-
Schaltung zum Ermitteln der Fließgeschwindigkeit eines
-
fluiden Mediums Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung
zum Ermitteln der Fließgeschwindigkeit eines fluiden Mediums gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
-
Solche Schaltungen werden in neuerer Zeit, insbesondere zur Messung
des Luftdurchsatzes, zu einer brennstoffbebeheizten Wärmequelle eingesetzt mit dem
Ziel, zwischen dem Gasdurchsatz und dem Luftdurchsatz ein möglichst stöchiometrisches
Verhältnis zu schaffen.
-
Bei den bekanntgewordenen Schaltungen hat man die Vorwiderstände der
Fühlerwiderstände so bemessen, daß das Ausgangsspannungssignal möglichst linear
ist. Der Fühler-
widerstand wird einerseits von einer Spannungsquelle gespeist und
auf ein bestimmtes Temperaturniveau hochgeheizt, andererseits von dem vorbeiströmenden
Medium gekühlt. Es wurde hier nun angestrebt, das Spannungssignal, das vom Temperaturfühlerwiderstand
abgegriffen werden kann, möglichst linear ändern zu lassen. Damit ergibt sich die
am Temperaturfühlerwiderstand abfallende Leistung mehr oder weniger zufällig, was
aber andererseits dazu führt, daß die Temperaturkompensation durch den anderen Temperaturfühlerwiderstand
für den beheizten Fühlerwiderstand nicht vollständig ist.
-
Damit ergibt sich für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Temperaturkompensation
zu verbessern beziehungsweise die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals über
einen großenTemperaturmeßbereich sehr gering zu halten.
-
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen
des Hauptanspruchs.
-
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
1 bis 3 der Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipdarstellung des Luft/Abgaswegs einer
brennstoffbeheizten Wärmequelle, Figur 2 ein Blockschaltbild und Figur 3 die Meßschaltung
in ihren wesentlichen Details.
-
In allen drei Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen
Einzelheiten.
-
Eine brennstoffbeheizte Wärmequelle 1, sei es ein gasbeheizter Wasserheizer,
ein Umlaufwasserheizer oder ein Kessel - wobei auch eine Beheizung durch einen ölbrenner
in Frage käme -, weist einen Wärmetauscher 2 auf, der über eine Rücklaufleitung
3 und eine Vorlaufleitung 4 entweder an ein Heizungssystem oder an ein Sanitärwassernetz
angeschlossen ist. Er wird beheizt von einem atmosphärischen Gasbrenner 5, der über
eine mit einem Gasventil 6 versehene Gasleitung 7 mit Brennstoff gespeist ist. Der
Wärmetauscher 2 ist unter Belassung eines Zwischenraums 8 von einem Gehäuse 9 umgeben,
das sich nach oben in eine konzentrische Rohrleitung 10 fortsetzt.
-
Der äußere Mantel dieser konzentrischen Rohrleitung 10 ist von einer
Leitung 11 gebildet, in der im Abstand 12 ein Innenrohr 13 angeordnet ist, das ein
Abgasgebläse 14 aufnimmt. Der Innenraum 15 des Abgasrohres steht mit dem
Wärmetauscher
2 in Verbindung und fördert das Abgas des Brenners 5 nach Abkühlung im Wärmetauscher
ins Freie. Der Ringraum 12 zwischen den Rohren 11 und 13 ist als Frischluftzuführung
ausgebildet und nimmt zwei Temperaturfühlerwiderstände 16 und 17 auf, die über ein
Leitungspaar 18 und 19 mit einer Meß- und Regelschaltung 20 verbunden sind. Das
Abgasgebläse 14 weist einen Antriebsmotor 21 auf, der über eine Speiseleitung 22
gleichfalls mit der Meß- und Regeleinrichtung verbunden ist. Das Gasventil 6 weist
einen Elektromagnetantrieb 23 auf, der über eine Stelleitung 24 von der Meß- und
Regeleinrichtung 20 beaufschlagt ist. Die notwendigerweise vorhandenen weiteren
Elemente der brennstoffbeheizten Wärmequelle sind nicht weiter beschrieben.
-
Die Arbeitsweise der Meßschaltung soll nun anhand des Blockschaltbilds
der Figur 2 näher erläutert werden. Die beiden Temperaturfühlerwiderstände 17 und
16 sind Teile zweier Temperaturmeßschaltungen 30 und 31, wobei die erstgenannte
Schaltung den beheizten Temperaturfühlerwiderstand 16 aufweist. Die Schaltung 30
besitzt eine Charakteristik, daß sie ein Ausgangssignal auf der Leitung 32 abgibt,
das zwischen einer unteren Temperaturschwelle und einer oberen Temperaturschwel
le im Zuge einer Geraden 33 linear stetig variabel ist. Zur Verdeutlichung hierzu
sind in die Blöcke der Schaltungen 30 und
31 entsprechende Diagramme
eingezeichnet, die in der Abszisse die Temperaturwerte in OC, in der Ordinate hingegen
die Spannungswerte in Volt aufweisen. Die untere Temperaturschwelle ist mit T1 bezeichnet,
die obere mit T2, eine laufende Temperatur hingegen mit T. Bei der Schaltung 31
liegen die Verhältnisse analog, sie weist den unbeheizten Temperaturfühler 17 auf.
Es ergibt sich auch hier eine Gerade 34 gleicher Steigung, aber verschobener Lage,
die auch zwischen einer Minimumtemperatur T3 und einer Maximumtemperatur T4 zu bestimmten
Spannungswerten U führt. Eine laufende Temperatur ist auch hier mit T bezeichnet.
Da die Gerade 33 der Schaltung 30 in Richtung auf höhere Temperaturwerte verschoben
ist, führt die gleiche laufende Temperatur in der Schaltung 31 zu einem höheren
Spannungssignal als in der Schaltung 30.
-
Die Schaltung 31 gibt ihr Ausgangssignal auf eine Leitung 35, die
den einen Eingang 36 eines Verstärkers 37 bildet.
-
Die Leitung 32 ist unter Zwischenschaltung eines Spannungsteilers
38 auf den anderen Eingang 39 dieses Verstärkers 37 geschaltet. Der Ausgang 40 des
Verstärkers ist über eine Leitung 41 unmittelbar mit dem Eingang der Schaltung 30,
mit dem Eingang der Schaltung 31, hingegen unter Zwischenschaltung eines mit dem
Spannungsteiler 38 in der Wirkung identischen Spannungsteilers 42 verbunden.
-
Aufgrund dieses Aufbaus ergibt die Blockschaltung gemäß
Figur
2 folgende Wirkungsweise: Bei einer bestimmten laufenden Temperatur, die von den
Temperaturfühlerwiderständen 16 und 17 abgefühlt wird, wenn die Wärmequelle in Betrieb
ist und ihr damit über den Ringraum 10 aufgrund der Saugwirkung des Gebläses 16
Frischluft zugeführt wird, ein bestimmter Temperaturwert der Frischluft, der von
beiden Schaltungen 30 und 31 gleichermaßen erfaßt wird. Genauer formuliert: Die
Temperatur der Frischluft wird von der Auswerteschaltung 31 gemessen, so daß am
Eingang 36 des Verstärkers 37 ein mit der Temperatur der Frischluft variables Meßsignal
ansteht. Dieses Meßsignal wird im Verstärker 37 verstärkt und steht unmittelbar
über die Leitung 41 als Betriebsspannung für die Schaltung 30 an. Aufgrund dieser
Betriebsspannung wird der Fühler 16 auf eine bestimmte Obertemperatur aufgeheizt,
vom durchfließenden Medium hingegen gekühlt. Aufgrund der Aufheizung und der Kühlung
ergibt sich ein Temperaturniveau des beheizten Fühlerwiderstandes 16, damit eine
laufende Temperatur und damit ein bestimmter Spannungswert auf der Leitung 32. Dieser
Spannungswert wird über den Teiler 38 heruntergeteilt und liegt am Eingang 39 des
Verstärkers an. Der Verstärker ist als Differenzverstärker ausgebildet und speist
mit einem Spannungssignal, was von dieser Differenz abhängig ist, beide Meßschaltungen
30 und 31. Der Teiler 42 ist im
Zuge der Speisespannungslieferung
für die Schaltung 31 vorgesehen, um das Leistungsniveau so niedrig zu halten, daß
der Fühlerwiderstand 17 nicht beheizt wird vom durchfließenden Strom. Da aber die
Speisespannung heruntergeteilt wird, muß dies auch im Wege der anderen Speisespannung
geschehen, da aber hier der Fühlerwiderstand 16 beheizt wird, kann es nur ausgangsseitig
dieser Schaltung geschehen.
-
Die eigentliche Schaltung wird nun anhand der Figur 3 beschrieben.
-
Die Temperaturmeßschaltung 30 enthält neben dem Temperaturfühler-Meßwiderstand
16, der als Siliciumwiderstand mit Dositivem Temperaturkoeffizienten ausgebildet
ist, noch einen in Serie mit ihm liegenden Vorwiderstand 50, wobei beide Widerstände
mit einer Leitung 51 miteinander verbunden sind, der Fühlerwiderstand an Masse 52
und der Vorwiderstand 50 über eine Leitung 53 am Ausgang 40 des Verstärkers 37 liegt.
Die Verstärker sind in einem 4fach-Operationsverstärker zusammengefaßt und liegen
damit an einer gemeinsamen Betriebsspannung. Die Leitung 51 ist an der Verbindung
der Widerstände 50 und 16 mit einem Eingang 54 eines Operationsverstärkers 55 verbunden,
dessen anderer Eingang 56 an den Mittelpunkt 57 eines aus zwei Widerständen 58 und
59 bestehenden Spannungsteilers verbunden
ist, wobei der Widerstand
59 mit seinem vom Mittelpunkt 57 abgewandten Ende an Masse 52, der Widerstand 58
mit seinem vom Mittelpunkt 57 abgewandten Ende hingegen mit der Leitung 53 verbunden
ist. Ein Ausgang 60 des Operationsverstärkers 55 ist über einen Widerstand 61 mit
dem invertierenden Eingang 56 des Operationsverstärkers 55 verbunden, der seinerseits
galvanisch mit dem Mittelpunkt 57 verbunden ist. In den Ausgang 60 des Operationsverstärkers
55 ist ein Widerstand 62 geschaltet, der zu einem Verzweigungspunkt 63 führt. Der
Punkt 63 ist einerseits über einen Widerstand 64 mit Masse 52, andererseits über
einen Widerstand 65 mit dem invertierenden Eingang 39 des Verstärkers 37 verbunden.
Der Ausgang 40 dieses Verstärkers ist über einen Kondensator 67 mit dem Eingang
39 verbunden. Der andere Eingang 36 des Verstärkers 37 ist unmittelbar mit dem Ausgang
eines Operationsverstärkers 66 verbunden, der Teil der Schaltung 31 ist. Die Schaltung
31 weist neben dem unbeheizten Temperaturfühlerwiderstand 17, der vom Aufbau her
mit dem Temperaturfühlerwiderstand 16 identisch ist, noch einen zugehörigen mit
ihm in Serie liegenden Vorwiderstand 68 auf, wobei der Fühlerwiderstand 17 an Masse
52 und der Vorwiderstand 68 an eine Leitung 69 angeschlossen sind. Der Verbindungspunkt
70 beider Widerstände bildet den einen Eingang des Operationsverstärkers 66, während
der invertierende Eingang
71 dieses Operationsverstärkers zum
einen über einen Widerstand 72 mit seinem Ausgang, zum anderen mit einem Verzweigungspunkt
73 verbunden ist. Dieser Verzweigungspunkt bildet den Mittelpunkt eines Spannungsteilers,
der aus zwei Widerständen 74 und 75 besteht. Der Widerstand 74 ist auf seinem dem
Verzweigungspunkt 73 abgewandten Ende mit Masse 52, der Widerstand 75 mit der Leitung
69 verbunden. Die Leitung 69 führt zum invertierenden Eingang 76 eines Operationsverstärkers
77 und zu dessen Ausgang 78. Der andere Eingang 79 dieses Operationsverstärkers
ist an einen Mittelpunkt 80 eines Spannungsteilers angeschlossen, der aus zwei Widerständen
81 und 82 besteht, die mit ihren äußeren Enden einerseits an Masse 52, zum anderen
an der Leitung 53 liegen. Der Spannungsteiler 38 (siehe Figur 2) wird gebildet von
dem Spannungsteiler der beiden Widerstände 62 und 64, der Spannungsteiler 42 hingegen
aus den Widerständen 81 und 82 in Verbindung mit dem Operationsverstärker 77.
-
Für die Bemessung der Vorwiderstände 50 und 68 in Relation zu den
zugehörigen Fühlerwiderständen 16 und 17 gilt nun folgendes: Der Widerstandswert
jedes der beiden Vorwiderstände entspricht dem geometrischen Mittel der Widerstandswerte
des zugehörigen Fühlerwiderstandes bei der minimalen und maximalen
Temperatur
(T1, T2 beziehungsweise T3, T4).
-
Um zu diesem Ergebnis zu kommen, wird ausgegangen von der Gleichung
1,
die die Abhängigkeit der elektrischen Leistung von Spannungs- und Widerstandswerten
beschreibt. Die thermische Leistung des Fühlerwiderstandes 16 ergibt sich gemäß
Gleichung 2 (2) Pth = #T . Gth (v) und hängt von dem Produkt der Temperaturdifferenz
zwischen dem Temperaturniveau des Widerstandes und des fluiden Mediums und dem thermischen
Leitwert ab, der seinerseits eine Funktion des Massedurchsatzes ist. Im Gleichgewichtszustand
gilt Gleichung 3, (3) Pth = Pel woraus andererseits Gleichung 4 folgt.
-
Besteht nun die Forderung nach der Temperaturunabhängigkeit des Ausgangssignals
U, das am Ausgang 40 der Schaltung gemäß Figur 3 abgenommen werden kann und unter
anderem zur Steuerung des Luftdurchsatzes über das Abgasgebläse beziehungsweise
des Gasdurchsatzes durch Uffnen des Magnetventils 6 herangezogen wird, so zeigt
sich, daß aufgrund Gleichung 5, (5) A T = TW - TK wobei TW und TK die Temperatur
des geheizten Fühlers bedeuten, und Gleichung 6 (6) Gth x f (T) sich die Gleichung
7 (7) A T Gth = Po aufgrund einer Definition ergibt. Andererseits wird Gleichung
8 (8) U (TmaX) = U (Tmin) gefordert. Damit ergibt sich Gleichung 9
durch Einsetzen von Gleichung 7 in Gleichung 4. Aus Vereinfachungsgründen
und weil beide Vorwiderstände für die Fühlerwiderstände nach der gleichen Art und
Weise ermittelt werden, werden die Werte für T2 und T4 mit TmaX 2 die Werte für
T1 und T3 hingegen mit Tmjn bezeichnet.
-
Durch Umformen und Vereinfachen ergeben sich die Gleichungen 10 und
11,
die schließlich zu Gleichung 12 führen.
Hiermit ist abgeleitet,
daß der Vorwiderstand als das bereits erwähnte geometrische Mittel anzusetzen ist.