) bestimmt wird.

IU. Wrirmeempfindliches Element nach Anspruch 1 und 4, dcidurch gekennzeichnet , dass die in den temperaturabhängigen Widerstand (l) zur Aufrecii Lfjrha L tun.·., seiner Tempera tür nach",o 1 Le Ter te

2 U ) *< > '■- / 1 U 2 3 BAD ORIGINAL

Energie in einem Instrument (l8) gemessen und/oder }J' ausgewertet wird. '^fe

11. Anwendung des wärmeempfindlichen Elementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Fadenlaufwächter in Verarbeitungsmaschinen der Textilindustrie.

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