DE3607741C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Ermitteln der Fließgeschwindigkeit eines fluiden Mediums gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Schaltung ist aus der DE 27 28 060 A1 bekannt.

Solche Schaltungen werden in neuerer Zeit auch zur Messung des Luftdurchsatzes bei einer brennstoffbeheizten 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 Temperaturfühlerwiderstände so bemessen, daß das Ausgangsspannungssignal möglichst linear ist. Der Temperaturfühlerwiderstand liegt einerseits an einer Spannungsquelle und wird auf ein bestimmtes Temperaturnieveau hochgeheizt, andererseits wird er von dem vorbeiströmenden Medium gekühlt. Es wurde angestrebt, das Spannungssignal, das vom Temperaturfühlerwiderstand abgegriffen werden kann, sich möglichst linear ändern zu lassen. Damit ergibt sich die am Temperaturfühlerwiderstand abfallende Verlustleistung mehr oder weniger zufällig, was dazu führt, daß die Temperaturkompensation des beheizten durch den unbeheizten Temperaturfühlerwiderstand nicht vollständig ist.

Damit ergibt sich für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Temperaturkompensation zu verbessern und die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals über einen großen Temperaturmeßbereich sehr gering zu halten.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich bei einer Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs aus den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs genannten Merkmalen.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Schaltung sind Gegenstand der Unteransprüche und gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 3 der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des Luft/Abgasweges einer brennstoffbeheizten Wärmequelle.

Fig. 2 ein Blockschaltbild und

Fig. 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 Brenner 5, der über eine mit einem Ventil 6 versehene Brennstoffleitung 7 mit Brennstoff gespeist wird. Der Wärmetauscher 2 ist unter Belassung eines Zwischenraumes 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 mit Abstand 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 Regelschaltung 20 verbunden ist. Das Ventil 6 weist einen Elektromagnetantrieb 23 auf, der über eine Stelleitung 24 von der Meß- und Regelschaltung 20 beaufschlagt ist. Die notwendigerweise vorhandenen weiteren Elemente der brennstoffbeheizten Wärmequelle sind nicht weiter beschrieben.

Die Arbeitsweise der Meßschaltung soll nun anhand des Blockschaltbildes der Fig. 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 Temperaturmeßschaltung 30 gibt ein Ausgangssignal auf der Leitung 32 ab, das zwischen einer unteren Temperaturgrenze und einer oberen Temperaturgrenze auf einer Geraden 33 linear stetig variabel ist. Zur Verdeutlichung hierzu sind die Blöcke der Temperaturmeßschaltungen 30 und 31 entsprechende Diagramme eingezeichnet, auf deren Abszisse die Temperatur und auf deren Ordinate Spannungswerte aufgetragen sind. Die untere Temperaturgrenze ist in der Temperaturmeßschaltung mit T₁ bezeichnet, die obere mit T₂, die laufende Temperatur hingegen mit T. Bei der Temperaturmeßschaltung 31 liegen die Verhältnisse analog. Sie weist den unbeheizten Temperaturfühlerwiderstand 17 auf. Es ergibt sich auch hier eine Gerade 34 gleicher Steigung, aber verschobener Lage, die zwischen einer Minimumtemperatur T₃ und einer Maximumtemperatur T₄ zu bestimmten Spannungswerten führt. Die 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 an einem Eingang 36 eines Verstärkers 37 geführt ist. 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 Aufbaues hat die Blockschaltung gemäß Fig. 2 folgende Wirkungsweise:

Wenn die Wärmequelle in Betrieb ist und ihr damit über den Ringraum 12 aufgrund der Saugwirkung des Abgasgebläses 14 Frischluft zugeführt wird, wird ein bestimmter Temperaturwert der Frischluft von den Temperaturfühlerwiderständen 16 und 17 abgefühlt und von beiden Schaltungen 30 und 31 erfaßt. Genauer formuliert: Die Temperatur der Frischluft wird von der Temperaturmeßschaltung 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 Spannungsversorgung für die Schaltung 30 an. Aufgrund dieser Betriebsspannung wird der Temperaturfühlerwiderstand 16 auf eine bestimmte Übertemperatur aufgeheizt, vom fließenden Medium hingegen gekühlt. Aufgrund der Aufheizung und der Kühlung ergibt sich ein Temperaturniveau des beheizten Temperaturfühlerwiderstandes 16 und damit ein bestimmter Spannungswert auf der Leitung 32. Dieser Spannungswert wird über den Spannungteiler 38 heruntergeteilt und liegt am Eingang 39 des Verstärkers an.

Der Verstärker ist als Differenzverstärker ausgebildet und speist mit einer Spannung die von dieser Differenz abhängig ist, beide Temperaturmeßschaltungen 30 und 31. Der Spannungsteiler 42 ist in der Spannungsversorgung der Schaltung 31 vorgesehen, um deren Leistungsabgabe so niedrig zu halten, daß der Temperaturfühlerwiderstand 17 nicht vom durchfließenden Strom beheizt wird. Da aber diese Spannungsversorgung heruntergeteilt wird, muß dies auch bei der anderen Spannungversorgung geschehen. Da aber hier der Temperaturfühlerwiderstand 16 beheizt wird, kann dies nur ausgangsseitig der Temperaturmeßschaltung 30 geschehen.

Die eigentliche Schaltung wird nun anhand der Fig. 3 beschrieben.

Die Temperaturmeßschaltung 30 enthält neben dem Temperaturfühlerwiderstand 16, der als Siliziumwiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten ausgebildet ist, noch einen in Serie mit ihm liegenden Vorwiderstand 50, wobei beide Widerstände mit einer Leitung 51 miteinander verbunden sind, und der Temperaturfühlerwiderstand an Massen 52 und der Vorwiderstand 50 über eine Leitung 53 am Ausgang 40 des Verstärkers 37 liegt. Alle Verstärker der Fig. 3 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 mit dem 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 Temperaturmeßschaltung 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 Temperaturfühlerwiderstand 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 Fig. 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 Temperaturfühlerwiderständen 16 und 17 gilt nun folgendes:

Der Widerstandswert jedes der beiden Vorwiderstände entspricht dem geometrischen Mittel der Widerstandswerte des zugehörigen Temperaturfühlerwiderstandes an den Temperaturgrenzen T₁, T₂ beziehungsweise T₃, T₄.

Um zu diesem Ergebnis zu kommen, wird ausgegangen von der Gleichung 1,

die die Abhängigkeit der elektrischen Verlustleistung eines in Serie geschalteten Widerstandes von Spannungs- und Widerstandswerten beschreibt.

Dabei steht R(T_w) für den Wert des jeweiligen beheizten oder unbeheizten Temperaturfühlerwiderstands 16 oder 17 mit T_w als jeweiliger Widerstandstempereatur und R₀ für den Wert des jeweils zugehörigen Vorwiderstandes 50 oder 68.

Aus der Forderung gemäß dem Patentanspruch 1, daß die Verlustleistung an der unteren und oberen Grenze eines als Meßbereich vorgegebenen Temperaturbereichs gleich sein soll, also P_e1 (T_min)=ρ (T_max) folgt unter Beachtung der gleichzeitigen Forderung nach Temperaturunabhängigkeit des Ausgangssignals U, das am Ausgang 40 der Schaltung gemäß Fig. 3 abgenommen werden kann, die Gleichung 2:

Aus Vereinfachungsgründen und weil beide Vorwiderstände für die Fühlerwiderstände nach der gleichen Art und Weise ermittelt werden, wurden die Werte für T₂ und T₄ mit T_max, die Werte für T₁ und T₃ hingegen mit T_min bezeichnet. Durch Umformen und Vereinfachen ergeben sich die Gleichungen 3 und 4

die schließlich zum Ergebnis in den Patentansprüchen 3 und 4 führen.

Hiermit ist abgeleitet, daß der Vorwiderstand als das bereits erwähnte geometrische Mittel anzusetzen ist.

Claims (7)

1. Schaltung zum Ermitteln der Fließgeschwindigkeit eines fluiden Mediums mit zwei an einer Spannung liegenden Temperaturfühlerwiderständen, wovon einer beheizt und beide dem Medium ausgesetzt und mi Vorwiderständen in Serie beschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwiderstand (50) für den beheizten Temperaturfühlerwiderstand (16) so bemessen ist, daß die Verlustleistung (P_e1) des beheizten Temperaturfühlerwiderstandes (16) an der unteren und oberen Grenze eines Widerstandstemperaturbereiches (T₁, T₂) der einem als Meßbereich vorgegebenen Temperaturbereich (T₃, T₄) des fluiden Mediums entspricht, gleich ist, wenn an der Serienschaltung von beheiztem Temperaturfühler- und Vorwiderstand (16, 50) die gleiche Spannung anliegt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwiderstand (68) für den unbeheizten Temperaturfühlerwiderstand (17) so bemessen ist, daß die Verlustleistung (P_e1) des unbeheizten Temperaturfühlerwiderstandes (17) an der unteren und oberen Grenze des als Meßbereich vorgegebenen Temperaturbereiches (T₃, T₄) des fluiden Mediums gleich ist, wenn an der Serienschaltung von unbeheiztem Temperaturfühler- und Vorwiderstand (17, 18) die gleiche Spannung anliegt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandwert des Vorwiderstandes (68) für den unbeheizten Temperaturfühlerwiderstand (17) nach folgender Beziehung bemessen ist: wobei R₆₈ den Wert für den Vorwiderstand (68) R₁₇ (T₃) den Widerstandswert des unbeheizten Temperaturfühlerwiderstandes (17) bei der unteren Temperaturgrenze des fluiden Mediums und R₁₇ (T₄) den Widerstandswert des unbeheizten Temperaturfühlerwiderstandes (17) bei der oberen Temperaturgrenze des fluiden Mediums bedeuten.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem beheizten Temperaturfühlerwiderstand (16) der Widerstandswert des Vorwiderstandes (50) nach folgender Beziehung bemessen ist: wobei R₅₀ den Wert für den Vorwiderstand (50), R₁₆ (T₁) den Widerstandswert des beheizten Temperaturfühlerwiderstandes bei der unteren Grenze T₁ der Widerstandstemperatur und R₁₆ (T₂) den Widerstandswert des beheizten Temperaturfühlerwiderstandes bei der oberen Grenze T₂ der Widerstandstemperatur bedeuten.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühlerwiderstände (16, 17) mit ihren Vorwiderständen (50, 68) Teile von Temperaturmeßschaltungen (30, 31) sind, daß am Ausgang (32) der Temperaturmeßschaltung (30), die den beheizten Temperaturfühlerwiderstand (16) aufweist, ein Spannungsteiler (38) angeordnet ist und daß ein Spannungsteiler (42) mit identischem Teiler im Eingang der Temperaturmeßschaltung (31) angeordnet ist, die den unbeheizten Temperaturfühlerwiderstand (17) aufweist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge beider Temperaturmeßschaltungen (30, 31) mit den Eingängen eines Verstärkers (37) verbunden sind und daß vom Ausgang (40) dieses Verstärkers die beiden Temperaturmeßschaltungen (30, 31) gespeist sind.

7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal für die Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums am Ausgang (40) des Differenzverstärkers (37) gewonnen wird.