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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus der US-PS 36 80 377 bekannt.
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In verfahrenstechnischen Einrichtungen und ähnlichen Anlagen ist häufig eine Strömungsanzeige erwünscht, die ein Alarmsignal erzeugt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit um einen vorbestimmten Prozentwert unter einem Nennwert liegt. Hierzu wird vorzugsweise eine Prozentanzeige verwendet, die von den meisten Bedienungspersonen leicht verstanden werden kann. Zusätzlich sollte auch eine Meßeinrichtung vorgesehen sein, die die Strömungsgeschwindigkeit in Längeneinheiten pro Zeiteinheit angibt. Eine solche Einrichtung ist in den meisten bisherigen Anlagen jedoch nicht vorhanden.
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Bekannte elektronische Einrichtungen zur Überwachung der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums zeigen oft den Nachteil, daß sie sich nicht zum kontinuierlichen Betrieb eignen, sondern nur relativ kurze Betriebsintervalle zwischen einzelnen Eichvorgängen ermöglichen. Andererseits sind sie in hohem Grade temperaturempfindlich.
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Bei der eingangs genannten bekannten Vorrichtung sind beide Diodenreihenschaltungen mit je einer Vergleichsschaltung verbunden, mittels derer die Temperaturdifferenz der beiden Anordnungen und damit die Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden kann. Dabei ist jeder temperaturabhängigen Reihenschaltung von Diodenstrecken ein Heizelement zugeordnet, welches jeweils eine Temperatur t 1 bzw. t 2 erzeugt. Die bisher bekannten und nach diesem Prinzip arbeitenden Meßeinrichtungen sind jedoch in der Praxis, abgesehen von dem Laboratoriumseinsatz, schwierig zu verwirklichen und eignen sich nicht für kontinuierlichen Betrieb. Ein Grund hierfür besteht darin, daß die zweite Diodenreihenschaltung gegenüber dem Einfluß des strömenden Mediums nur schwer isoliert werden kann, so daß es schwierig ist, einen genauen Meßwert bei veränderlicher Umgebungstemperatur zu erhalten. Ein weiterer Grund besteht darin, daß zwei Diodenreihenschaltungen mit ein und derselben Zeitkonstante schwierig erhältlich sind. Ein diesbezüglicher Unterschied verursacht aber Meßfehler und eine Alarmgabe bei veränderlichen Temperaturen im strömenden Medium. Ferner ist es schwierig, die Speiseleistung der Meßanordnung konstant zu halten. Die Kompensation entsprechender Änderungen erfordert komplizierte elektronische Steuerschaltungen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend aufgezeigten Nachteile bekannter Lösungen zu vermeiden und eine Vorrichtung zu schaffen, die bei einfachem Aufbau die vorstehend aufgezeigten Forderungen auch bei veränderlicher Umgebungstemperatur erfüllt und sich für kontinuierlichen Betrieb eignet.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung erschöpft sich nicht lediglich in einer Integration der verwendeten Schaltelemente, sondern sie sieht auch noch die Mitintegration des Heizelements bei einer der beiden integrierten Schaltungen vor. Auf diese Weise können temperaturempfindliche Anordnungen geschaffen werden, deren charakteristische Werte sehr genau übereinstimmen, da sie bei integrierten Schaltungen weitestgehend durch die Schwellenspannungen der verwendeten Halbleiterelemente bestimmt sind, welche wiederum relativ einfach mit vorgegebenen Werten zu verwirklichen sind. Darüber hinaus ist kein zusätzliches Heizelement mehr erforderlich, denn dieses wird in sehr einfacher Weise dadurch verwirklicht, daß einer der pn-Übergänge in der einen integrierten Schaltung in Sperrstromrichtung beaufschlagt wird und somit als Heizelement arbeitet.
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Eine Vorrichtung nach der Erfindung ist einfach und stabil aufgebaut und ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb bei sehr genauer temperaturunabhängiger Anzeige. Sie kann beispielsweise zur Überwachung der durch Filtereinrichtungen, Kondensatorbatterien, elektrische Heizungsinstallationen o. ä. geführten Luftmenge und für Steuerzwecke oder Ferneinstellungen eingesetzt werden. Ferner kann sie mit elektronischen Programmsteuerungen zur mehrstufigen Steuerung von Gebläsen oder mit Steuerungen zur Strömungsgeschwindigkeitsregelung kombiniert werden.
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Eine Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht eine sehr einfache und sichere Einstellung und kann im Hinblick auf ihren kompakten Aufbau in Luftkanälen beliebiger Abmessungen installiert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigt
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die einem Kanal für ein strömendes Medium zugeordnet ist,
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Fig. 2 ein Blockdiagramm der Vorrichtung und
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Fig. 3 eine elektrische Schaltungsanordnung für die Vorrichtung.
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In Fig. 1 ist eine Wand 2 eines Kanals für ein strömendes Medium dargestellt. Die Meß- oder Überwachungsvorrichtung nach der Erfindung umfaßt zwei Hauptteile, und zwar eine elektronische Verstärkungs- und Alarmgebereinheit 4 und eine Platte 6, auf der zwei temperaturempfindliche Anordnungen 8 und 10 befestigt sind. Die Einheit 4 ist an der Außenseite der Kanalwand 2 befestigt, die Platte 6 mit den beiden temperaturempfindlichen Anordnungen 8 und 10 ragt quer zur Strömungsrichtung in den Kanal, ihre Ebene liegt parallel zur Strömungsrichtung. Eine Strahlungsabschirmung 12 ist auf der Platte 6 zwischen den beiden Anordnungen 8 und 10 befestigt. Die Platte 6 bildet eine gedruckte Schaltungskarte, die einen Teil der in Fig. 3 gezeigten Schaltung trägt, zu der auch die beiden temperaturempfindlichen Anordnungen 8 und 10 gehören.
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Die Vorrichtung arbeitet nach dem oben beschriebenen und an sich bekannten Prinzip, bei dem eine konstante Speiseleistung dem Temperaturmeßelement zugeführt wird, um eine konstante Übertemperatur gegenüber der Umgebung zu erzeugen. Im vorliegenden Falle wird die temperaturempfindliche Anordnung 10 mit konstanter Leistung gespeist, so daß sie eine konstante Übertemperatur gegenüber der Umgebung erzeugt. Die andere temperaturempfindliche Anordnung 8 ist gleichartig wie die Anordnung 10 ausgebildet und dient als Referenzelement für die Umgebungstemperatur.
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Wenn diese beiden Anordnungen 8 und 10 keinem strömenden Medium ausgesetzt sind, so haben sie eine Wechselbeziehung, die konstant und unabhängig von der Umgebungstemperatur ist. Wenn die beiden Anordnungen jedoch einem strömenden Medium ausgesetzt werden, so wird die erhitzte Anordnung 10 abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit abgekühlt. Dadurch wird die Wechselbeziehung zwischen beiden Anordnungen gleichfalls proportional der Strömungsgeschwindigkeit geändert.
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Jede temperaturempfindliche Anordnung 8 und 10 enthält mehrere, beispielsweise vier, vollständig voneinander getrennte bipolare Transistoren, die auf ein und demselben Siliziumträger integriert und jeweils in einem Stahlgehäuse eingekapselt sind. Als temperaturabhängige Elemente dienen für die jeweilige Anordnung die Basis-Emitter-Dioden dreier Transistoren, die in Reihe geschaltet sind. Dadurch wird ein Temperatursensor gebildet, der eine lineare Anzeige von ca. 6 mV/°C liefert, wenn die Dioden mit einem Konstantstrom in Durchlaßrichtung gespeist werden.
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Zur Aufheizung der Anordnung 10 kann die in Sperrichtung betriebene Basis-Emitter-Diode des vierten Transistors ausgenutzt werden. Hierzu wird der Durchbruch der Diode in Sperrichtung verwendet, so daß die Diode also einen Strom in Sperrichtung bei konstantem Spannungsabfall führt. Da dieser Spannungsabfall in Sperrichtung kaum durch die Temperatur beeinflußt wird, ist es möglich, mit einer Konstantspannungsquelle über einen Widerstand einen konstanten Strom in Sperrichtung zu erzeugen und dabei eine konstante Leistung unabhängig von der Umgebungstemperatur umzusetzen.
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In der Praxis können die beiden temperaturempfindlichen Anordnungen 8 und 10 aus zwei gleichartigen monolithischen Kristallen gebildet sein. Andere geeignete monolithische Kristalle ähnlicher oder anderer Art sind in gleicher Weise für diese erfindungsgemäße Anwendung geeignet. Die von den beiden temperaturempfindlichen Anordnungen abgegebenen Signale können einen Vergleichsverstärker mit nachgeschaltetem Relais zugeführt werden. Der Vergleichsverstärker kann beliebig auf einen vorbestimmten Pegel eingestellt werden, so daß eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit durch die vorstehend beschriebene Vorrichtung überwacht werden kann. Die in Fig. 2 gezeigte Blockdarstellung zeigt diese Verhältnisse.
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In Fig. 3 ist eine Schaltung I dargestellt, die eine Konstantspannungsanordnung üblicher Art bildet. Sie umfaßt eine Eingangsreihenschaltung einer Diode D 1, eines Widerstandes R 1 und eines Kondensators C 1, die an zwei Anschlußklemmen 14und 16 angeschaltet ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R 1 und dem Kondensator C 1 ist mit dem Kollektor eines Transistors T 1 und über einen Widerstand R 2 mit dessen Basis verbunden. Die Basis des Transitors T 1 ist über einen Widerstand R 3 mit dem Ausgang einer Verstärkerschaltung IC 1 verbunden, die in dargestellter Weise über die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors T 1 und die Anschlußklemme 16 gespeist wird. Ein Eingang des Verstärkers IC 1 ist mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden, der aus einem Widerstand R 4 und einer Zener-Diode D 2 gebildet ist. Die Zener-Diode D 2 liefert ein Bezugspotential für den Verstärker IC 1.
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Der zweite Eingang des Verstärkers IC 1 ist mit einem Spannungsteiler aus Widerständen R 5, R 6, R 7 zwischen den Widerständen R 6 und R 7 verbunden, von denen der Widerstand R6 ein einstellbarer Widerstand ist. Mit ihm kann die Ausgangsspannung der Anordnung eingestellt werden. Diese Schaltung umfaßt schließlich noch einen Kondensator C 2, der als Hochfrequenzfilter dient.
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Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung enthält ferner die beiden temperaturempfindlichen Anordnungen 8 und 10, die im dargestellten Fall jeweils vier bipolare Transistoren T 3 bzw. T 4 enthalten, welche bei jeder Anordnung 8 und 10 auf ein und demselben Siliziumträger integriert sind. Die Basis-Emitter- Dioden jeweils dreier Transistoren sind miteinander in Reihe geschaltet und dienen als Temperatursensoren. Zur Erwärmung der Anordnung 10 dient die Basis-Emitter-Diode des vierten Transitors 18, die in Sperrichtung mit einem Widerstand R 8 verbunden ist, so daß eine konstante Spannung der Schaltung I an sie angeschaltet ist. Der Widerstand R 8 ist ein Kompensations- und Speisewiderstand. Sein Wert ist so ausgewählt, daß die an ihm abfallende Spannung gleich der an der Diode 18 abfallenden Spannung ist. Somit erfolgt eine Kompensation der sehr geringen, jedoch unvermeidbaren Temperaturabhängigkeit der Diodenspannung.
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Die Widerstände R 11, R 12 und R 13 dienen als Speisewiderstände für die Diodenstrecken der Anordnungen 8 und 10, der Widerstand R 13 ermöglicht eine Einstellung der Spannungen an den Dioden der Anordnung 8, so daß an beiden Diodenstrecken gleichartige Spannungen erscheinen. Ein Widerstand R 9 ist so bemessen, daß der Spannungsunterschied zwischen beiden Diodenstrecken kompensiert wird, der durch die Erwärmung der Anordnung 10 verursacht wird. Die beiden Diodenstrecken sind jeweils über einen einstellbaren Widerstand R 10 bzw. R 14 und eine ein Potential bildende Diode D 3 mit dem Anschluß 16 verbunden, der die Speisespannung liefert. Der Widerstand R 14 dient in noch zu beschreibender Weise zur Einstellung des Punktes, an dem eine Alarmgabe erfolgt. Der Widerstand R 10 dient einerseits zur Feineinstellung der bereits beschriebenen Kompensation der Auswirkungen der Erwärmung der Anordnung 10, andererseits zur Kompensation möglicher Herstellungstoleranzen der beiden Anordnungen 8 und 10. Der Spannungsunterschied zwischen den beiden Anfangspunkten der Diodenstrecken wird auf den Wert Null eingestellt, wenn der Abgriff des Widerstands R 14 am weitesten links (Fig. 3) steht. Ein Kondensator C 3 stellt die in Fig. 1 gezeigte Strahlungsabschirmung 12 dar und arbeitet als Störungsfilter und Strahlungsabschirmung zwischen den beiden Anordnungen 8 und 10.
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Die beiden in den Anordnungen 8 und 10 gebildeten Diodenreihenschaltungen sind in dargestellter Weise jeweils mit einem Eingang einer Pegeldiskriminatorschaltung IC 2 verbunden. Der Ausgang dieser Schaltung ist über einen Widerstand R 16 mit der Basis eines Transistors T 5 verbunden, dessen Kollektor-Emitterstrecke mit der Wicklung eines Relais Rel und einem Speisewiderstand 18 verbunden ist. Diese Serienschaltung wird vom Anschluß 16 und von dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R 1 und dem Kondensator C 1 her gespeist.
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Die Pegeldiskriminatorschaltung IC 2 steuert den Leitfähigkeitszustand des Transistors T 5 an dessen Basis und damit den Stromfluß für das Relais Rel. An den Kontaktanschlüssen 22 und 26 des Relais Rel kann beispielsweise eine nicht dargestellte Alarmgebervorrichtung gesteuert werden, die in üblicher Weise aufgebaut ist und daher nicht eigens beschrieben werden muß.
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Durch gegenseitige Anpassung der Erwärmung der Anordnung 10, des Meßstroms durch die Diodenstrecken und der Verstärkung der Pegeldiskriminatorschaltung IC 2 kann ein Betriebszustand erzielt werden, in dem die Einstellung eines Alarmgabepunktes für eine vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit mit dem Widerstand R 14 unabhängig von der Temperatur des strömenden Mediums möglich ist, wobei eine entsprechende Skala in Prozenten eines bestimmten Absolutwertes geeicht werden kann. Die Einstellung kann folgendermaßen durchgeführt werden: Zur Einstellung einer minimalen Strömung kann der Widerstand R 14 unter der Voraussetzung einer bestimmten Strömung während der Einstellung von einer Minimaleinstellung zu einer Maximaleinstellung verstellt werden, bis eine Alarmgabe erfolgt. Von diesem Punkt ausgehend wird der Widerstand R 14 dann zur minimalen Einstellung hin um so viele Skalenteilungen verstellt, wie sie einem zulässigen Prozentsatz der Strömungsverringerung vor einer Alarmgabe entsprechen.
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Zur Einstellung einer maximalen Strömung dient als Anfangspunkt die Maximaleinstellung des Widerstands R 14, der dann so lange verstellt wird, bis eine Alarmgabe erfolgt. Danach wird er in Richtung zum Maximalwert verstellt, und zwar um so viele Skalenteile, wie sie einem zulässigen Prozentsatz einer Strömungsverstärkung vor einer Alarmgabe entsprechen.
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Die verwendete Skala ermöglicht vorzugsweise eine Anzeige der Strömung in Prozenten und enthält gleich große Teilungen. Jede Skalenteilung hat dann einen Wert von 70% oder 130% des absoluten Wertes der jeweils vorhergehenden Teilung. Dadurch ergibt sich über die gesamte Skala dieselbe Auflösung in Prozenten. Diese Teilung entspricht der oft gestellten Forderung, den Alarmpunkt bei 70% oder 130% der Nennströmung vorzusehen.
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Eine automatische Änderung des Alarmpunktes bei mit mehreren Geschwindigkeiten arbeitenden Gebläsen kann durch mehrere Widerstände R 14 erfolgen, die jeweils für eine Gebläsedrehzahl eingestellt sind. Die Einschaltung eines jeweiligen Widerstandes R 14 kann dann durch ein nicht dargestelltes Relais erfolgen.
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An Stelle der Steuerung einer Alarmgebervorrichtung kann das Signal einer Vorrichtung nach der Erfindung auch in Form einer Spannung oder eines Stroms zur Steuerung einer Regeleinrichtung ausgenutzt werden.
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In der Praxis kann eine Einrichtung nach der Erfindung einen Meßbereich von beispielsweise 0,35 m/s bis 8 m/s haben. Mittels eines nicht dargestellten Zeitrelais kann eine Alarmverzögerung von beispielsweise 10 Sekunden erzeugt werden, um Störungen infolge Turbulenzen u. ä. im strömenden Medium zu vermeiden.