DE3806764C2

DE3806764C2 - Direkt beheiztes Konstanttemperatur-Anemometer

Info

Publication number: DE3806764C2
Application number: DE19883806764
Authority: DE
Inventors: Otto Dipl Ing Hoffer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-03-02
Filing date: 1988-03-02
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2008-03-03
Also published as: DE3806764A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Konstanttemperatur- Anemometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs, wie es aus C. G. Lomas: Hot Wire Anemometry, Cambridge University Press, New York, 1986, S. 2 und 3, bekannt ist.

Schaltungsanordnungen zum Betreiben eines temperaturabhängigen elektrischen Widerstands als Geschwindigkeits- und Mengenmesser für strömende Medien sind in einigen Varianten seit einiger Zeit bekannt, wobei zum Steuern des Heizstroms oft bipolare Transistoren verwendet werden. Die Basisspannung (Steuerspannung) wird erzeugt, indem eine Differenz zwischen der Spannung am Meßgeberwiderstand und der Spannung an einem Vergleichswiderstand gebildet wird, die dann in der Regel einem P-Regler als Eingangsspannung dient. Die Ausgangsspannung des Reglers ist dann die gesuchte Steuerspannung für den Transistor. Die Verwendung von Feldeffekttransistoren in der Schaltunganordnung eines Anemometers ist aus der US 4 080 821 bekannt (jedoch nicht als Leistungskomponente), der Einsatz integrierender Schaltungsmodule aus der US 3 085 431, US 4 384 484 und GB 2173905. Nachteile der bekannten Schaltungsanordnung sind eine geringe Bandbreite (Fähigkeit schnelle Geschwindigkeitsschwankungen zu registrieren) und die Tatsache, daß der Bipolar-Transistor schon bei etwa 5 V Basisspannung in die Sättigung geht. Die Folge davon ist, daß der Geber oft unerkannt intermittierend geregelt wird.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Konstanttemperaturanemometer derart vorzugeben, daß die Bandbreite einerseits vergrößert wird und andererseits ein kontinuierlicher Geberbetrieb gewährleistet wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Konstanttemperatur- Anemometer mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch gelöst.

Am Beispiel des Blockschaltbilds in der Fig. 1 wird die Erfindung erläutert. Im linken Zweig der Brücke befindet sich der Meßwertgeber G, während ein Vergleichswiderstand P sich im rechten Brückenzweig befindet. α_e sei der lineare Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands. T sei die Gebertemperatur und T₀ eine Bezugstemperatur. Dann gilt für den Geberwiderstand:

R = R₀ [1 + α_e (T-T₀) ] (1)

Hierin ist R₀ der elektrische Widerstand des Gebers bei der Bezugstemperatur. Ist die Spannung am Meßwertgeber gleich der Spannung am Vergleichswiderstand, so wird im Geber wie folgt elektrische Leistung in Wärme umgewandelt:

Q = I_g² · R (2)

Diese Wärme wird an die Strömung übertragen. Somit ist der Strom, der zugeführt werden muß, um den Geberwiderstand und somit seine Temperatur konstant zu halten, ein Maß für die Geschwindigkeit des Strömungsmediums und des Massen- oder Mengenstroms.

Im Funktionsblock F₁ wird die Differenz zwischen der Spannung am Geber U_t und der Spannung am Vergleichswiderstand U_p gebildet. Der Funktionsblock F₂ ist der Regler, der mindestens ein I- Regler sein muß, jedoch auch ein PI-Regler oder PID-Regler sein kann. Die Funktionsblöcke werden unten im einzelnen beschrieben.

Die Ausgangsspannung am Funktionsblock F₂ ist die Gate-Spannung am Steuertransistor T, der ein N-Kanal-Anreicherungs- MOSFET ist. Es ist bekannt, daß die Steuerspannung U_gs an einem N-Kanal-Anreicherungs-MOSFET ein Mehrfaches der Betriebsspannung des Transistors U_ds betragen kann. Andererseits aber kann die Gatespannung U_g niemals kleiner werden als die Spannung U_s an der Source-Elektrode, denn bei U_g=U_s sperrt der Transistor T und der Regelkreis wird stromlos. Auf diese Weise sorgt die Schaltung selbst für ihre eigene maximale Betriebssicherheit ohne zusätzliche Komponenten. Ist dagegen kein Meßwertgeber vorhanden, so erzeugt der Spannungsabfall am Widerstand R₂ eine Abnahme der Steuerspannung U_g bis der Regelkreis ebenfalls stromlos geworden ist, weil der Transistor T sperrt. Daher kann der Meßwertgeber beim Stecken nicht abbrennen.

Ein Maß für die Schnelligkeit des Transistors ist die Schaltzeit t_s, die bei bekannt gewordenen N-Kanal-Leistungs-MOSFET's bei weniger als 10 ns liegt. Sie ist somit um eine Größenordnung kleiner als die der schnellsten bipolaren Leistungs- Transistoren. Somit erhöht sich die Bandbreite der hier vorgeschlagenen Schaltungsanordnung um den Faktor 10. Dies bedeutet, daß die hier vorgeschlagene Schaltungsanordnung auch sehr schnelle Strömungsschwankungen noch erfassen kann, für die Schaltungsanforderungen nach dem Stand der Technik unempfindlich sind.

In der Fig. 2 schließlich ist ein Ausführungsbeispiel im einzelnen veranschaulicht. Den Funktionsblock F₁ bildet ein Elektrometer- Subtrahierer Instrumentation Amplifier OV1, der eine Differenz zwischen der Spannung am Vergleichswiderstand U_p und der Spannung am Meßwertgeber U_t bildet:

ΔU = U_p - U_t (3)

Den Funktionsblock F₂ bildet der Operationsverstärker OV2, der mit dem Widerstand R₃ und dem Kondensator C als invertierender Integrator arbeitet. Man erhält somit die Steuerspannung U_g am Gate des Transistors T wie folgt:

Man sieht daher ohne weiteres ein, daß das Vorhandensein einer Störung ΔU eine Änderung der Gate-Spannung am Transistor T bewirkt, die ihrerseits im Sinne der Aufhebung der verursachenden Störung wirkt. Damit also bewirkt eine Vergrößerung der Steuerspannung U_g eine Vergrößerung des Brückenstroms I, der in den Geberstrom I_g und den Strom im Vergleichswiderstand I_p aufgespalten werden kann. Der Spannungsabfall U_s-U_p nimmt linear mit dem Strom I_p zu während die Spannungsdifferenz U_s-U_g quadratisch mit dem Geberstrom zunimmt. Die gewünschte Regelwirkung wird also erzielt und zwar so, daß der Geberwiderstand stets gleich dem Vergleichswiderstand ist. Gemäß der Beziehung [1] bedeutet das, daß die Gebertemperatur T konstant gehalten wird. Daher stellt man die hier beschriebene Schaltungsanordnung ein Konstanttemperaturanemometer dar. Die zugeführte elektrische Leistung, die benötigt wird um den Geberwiderstand konstant zu halten, ist somit das Maß für die Strömungsgeschwindigkeit oder den Mengenstrom des strömenden Mediums.

Claims

Direkt beheiztes Konstanttemperatur-Anemometer mit
- - einem als temperaturabhängigen Widerstand ausgebildeten Meßwertgeber G und einem Vergleichswiderstand P, die mit zwei weiteren festen Wider ständen R1, R2 zu einer Wheatstone'schen Brücke verbunden sind, wobei sich der Meßwertgeber G in einem Zweig der Brücke und der Vergleichswiderstand P im gegenüberliegenden Zweig der Brücke befinden, und
- - einer Schaltung zur Regelung des Brückenstroms
  gekennzeichnet durch
- - einen Elektrometer-Subtrahierer (instrumentation amplifier) OV1 zur Bildung der Spannungsdifferenz zwischen der Spannung am Meßwertgeber G und der Spannung am Vergleichswiderstand P.
- - einen I-Regler, PI-Regler oder PID-Regler, der diese Spannungsdifferenz als Eingangsspannung verstärkt und integriert, bestehend mindestens aus einem Operationsverstärker OV2, einem Kondensator C und einem Widerstand R3, und
- - einem N-Kanal-Anreicherungs-MOSFET T, dem die Ausgangsspannung des Reglers als Gate-Spannung zugeführt wird und der den durch ihn fließenden Brückenstrom steuert.