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Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit eines fluiden
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Mediums und Schaltung zur Durchführung des Verfahrens Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit eines fluiden
Mediums sowie auf eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen Ansprüche.
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Im Zuge der Entwicklung brennstoffbeheizter Wärmequellen, seien es
Durchlaufwasserheizer, Umlaufwasserheizer oder Kessel, die mit Gas oder Ol als Brennstoff
betrieben werden, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Luftdurchsatz in Abhängigkeit
vom Brennstoffdurchsatz zu steuern, und zwar möglichst so, daß nahezu stöchiometrische
Verhältnisse herrschen. Hierzu ist es erforderlich geworden, eine Vorrichtung zu
entwickeln, die für den Luftdurchsatz ein Signal bereitstellt. Hierzu eignen sich
sogenannte Anemometer, aus denen man die Luftgeschwindigkeit messen
kann,
bei denen man aber bei bekanntem Kanalquerschnitt aufgrund des Meßsignals für die
Geschwindigkeit auf den Durchsatz schließen kann. Mittels des gewonnenen Durchsatzsignals
kann man dann den Brennstoffdurchsatz dosieren oder im einfachsten Fall eine Brennstofffreigabe
bei ausreichendem Luftdurchsatz ermöglichen.
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Es hat sich aber nun gezeigt, daß solche Luftdurchsatzsignale stark
mit der Temperatur der zuströmenden Frischluft variieren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein
Kompensationsverfahren und eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln,
um diese Temperaturabhängigkeit der Luft zu eliminieren. Zwischen Sommer- und Wintertemperaturen
beziehungsweise im Zuge von Aufheizvorgängen bei der Luftzuführung zur brennstoffbeheizten
Wärmequelle hat es sich nämlich gezeigt, daß die Lufteintrittstemperatur zwischen
etwa -10° und +100 OC schwanken kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden Verfahrensmerkmalen.
Hierzu eine selbständige Ausgestaltung bilden die Vorrichtungsmerkmale des Hauptvorrichtungsanspruchs.
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Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen
der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren
näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines Umiaufwasserheizers,
Figur 2 die statische Kennlinie eines PTC-Widerstandes, Figur 3 ein Diagramm und
Figur 4 eine Schaltung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
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In allen vier Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen
Einzelheiten.
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Der Umlaufwasserheizer 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das an seiner Oberseite
3 einen Auslaß 4 für ein konzentrisches Rohrbündel 5 aufweist, das aus einem innenliegenden
Abgasrohr 6 und einem außenliegenden Frischluftrohr 7 besteht, wobei der Ringspalt
zwischen den Rohren 6 und 7 den Zuluftkanal 8 und der Innenraum 9 des Rohres 6 den
Abgaskanal bildet. Am Beginn des Abgaskanals 6 ist ein Gebläse 10 angeordnet. Der
Innenraum 11 des Gehäuses 2 ist durch eine Wandung 12 unterteilt, in die ein Rohrstutzen
13
eingesetzt ist. über den Innenraum 14 dieses Rohrstutzens steht der Frischluft-Ringkanal
8 mit dem Innenraum 11 in Verbindung, in dem ein Brenner und wenigstens ein Wärmetauscher
angeordnet sind. Hierbei bildet das Rohr 13 die Innenwandung eines Kanals, der dadurch
aufgeheizt wird, daß zwischen dem im Abgaskanal 9 fließenden heißen Abgas über die
Wandung des Innenrohres 6 Wärme auf die Frischluft übertragen wird, die im Ringkanal
8 strömt. Diese vorerwärmte Frischluft beheizt die Innenwandung des Rohres 13. Aufgrund
der Strahlung des im Innenraum 11 vorhandenen Brenners beziehungsweise Wärmetauschers
wird die Wandung 13 zusätzlich aufgeheizt, so daß das im Innenraum 14 fließende
Medium in der Regel kühler ist als die Wandung 13, es können aber auch umgekehrte
Verhältnisse auftreten, beispielsweise beim Anfahren des Gerätes. Dem Innenraum
14 ist ein Anströmkörper 15 zugeordnet, der aus einem massiven Kupferblock besteht.
Dieser Block 15 ist wärmeisolierend im Rohr 13 befestigt. Dies kann über Kunststoffstege
16 geschehen, die recht klein bemessen werden können, da sie lediglich den Strömungsdruck
aushalten müssen.
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Auf den beiden Seiten des Kühlkörpers 15 sind zwei Temperaturfühlerwiderstände
angebracht.
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Der eine Fühler 17 ist ein elektrisch beheizter
PTC-Widerstand,
während der Fühler 18 als Siliciumtemperatursensor ausgebildet ist, der nur vom
durchströmenden Medium in seiner Temperatur beeinflußt wird.
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Die baulichen Verhältnisse des Aufbaus beider Fühler auf dem Anströmkörper
15 sind so gewählt, daß sich die beiden Fühler thermisch nicht beeinflussen.
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Aus der Figur 2 geht eine Kurve 20 hervor, die den Verlauf des Widerstandswertes
eines handelsüblichen PTC-Widerstandes von einer Minimum-Umgebungstemperatur von
etwa 20 OC bis zu einer Temperatur entsprechend H K beschreibt. Die Temperatur 9
K ist so definiert, daß die Kennlinie des PTC-Widerstandes in diesem Bereich eine
angenäherte Sprungfunktion aufweist. Die Abszisse stellt die Temperatur im linearen
Maßstab, die Ordinate den Widerstandswert im logarithmischen Maßstab dar. Der PTC-Widerstand
wird so gestaltet, daß er im Bereich des Temperaturpunktes von 9 K arbeitet. Es
sei hierbei vorausgesetzt, daß es PTC-Widerstände mit der unterschiedlichsten Lage
des Punktes vA K gibt. Für das Ausführungsbeispiel ist ein ffi K-Wert von 180 0C
gewählt.
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Erfindungsgemäß wird nun - vergleiche Figur 3 - vorgeschlagen, daß
man den PTC-Widerstand an eine so große Spannung legt, daß die Eigenerwärmung aufgrund
des ihn durchfließenden Stroms so groß ist, daß sich der PTC-
Widerstand
im Bereich der Kennlinie bewegt, die um den K-Punkt liegt. Diese Verhältnisse sind
dann gewährleistet, wenn eine bestimmte Mindestspannung UF an den PTC-Widerstand
angelegt wird.
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Gemäß Figur 3 wird von einer Geraden 21 ausgegangen, deren Lage dadurch
definiert ist, daß im Punkt 22, der }/ K entspricht, diese Gerade die Abszisse schneidet.
Die Temperatur entspricht hierbei dem bereits erwähnten Knickpunkt gemäß Figur 2.
Ein zweiter Punkt der Geraden kann dadurch festgelegt werden, daß beispielsweise
im Punkt 23 bei einer bestimmten vorwählbaren Temperatur 9 O 0 eine bestimmte vorgebbare
Spannung UO erzielt wird.
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Hierbei ist nur darauf zu achten, daß die bereits erwähnte Mindestspannung
nicht unterschritten wird. Diese Mindestspannung ist in Figur 3 mit Umin. bezeichnet,
die zu einem Punkt 24 auf der Kennlinie führt, der eine bestimmte maximale Mediumtemperatur
zuzuordnen ist, die mit max. bezeichnet wird. Aufgrund dieser Definitionen bleibt
der den PTC-Widerstand durchfließende Strom unabhängig von der Umgebungstemperatur
konstant, wobei sich hierbei natürlich die Strömungsverhältnisse nicht ändern dürfen.
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Hieraus folgt, daß abweichende Strömungsverhältnisse zu abweichenden
Strömen durch den PTC-Widerstand führen, die dann ihrerseits ein Maß für den Luftdurchsatz
sind. Es zeigt sich aber auch, daß die hieraus entwickelte
Schaltung
beziehungsweise das ihr zugrundeliegende Verfahren den Einfluß der Umgebungstemperatur
des Mediums kompensiert.
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Aus der praktischen Verwertbarkeit von PTC-Widerständen gemäß Figur
3 folgt, daß aus Gründen allzu hoher Fühlerspannung der PunktK in seiner Temperatur
möglichst hoch über die maximale Verwendungstemperatur gelegt werden sollte, mit
anderen Worten, die Steilheit der Kurve 21 sollte einen gewissen Wert nicht überschreiten.
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Die Beschaltung des PTC-Widerstandes geht aus der Figur 3 hervor.
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Der PTC-Widerstand 30 liegt in Serie mit der Kollektor-Emitterstrecke
eines Transistors 31, der über einen Widerstand 32 an den einen Pol 33 einer Betriebsspannungsquelle
34 angeschlossen ist. Hierbei handelt es sich um eine einstellbare Gleichspannungsquelle.
Das Ausgangssignal, das ein Maß für die Geschwindigkeit des den Kanal durchfließenden
Mediums darstellt, steht einerseits an einer Leitung 35, andererseits an einer Leitung
36 an, wobei die Leitung 36 an den Pol 33 gelegt ist und die Leitung 35 an einen
Verbindungspunkt 37 zwischen dem Kollektor des Transistors 31 und dem Widerstand
32.
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Der Emitter des Transistors 31 ist mit einem Punkt 38
verbunden,
der einerseits mit dem einen Anschluß des PTC-Widerstandes 30, andererseits mit
dem invertierenden Eingang 39 eines Operationsverstärkers 40 verbunden ist, dessen
Ausgang über eine Leitung 41 mit der Basis des Transistors 31 verbunden ist. Der
dem Punkt 38 abgewandte Anschluß des PTC-Widerstandes steht über eine Leitung 42
mit dem zweiten Pol 43 der Betriebsspannungsquelle 34 in Verbindung.
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Von der Leitung 42 zweigt eine Serienschaltung zweier Widerstände
44 und 45 ab, die mit dem Pol 33 verbunden ist und deren Mittelpunkt 46 über eine
Leitung 47 mit einem Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 48 verbunden ist,
dessen Ausgang über eine Leitung 49 den anderen Eingang des Operationsverstärkers
40 bildet. Bei dem Widerstand 44 handelt es sich um einen Festwertwiderstand, bei
dem Widerstand 45 um einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, der
als Temperaturfühler-Meßwiderstand ausgebildet ist.
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Zu den Widerständen 44 und 45 liegen parallel zwischen der Leitung
42 und dem Pol 33 eine weitere Serienschaltung zweier Widerstände 50 und 51, deren
Verbindungspunkt 52 mit einer Leitung 53 verbunden ist, die an den invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 48 gelegt ist. Bei den Widerständen 50 und 51
handelt es sich um
Festwertwiderstände. Die Leitung 53 ist mit
einem weiteren Widerstand 54 verbunden, der den invertierenden Eingang des Operationsvertärkers
48 mit dessen Ausgang verbindet und als Gegenkopplungswiderstand dient. Der Widerstand
45 ist bevorzugt als Siliciumwiderstand ausgebildet, er könnte ebensogut als Festwiderstand
ausgebildet werden, wenn man einen Meßwiderstand mit negativem Temperaturkoeffizienten
anstelle des Festwertwiderstandes 51 anordnen würde. Für derartige Dimensionierungen
sind dann die Anforderungen der Schaltung an den zu überstreichenden Temperaturbereich
maßgebend.
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Die eben beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt: Der linke Teil
der Schaltung bis zum Ausgang des Operationsverstärkers 48 arbeitet als Temperaturmeßschaltung.
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Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 48 und dem Pol 33 herrscht eine
Spannung, die mit wachsender Temperatur des durchfließenden Mediums ansteigt. Hierbei
muß vorausgesetzt werden, daß der Meßwiderstand 45 dem zu erfassenden Medium zugeordnet
ist. Demgemäß nimmt die Spannung zwischen den Leitungen 42 und 49 mit der Temperatur
des durchzusetzenden Mediums ab. Mit exakt dieser Spannung wird nun der PTC-Widerstand
30 beaufschlagt, diese Spannung entspricht der Fühlerspannung UF in Figur 3. Im
stationären Meßzustand arbeitet der Transistor 31 als
Stromverstärker
mit hohem Verstärkungsfaktor, der Operationsverstärker 40 ist bestrebt, die Spannungsdifferenz
zwischen den Leitungen 39 und 49 gegen Null zu halten.
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Das bedeutet, daß nahezu der gesamte Strom, der durch den PTC-Widerstand
30 fließt, auch durch die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 31 und damit
durch den Widerstand 32 fließt. Damit ist das an den Klemmen 35 und 36 parallel
zum Widerstand 32 abgegriffene Signal proportional dem PTC-Strom.
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Die Variation der Fuhlerspannung UF ändert sich mit der Temperatur
des Mediums ti und zwar nach der Beziehung
wobei #0 eine beliebig vorgebbare Auslegungstemperatur in OC, UO die dazu gehörige
Spannung in Volt, bk die Sprung-K temperatur des PTC-Widerstandes in OC, 9rl die
Mediumtempeti ratur und UF die Fühlerspannung in Volt sind.
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Diese Definition der Anderung der Fühlerspannung setzt aber fast idiale
Sprungcharakteristik des PCT-Widerstandesverlaufs voraus. Diese Bedingung ist in
der Praxis recht gut erfüllt, zur Erhöhung der Verfahrensgenauigkeit ist es jedoch
mitunter zweckmäig, die endliche Steilheit der Kennlinie zu berücksichtigen und
somit von der gegebenen Dimensionsregel abzuweichen.
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Somit wird ergänzend vorgeschlagen, die Fühlerspannung UF nach folgender
Beziehung zu ändern:
wobei #0 eine beliebig vorgegebene Auslegungstemperatur in °C ist, U0 die dazugehorige
Auslegungsspannung in Volt, die Sprungtemperatur des PCT-Widerstandes in, °C, #M
die M Mediumtemperatur, UF die Fühlerspannung in Volt und n eine Korrekturgröe in
°C sind, die nach folgender Beziehung festgelegt ist:
wobei p eine dimensionslose Zahl zwischen 0,1 und 10,0, RK der PTC-Widerstand in
Ohm bei der Temperatur K und a die Steigung der PTC-Widerstandskennlinie in Ohm/°C
bei der Temperatur K sind.
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In äquivalenter Weise ist es auch möglich, die Fühlerspannung nach
der nun folgenden Beziehung zu ändern:
wobei #0 eine beliebig vorgegebene Auslegungstemperatur in °C ist, U0 die dazugehörige
Auslegungsspannung in Volt, #M die M Mediumtemperatur in °C, UF die Fühlerspannung
in Volt und p eine nach folgender Beziehung festgelegte Referenztemperatur sind:
wobei #r die im strömungslosen Zustand bei der Mediumtemperatur
#M = 20 und der Fühlerspannung UF = UO gemessenen M 0 Fühlertemperatur in °C, Rr
der Widerstandswert des PTC-Fühlers bei der Fühlertemperatur #r in Ohm, p eine dimensionslose
Zahl zwischen 1 und 10 und a r die Steigung der PTC-Kennlinie bei der Temperatur
#r in Ohm/°C sind.
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