DE4241892C2 - Thermosensitiver Flußmesser und Einstellverfahren dafür - Google Patents

Thermosensitiver Flußmesser und Einstellverfahren dafür

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Description

Die Erfindung betrifft einen thermosensitiven Flußmesser mit den Merkmalen a), b) des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Einstellen des variablen zweiten Widerstands eines derartigen thermosensitiven Flußmessers. Ein derartiger thermosensitiver Flußmesser ist aus der US 4,450,719 bekannt. Um den thermosensitiven Widerstand beim Einschalten einer Energieversorgung schnell zu erwärmen, wird hier der zu dem thermosensitiven Widerstand in Reihe geschaltete erste Widerstand für eine vorgegebene Zeitperiode nach Einschalten der Energieversorgung kurzgeschlossen. Wenn sich hier bei einer Massenproduktion des Flußmessers Abweichungen des Widerstandswerts des thermosensitiven Widerstands ergeben, treten für eine vorgegebene Flußrate in abgeglichenem Zustand der Brückenschaltung unterschiedliche Ausgangsspannungen für das Flußratensignal auf.
Die US 4,907,446 zeigt einen thermosensitiven Flußmesser mit einer Brückenschaltung, die einen variablen zweiten Widerstand umfaßt, um die Brückenschaltung im abgeglichenen Zustand so einzustellen, daß die Spannung an einem Knoten zwischen dem thermosensitiven Widerstand und dem ersten Widerstand einen vorgegebenen Wert annimmt. Diese Spannung wird durch eine Auswerteschaltung weiter verarbeitet, um den Gradienten der Flußratencharakteristik einstellen zu können. Jedoch wirken sich auch hier geringe Schwankungen des Widerstandswerts des thermosensitiven Widerstands auf die Flußratencharakteristik aus.
Flußmesser, welche die Flußrate einer Flüssigkeit erfassen zur Messung mit einem abgeglichenen Brückenschaltkreis und einen thermosensitiven Widerstand in der Flüssigkeit angeordnet haben, sind ferner offenbart in der ungeprüften japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 108930/1986 und der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 216214/1989.
Fig. 2 zeigt den Aufbau eines thermosensitiven Flußmessers. Eine Erfassungsröhre 2 ist angeordnet an einer vorbestimmten Position in einem Gehause 1, was als Hauptpfad einer Flüssigkeit dient. Ein thermosensitiver Widerstand 3 und ein Fluidtemperaturfühler 4 sind an vorbestimmten Positionen in der Erfassungsröhre 2 angeordnet und bilden einen Brückenschaltkreis zusammen mit Widerständen R1 und R2. Beide Eingangsanschlüsse eines Differentialverstärkers 101 sind verbunden mit Knoten b, f des Brückenschaltkreises, wohingegen der Ausgangsanschluß des Differentialverstärkers 101 mit der Basis eines Transistors 102 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 102 ist verbunden mit einem Anschluß a des Brückenschaltkreises, und der Kollektor des Transistors 102 ist verbunden mit einer Stromquelle 103.
Fig. 3 zeigt die Struktur der Halterung des thermosensitiven Widerstands 3. Der thermosensitive Widerstand 3 mit einem Heizabschnitt (temperaturabhängiger Widerstandsfilm) 31 auf einer Oberfläche eines plattenförmigen isolierenden Substrats 30 ist befestigt an der Erfassungsröhre 2 durch ein Halterungselement 5, welches das eine Ende des thermosensitiven Widerstands 3 unterstützt. Der thermosensitive Widerstand 3 ist verbunden mit Anschlüssen 6 durch Stromzuführungsdrähte 34, wobei die Anschlüsse unterstützt werden durch das Halteelement 5 durch Einsetzen. Fig. 4 zeigt einen ausführlichen Aufbau des thermosensitiven Widerstandes 3, bei dem Bezugszeichen 31 den Heizabschnitt (temperaturabhängiger Widerstandsfilm), 32 einen Elektrodenabschnitt und 33 einen Halterungsabschnitt zeigt.
Da der Betrieb des so aufgebauten herkömmlichen thermosensitiven Flußmessers bekannt ist, wird eine detaillierte Beschreibung davon unterlassen werden. Der Schaltkreis ist abgeglichen, wenn die Spannung am Knoten b der Spannung am Knoten f gleicht. Dabei fließt ein Strom IH entsprechend der Flußrate durch den thermosensitiven Widerstand 3. Die Spannung Vb am Knoten b wird IH×R1, und wird als Flußratensignal benutzt.
Jedoch hat die Spannung Vb, welche ein Flußratensignal ist, wenn die Spannungen an den Knoten b, f gleich sind, Fehler. Diese Fehler beeinhalten: dimensions- und profilbedingte Fehler verschiedener Teile, Konstanzfehler der jeweiligen Widerstände, die den Brückenschaltkreis bilden und Temperaturverteilungsschwankungen am Heizabschnitt 31 des thermosensitiven Widerstands 3. Es ist allgemein üblich, dem thermosensitiven Widerstand 3 einen Trimmbereich N zu geben, um den Widerstand konstant zu halten, wobei der Trimmbereich N entweder auf so ein Profil getrimmt ist, welches übereinstimmt mit einem Nicht-Trimmbereich M, oder überhaupt nicht getrimmt ist aufgrund von Variationen im Material oder in der Filmdicke des Widerstandes.
Falls der Trimmbereich N so getrimmt ist, daß er im Profil übereinstimmt mit dem Nicht-Trimmbereich M, kann eine im wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung erhalten werden längs des Heizabschnitts 31. Falls der Trimmbereich N überhaupt nicht getrimmt ist, wird eine absinkende Temperaturverteilung am Trimmbereich N des Heizabschnitts 31 beobachtet.
Fig. 5(a) und 5(b) zeigen Temperaturverteilungen des thermosensitiven Widerstands 3. Fig. 5a zeigt einen Fall, in dem der ganze Trimmbereich N getrimmt worden ist, wohingegen Fig. 5(b) einen Fall zeigt, in dem der Trimmbereich N nicht getrimmt worden ist. Referenzbuchstaben h0 bis h9 zeigen Positionen entlang der Länge des thermosensitiven Widerstandes 3 an, welche den Positionen h0 bis h9 in Fig. 4 entsprechen. Zur Flußrateneinstellung wird ein variabler Widerstand R2 so eingestellt, daß die Flußratensignalspannung Vb einen vorbestimmten Wert annimmt, wenn die Flüssigkeit mit einer konstanten Flußrate strömt. Wenn jedoch diese Einstellung gemacht wird an Heizabschnitten, deren Trimmbeträge verschieden sind, wie zum Beispiel in den Fällen nach Fig. 5(a) und 5 (b), werden nicht nur die Temperaturverteilungen, sondern auch die mittleren Temperaturen T verschieden. Deshalb kann eine vorbestimmte Ausgabe erhalten werden bei einer eingestellten Flußrate, aber Fehler resultieren bei Flußraten, die verschieden sind von der eingestellten Flußrate, da sich die Flußratencharakteristik der Flußratensignalspannung Vb ändert. Zusätzlich trägt die Temperaturcharakteristik ebenfalls zum Anhäufen solcher Fehler bei.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen thermosensitiven Flußmesser und ein Einstellverfahren für dessen variablen zweiten Widerstand bereitzustellen, so daß die Genauigkeit im gesamten Flußratenmeßbereich unabhängig von Schwankungen des Widerstandswerts des thermosensitiven Widerstands gewährleistet ist und bei der Massenproduktion die gleichen Temperaturcharakteristiken erhalten werden können.
Diese Aufgabe wird durch einen thermosensitiven Flußmesser gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 6 gelöst.
Der erfindungsgemäße thermosensitive Flußmesser besitzt den Vorteil, daß er Variationen durch Angleichen des Profils eines Heizwiderstands eliminiert, da der Heizleistungswert des thermosensitiven Widerstandes auf einen vorbestimmten Wert eingestellt ist, wenn der Brückenschaltkreis abgeglichen ist, und die Verstärkung so eingestellt ist, daß die Ausgangsspannung einen vorbestimmten Wert in diesem abgeglichenen Zustand annimmt.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachstehend wird die Erfindung anhand ihrer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Die Figuren zeigen im einzelnen
Fig. 1 ein Schaltkreisdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen thermosensitiven Flußmessers;
Fig. 2 die Konfiguration eines herkömmlichen thermosensitiven Flußmessers;
Fig. 3 die Struktur der Halterung eines thermosensitiven Widerstandes;
Fig. 4 die Konfiguration eines herkömmlichen thermosensitiven Widerstandes;
Fig. 5(a) und 5(b) Temperaturverteilungen, wenn der herkömmliche thermosensitive Widerstand mit und ohne Trimmung jeweils geheizt wird;
Fig. 6 die Konfiguration thermosensitiven Widerstandes, der in Fig. 1 verwendet wird; und
Fig. 7 eine Temperaturverteilung, wenn der thermosensitive Widerstand aus Fig. 6 erwärmt wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird beschrieben mit Bezug auf die Zeichnung. Fig. 1 ist ein Schaltkreisdiagramm eines thermosensitiven Flußmessers, welcher eine Ausführungsform der Erfindung ist. Dieser thermosensitive Flußmesser hat einen Verstärkungsschaltkreis mit einstellbarer Verstärkung, welcher Widerstände R5, R6 und einen Operationsverstärker 104, welcher nicht in dem in Fig. 2 gezeigten Schaltkreis enthalten ist, beeinhaltet. Fig. 6 zeigt den Aufbau eines thermosensitiven Widerstands 3, bei dem ein Heizbereich 31 keinen Trimmbereich N beeinhaltet.
Obwohl der Flußratenmeßbereich des so aufgebauten thermosensitiven Flußmessers der gleiche ist, wie der beim herkömmlichen Beispiel, ist jedoch die Art und Weise, wie eine Flußratensignalspannung von V0 eingestellt wird, verschieden. Das heißt, wenn die Spannung an dem Knoten b der am Knoten f gleicht, wird ein variabler Widerstand R2 so eingestellt, daß der Heizleistungswert R3 *IH 2 einen vorbestimmten Wert einnimmt, wobei angenommen wird, daß der Widerstandswert des thermosensitiven Widerstandes R3 ist. Wie aus der unten erwähnten Gleichung (1) klar wird, wird der Heizleistungswert R3 *IH 2 substituiert durch die Spannung Va am Knoten a, die Spannung Vb am Knoten b und den Widerstand R1. Deshalb kann, da der Widerstandswert R1 bekannt ist, der Heizleistungswert des thermosensitiven Widerstandes 3 auf den vorbestimmten Wert eingestellt werden durch Messen der Spannung Va, Vb und Einstellen des Widerstandes R2. Daraus resultierend kann der Heizleistungswert des thermosensitiven Widerstandes 3 konstant gemacht werden.
R₃ · IH² = (Va-Vb) · IH = (Va-Vb) · Vb/R₁ (1)
Obwohl die obige Einstellung den Heizleistungswert des thermosensitiven Widerstandes 3 konstant aufrecht erhält, kann die Spannung Vb am Knoten b einen nicht vorbestimmten Wert einnehmen. Um dieses Problem zu lösen, ist es erforderlich, daß die Spannung Vb angelegt wird an den Verstärkungschaltkreis mit einstellbarer Verstärkung, welcher den Operationsverstärker 104 und die Widerstände R5, R6 enthält, so daß die Spannung Vb korrigiert wird auf eine vorbestimmte Flußratensignalspannung V0 durch eine Einstellung der Verstärkung. Eine solche Verstärkungseinstellung wird bewirkt durch Einstellen des variablen Widerstandes R5 in Übereinstimmung mit der Größe der Spannung Vb. Solch eine Einstellung läßt den Heizleistungswert des Heizabschnitts 31 des thermosensitiven Widerstandes 3 konstant, sogar mit dem gleichen Fehler im Widerstandwert des thermosensitiven Widerstandes 3 aufgrund der Tatsache, daß der Widerstand nicht getrimmt ist. Die Abwesenheit des Trimmbereichs N trägt dazu bei, den Heizbereich des Heizabschnitts 31 gleichförmig zu machen, und eine gleichförmige Verteilung der Oberflächentemperatur des thermosensitiven Widerstandes 3 wird ebenfalls erhalten, wie gezeigt in Fig. 7, wobei keine Änderung des Wärmetransfers zum Fluid hin beobachtet wird. Deshalb können nicht nur die charakteristischen Flußratenfehler, sondern auch charakteristische Temperaturfehler reduziert werden.
Wie oben beschrieben, macht die Erfindung den Heizbereich des thermosensitiven Widerstandes unverändert, so daß der Brückenschaltkreis einschließlich des thermosensitiven Widerstandes abgeglichen werden kann, wobei der Heizleistungswert des thermosensitiven Widerstandes konstant ist. Dementsprechend können die charakteristischen Fehler der Flußrate und die charakteristischen Fehler der Temperatur des thermosensitiven Flußmessers reduziert werden, was den thermosensitiven Flußmesser extrem genau macht.

Claims (6)

  1. Thermosensitiver Flußmesser mit:
    • a) einer Brückenschaltung (R₁; R₂; 101; 3, 4), umfassend:
      • a1) eine erste Reihenschaltung (3, b, R₁) aus einem thermosensitiven Widerstand (3) und einem ersten Widerstand (R₁);
      • a2) eine zweite Reihenschaltung (a, 4, f, R₂) aus einem als Fluidtemperaturfühler dienenden dritten Widerstand (4) und einem zweiten Widerstand (R₂);
      • a3) wobei die erste und zweite Reihenschaltung (3, b, R₁; a, 4, f, R₂) zur Bildung der Brückenschaltung parallel geschaltet sind, der thermosensitive Widerstand (3) und der dritte Widerstand (4) in dem zu messenden strömenden Fluid (1, 2) angeordnet sind, der thermosensitive Widerstand (3) im abgeglichenen Zustand der Brückenschaltung durch einen Stromfluß (IH) erwärmt wird und die Strömungsrate des strömenden Fluids (1, 2) auf der Grundlage des Wärmetransfers vom thermosensitiven Widerstand (3) zum Fluid (1, 2) bestimmt wird; und
    • b) einer Verstärkungschaltung (104, R₅, R₆) zum Verstärker der Spannung (Vb) an dem Knoten (b) zwischen dem thermosensitiven Widerstand (3) und dem ersten Widerstand (R₁);
      dadurch gekennzeichnet, daß
      • c1) der zweite Widerstand (R₂) variabel und so eingestellt ist, daß der Heizleistungswert des thermosensitiven Widerstands (3) bei einer vorgegebenen Strömungsrate des Fluids einen vorgegebenen Wert im abgeglichenen Zustand der Brückenschlatung annimmt; und
      • c2) die Verstärkung der Verstärkungsschaltung (104, R₅, R₆) einstellbar und so eingestellt ist, daß die Ausgangsspannung (V₀) der Verstärkerschaltung (104, R₅, R₆) einen vorgegebenen Spannungswert (V₀) annimmt, wenn der Heizleistungswert des thermosensitiven Widerstands (3) im abgeglichenen Zustand der Brückenschaltung den vorgegebenen Heizleistungswert annimmt.
  2. 2. Thermosensitiver Flußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermosensitive Widerstand (3) keinen Trimmbereich aufweist.
  3. 3. Thermosensitiver Flußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Knoten (b) zwischen dem thermosensitiven Widerstand (3) und dem ersten Widerstand (R₁) mit einem positiven Anschluß eines Operationsverstärkers (101) verbunden ist und ein Knoten zwischen dem dritten Widerstand (4) und dem variablen zweiten Widerstand (R₂) mit einem negativen Anschluß des Operationsverstärkers (101) verbunden ist.
  4. 4. Thermosensitiver Flußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Operationsverstärkers (101) mit der Basis eines Transistors (102) verbunden ist, dessen Emitter mit dem Knoten (a) zwischen dem dritten Widerstand (4) und dem thermosensitiven Widerstand (3) verbunden ist, und dessen Kollektor mit einer Stromquelle (103) verbunden ist.
  5. 5. Thermosensitiver Flußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschaltung (104, R₅, R₆) einen Operationsverstärker (104) umfaßt.
  6. 6. Verfahren zum Einstellen des variablen zweiten Widerstands (R₂) bei einem thermosensitiven Flußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Erzielung des vorgegebenen Heizleistungswertes des thermosensitiven Widerstands (3) im abgeglichenen Zustand der Brückenschaltung bei einer vorgegebenen Strömungsrate des Fluids, bei dem die Spannung Va an dem Knoten zwischen dem dritten Widerstand (4) und dem thermosensitiven Widerstand (3) und die Spannung Vb an dem Knoten zwischen dem thermosensitiven Widerstand (3) und dem ersten Widerstand (R₁) während eines Abgleichvorgangs überwacht werden und daraus der Heizleistungswert gemäß (Va-Vb) · Vb/R₁ berechnet wird, worin R₁ den Widerstandswert des ersten Widerstands (R₁) bezeichnet.
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