DE3820025A1 - Messschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßschaltung für die Anwendung bei Anordnungen, die mit Hilfe einer Wärmeübergangsmessung von einem geeigneten Meßfühler auf ein den Meßfühler um­ gebendes Medium, die Strömungsgeschwindigkeit in der Weise erfassen, daß innerhalb des Meßfühlers zwei in das Me­ dium hineinragende Temperaturfühler angeordnet sind, von denen ein Fühler die Mediumstemperatur, der andere Fühler die Temperatur des durch eine Wärmequelle aufgeheizten Mediums mißt, wobei die Wärmequelle innerhalb des Meßfühlers angeordnet ist, und die eine symmetrische elektrische Brücke aufweist, in welche zwei Meßfühler geschaltet sind, und bei der die Meßspannung von der Brückendiagonale abgeleitet ist.

Die beschriebene Meßschaltung wird in Verbindung mit kalo­ rimetrischen Strömungswächtern verwendet, wie sie in den Schriften DE 32 13 902, DE 35 14 491 beschrieben sind. Bei sol­ chen Strömungswächtern werden im Prinzip immer zwei Tempe­ raturfühler eingesetzt, wobei ein Temperaturfühler die Me­ diumstemperatur und der andere Temperaturfühler die Tempe­ ratur des durch eine in dem Meßfühler befindliche Wärme­ quelle aufgeheizten Mediums mißt. Strömt das Medium, so wird die an die Außenwandung des Meßfühlers geleitete Wärme durch das strömende Medium abtransportiert. Fließt die Stömung nicht, bildet sich im Bereich des aufgeheizten Meßfühlers ein Wärmestau mit dem Effekt aus, daß die Tem­ peratur innerhalb des Meßfühlers ansteigt. Durch den Ver­ gleich der Mediumstemperatur und der Temperatur des aufge­ heizten Mediums im Bereich des Meßfühlers kann auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden.

In der Schrift 28 49 467 ist eine Brückenschaltung beschrieben, bei welcher ein Widerstand der Brücke direkt geheizt ist, wo­ bei der Stromdurchfluß durch diesen Meßwiderstand so geregelt ist, daß die Ausgangsspannung des Brückenverstärkers konstant ist, unabhängig von der durch das Medium abtransportierten Wärmemenge, d. h. in Abhängigkeit von der Mediumsströmungs­ geschwindigkeit wird der Meßwiderstand geheizt.

Bei dieser Meßanordnung wird stillschweigend davon ausge­ gangen, daß die Brückenanordnung, im wesentlichen bestehend aus dem geheizten Meßwiderstand und einem die Umgebungs­ temperatur messenden Widerstand, bei einer konstanten Strö­ mung an der Brückendiagonale unabhängig von der Mediumstempe­ ratur eine konstante Spannung aufweist.

In der Schrift 24 47 617 ist ein kalorimetrischer Strömungs­ wächter beschrieben, der aus einer Meßbrücke und einem zusätz­ lichen Heizwiderstand besteht. In die Diagonale der Meßbrücke sind parallel zwei Operationsverstärker geschaltet, deren Einer ein Schaltsignal für die anliegende Strömungsgeschwin­ digkeit liefert, und der andere Operationsverstärker zur Heiz­ kreis- und Fühlerdrahtbruchüberwachung vorgesehen ist. Auch bei dieser Anordnung derMeßelemente wird davon ausgegangen, daß bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit, die Brücken­ diagonalspannung unabhängig von der sich ändernden Umgebungs­ temperatur ist.

In der Schrift 19 26 250 wird der sich ändernden Umgebungs­ temperatur dadurch Rechnung getragen, daß das die Temperatur des Mediums messende Meßelement mit einer konstanten Leistung beheizt ist. Vorraussetzung für die Funktion dieses Ver­ fahrens ist jedoch, daß das die Temperatur des Mediums messen­ de Meßelement nicht der zu messenden Strömung ausgesetzt ist, oder zumindest einer Mediumsströmungsgeschwindigkeit, die kleiner und proportional der zu messenden Originalgeschwin­ digkeit ist.

Eine derartige Meßanordnung erfordert zwingend einen kom­ plexen Strömungssensor, der mindestens zwei Meßkammern auf­ weist.

In allen bekannten kalorimetrischen Strömungswächtern, die mit den Eingangs genannten Meßfühlern arbeiten, sind keine technischen Lösungen angegeben, die Änderungen der Wärme­ leitfähigkeit oder des Wärmeabtransportes desselben Mediums in Abhängigkeit von der Temperatur beschreiben.

Bei den bekannten technischen Lösungen wird stillschweigend davon ausgegangen, daß solche Änderungen bei den zu er­ fassenden Medien nicht vorkommen. Diese Fehleinschätzung führt in den meisten Fällen dazu, daß die Brückendiagonal­ spannung trotz elektrischer und mechanischer Symmetrie des Meßfühlers in Abhängigkeit von der sich ändernden Mediums­ temperatur nicht konstant ist, sondern je nach Fühlerkon­ zeption mehr oder weniger stark driftet. Aus diesem Grunde werden kalorimetrische Strömungswächter nur in sehr ein­ geschränkten Anwendungen zur analogen Messung der Strömungs­ geschwindigkeit verwendet. In solchen Anwendungen wird oft die ausgemessene Drift eines Meßfühlers durch entsprechende festprogrammierte Kennlinien kompensiert, was heute z. B. auch durch den Einsatz von Mikroprozessoren erleichtert ist. Solche selbstspeichernden oder selbstkompensierenden Anord­ nungen sind aber aufwendig und erlauben nicht den Entwurf einer einfachen Meßschaltung, wie sie für Massenanwendungen erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßschaltung für einen kalorimetrisch arbeitenden Strömungswächter anzugeben, der innerhalb eines Meßgehäuses sowohl die Meßelemente wie auch das Heizelement enthält, der in seinem Eingang eine symmetrische Meßbrücke aufweist und eine Kompensationsein­ richtung besitzt, die eine Drift der Brückendiagonalspannung bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit aber sich ändernder Umgebungstemperatur aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe geschieht in überraschend einfacher Weise dadurch, daß dem konstanten Heizstrom des Heizelementes innerhalb des Meßfühlers ein zusätzlicher Strom überlagert ist, der in Abhängigkeit von der Mediumstemperatur gesteuert ist. Diese Steuerung erfolgt wiederum in einfacher Weise dadurch, daß die Temperatur an dem in dem Meßfühler vorhandenen Temperaturmeßelement als elektrische Spannung vermittels eines Verstärkers abgetastet wird und nach line­ arer Verstärkung einem Summationsverstärker zugeführt ist, der einerseits die mit einem Faktor multpilizierte Tempera­ turspannung und andererseits die vorgewählte mittlere Ver­ sorgungsspannung für das Heizelement des Meßfühlers auf­ summiert und dem Heizelement damit einen ensprechenden Strom einprägt.

Diese Summation erfolgt in der Weise, daß die Versorgungs­ spannung für das Heizelement mit zunehmender Temperatur zunimmt. Diese Kompensation trifft für Wasser und für die meisten Medien zu. Es sind jedoch auch Medien bekannt, wo nichtlineare Kennlinien erforderlich sind. In solchen Fällen muß mit entsprechend ausgebildeten Netzwerken operiert werden.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß der das Medium aufheizende Heizwiderstand (R 5) mit einer konstanten Heizleistung beheizt ist, und ebenfalls der die Mediumstemperatur des Mediums messende Meßwiderstand (R 4) durch einen zusätzlichen Heizwiderstand (R 10) beheizt ist. Eine solche Anwendung wird insbesondere bei der Anwendung von zwei in einem Meßfühler untergebrachten symmetrischen Meßstiften eingesetzt. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß die Temperatur des geheizten Fühlers (R 5, R 3) mit zunehmender Temperatur nicht zusätzlich durch die Kompensationsmaßnahmen erhöht ist. Bei einer solchen Ordnung muß der Strom durch den Heizwiderstand (R 10), mit zunehmender Temperatur herabgesetzt werden.

Gleichzeitig ist der mittiere Strom durch diesen Wider­ stand um etwa einen Faktor 10 kleiner als derjenige durch den Heizwiderstand (R 5).

In den nachfolgend aufgeführten Anwendungsbeispielen wird die Erfindung näher beschrieben.

In (I) ist die Meßschaltung schematisch dargestellt. Die Meß­ brücke wird durch die Widerstände (R 1, R 2, R 3, R 4, R 6) gebildet. Der Brückenabgleich erfolgt durch das Potentio­ meter (R 6). Der Meßwiderstand (R 3) ist mit dem Heizwider­ stand (R 5) gekoppelt, der Meßwiderstand (R 4) mißt die Mediumstemperatur innerhalb des Meßfühlers.

Die Brückendiagonalspannung wird dem Verstärker (V 1) zuge­ führt. An dem Zusammenschaltungspunkt der Widerstände (R 2, R 4) wird die Temperaturmeßspannung abgenommen und dem Ver­ stärker (V 2) zugeführt. Der Verstärker (V 3) gibt die Be­ triebsspannung für den Heizwiderstand (R 5) ab. Es handelt sich um einen Summationsverstärker, der einen Eingang für die mittlere Heizspannung aufweist, die mittels des Potentio­ meters (R 7) eingestellt werden kann. Die die Temperatur darstellende Spannung wird von dem Verstärker (V 2) geliefert und ebenfalls auf einen Eingang des Summationsverstärkers gegeben. Dieser Ausgangsspannung des Verstärkers (V 2) ist die mittlere Diagonalbrückenspannung, die sich bei Raumtempe­ ratur von 20°C einstellt, überlagert. Ein weiterer Eingang des Summationsverstärkers ist für eine konstante Spannung, gebildet durch den Spannungsteiler (R 8, R 9) vorgesehen. Diese Spannung entspricht exakt der mittleren Brückenspannung bei 20°C und wird mit negativen Vorzeichen der Spannung des von dem Verstärker (V 2) gelieferten Ausgangssignals addiert. Die Steuerung des Heizstroms für den Heizwiderstand (R 5) er­ folgt nun in der Weise, wie es in dem Diagramm (II) darge­ stellt ist.

Die mittlere Heizspannung für 20°C wird in dem Potentio­ meter (R 7) eingestelit. Bezogen auf 20°C wird nun dem Summationsverstärker (V 3) die zu überlagernde, durch die Mediumstemperatur induzierte Temperaturmeßspannung, zuge­ führt. Ist z. B. bei 20°C die mittlere Heizspannung U H _o etwa 8 Volt so wird bei 70°C etwa 0,8 Voit durch den Tempe­ ratureffekt addiert, so daß bei 70°C etwa 8,8 Volt an dem Heizwiderstand (R 5) anliegt. Die kompensierte Diagonal­ brückenspannung wird dem Differenzverstärker (V 1) zuge­ führt. Dieser steuert den Verstärker (V 4) an, der als Schalt- oder auch als Analogverstärker ausgebildet ist. Es soll hier nicht unerwähnt bleiben, daß durch eine weitere Zusatzbeschaltung noch ein Regelkreis eingeführt werden kann, der an den Ausgang des Verstärkers (V 1) anzuschließen ist, und bei welchem das Potentiometer (R 7) durch einen steuerbaren Verstärker ersetzt ist, der den Verstärker (V 3) in der Weise ansteuert, daß die Differenzeingangsspannung an dem Verstärker (V 1) auf einen konstanten Wert eingeregelt ist, und in diesem Fall die Regelspannung ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellt. Auch bei dieser Lösung ist die durch den Verstärker (V 2) erzeugte temperaturgesteu­ erte Ausgangsspannung für eine Driftkompensation der Regel­ spannung unabdingbar.

In (III) ist eine Modifikation der Brückenschaltung darge­ stellt, insbesondere der Driftkompensation. Die Widerstände (R 1, R 2, R 3, R 4) bilden in diesem Falle wieder die Widerstände der Meßbrücke, (R 3) ist mit (R 5) so dimen­ sioniert, daß die erforderliche Heizleistung konstant ist. Der Temperaturmeßwiderstand (R 4) ist mit einem Heizwider­ stand (R 10) thermisch gekoppelt. Die Heizleistung des Widerstandes (R 10) ist um einen Faktor 10 kleiner als die­ jenige des Heizwiderstandes (R 5).

Die Heizspannung für den Widerstand (R 10) wird wiederum einem Summationsverstärker (V 3) entnommen. Im Gegensatz zu der in (I) aufgezeigten Anordnung vermindert sich die Stromaufnahme des durch den Heizwiderstand (R 10) fließenden Stromes mit zunehmender Temperatur des zu erfassenden Me­ diums. In beiden Fällen kann eine lineare Temperatur-Heiz­ strom-Kennlinie verwendet werden. Dies ist für die meisten Medien, wie z. B. auch Wasser mit guter Näherung möglich. Nur bei wenigen Medien ist die Einschaltung eines Verzerrungs­ netzwerkes in Form eines 4-Poles am Ansgang des Verstärkers (V 2) erforderlich.

In (IV) ist eine Zusammenschaltung des Brückenverstärkers (V 1) und des Summationsverstärkers aufgezeigt. Die Brücken­ diagonalspannung liegt an der Klemme (B) an. Die Temperatur wird am Anschlußpunkt des Widerstandes (15) über den Wider­ stand (13) dem Summationsverstärker (V 3 a) zugeführt. Am Eingang des Summationsverstärkers ist das Potentiometer (R 7) für die Ruhespannung bei 20°C angeschlossen. An diesem Punkt ist ebenfalls das durch den Spannungsteiler (8, 9) ge­ bildete Diagonalspannungsniveau bezüglich der Masse ange­ schlossen.

Die durch das Potentiometer (R 7) gewonnene mittlere Heiz­ spannung wird über den Widerstand (11) dem zweiten Ver­ stärker (V 3 b) innerhalb des Summationsverstärkers zuge­ führt. Die an dem ersten Verstärker gebildete Differenz­ spannung ist ebenfalls hier angeschlossen. Am Ausgang des Verstärkers (V 3 b) liegt die Versorgungsspannung für den Heizwiderstand (R 5) an. Diese Schaltung weist noch eine Besonderheit auf; der Brücken-0-Abgleich erfolgt nicht wie in (I) gezeigt mit Hilfe des im Brückenzweig liegenden Potentiometers (R 6), sondern die sich ggf. an der Brücken­ diagonale ausbildende Fehlspannung wird mit umgekehrten Vorzeichen über das Potentiometer (R 21) und den Widerstand (14) am Eingang des Brückenverstärkers (V 1) addiert, so daß sich im abgeglichenen Zustand am Eingang des Brückenver­ stärkers (V 1) die Brückendiagonalspannung 0 ergibt. Eine weitere Besonderheit dieser Schaltungsanordnung be­ steht darin, daß die Verstärkung des Teilverstärkers (V 3 b) über den Widerstand (20) geändert werden kann. Hierdurch wird die Steilheit der Heizspannung für den Meßwiderstand (R 5) geändert. Durch diese Maßnahme erfolgt eine An­ passung an die verschiedenen temperaturabhängigen Wärme­ leitfähigkeiten der zu überwachenden Medien.

Claims (7)

1. Meßschaltung für die Anwendung bei Anordnungen, die mit Hilfe einer Wärmeübergangsmessung von einem geeigneten Meß­ fühler auf ein den Meßfühler umgebendes Medium die Strö­ mungsgeschwindigkeit in der Weise erfassen, daß innerhalb des Meßfühlers zwei in das Medium hineinragende Temperatur­ fühler angeordnet sind, von denen ein Fühler die Mediums­ temperatur, der andere Fühler die Temperatur des durch eine in dem Meßfühler befindliche Wärmequelle aufgeheizten Me­ diums mißt, die eine symmetrische elektrische Brücke auf­ weist, in welche zwei Meßfühler geschaltet sind, und bei der die Meßspannung von der Brückendiagonale abgeleitet ist, die einen zusätzlichen Verstärker in dem nicht beheizten Brückenzweig aufweist, der die Temperatur des Mediums in eine elektrische Spannung umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstrom des Heizwiderstandes (R 5) in Abhängig­ keit von der Mediumstemperatur geregelt ist.

2. Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (R 5) an den Ausgang eines Verstärkers (V 3) geschaltet ist, dessen Ausgangsspannung einerseits über ein Potentiometer (R 7) einstellbar ist, andererseits aber auch durch die an dem Zusammenschaltungspunkt der Brücken­ widerstände (R 2, R 4) sich ausbildende, die Mediumstempe­ ratur repräsentierende Spannung steuerbar ist.

3. Meßschaltung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (R 5) mit einer konstanten Leistung beaufschlagt ist, daß das die Mediumstemperatur messende Meßele­ ment (R 4) mit einem zusätzlichen Heizwiderstand (R 10) thermisch gekoppelt ist, dessen Heizleistung in Abhängigkeit von der Mediumstemperatur über den Summationsverstärker (V 3) steuerbar ist.

4. Meßschaltung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung an dem Heizwiderstand (R 5) mit zunehmender Temperatur zunimmt.

5. Meßschaltung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Beaufschlagung des Meßwiderstandes (R 5) mit einer konstanten Heizleistung, die Heizleistung des Wider­ standes (R 10) mit zunehmender Temperatur reduziert ist.

6. Meßschaltung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der Heizströme der Widerstände (R 5) oder (R 10) in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der sich mit der Temperatur ändernden Wärmeableitfähigkeit des zu überwachenden Mediums linear erfolgen.

7. Meßschaltung nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Heizwiderstände (R 5, R 10) fließende zu­ sätzlich von der Mediumstemperatur aufgeprägte Strom bezüg­ lich seiner Temperatur-Stromcharakteristik vermittels einer Einstellvorrichtung beeinflußbar ist; daß die Steilheit der Temperatur-Stromkennlinie einstellbar ist.