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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Durchflußmesser.
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Es gibt eine große Zahl wohletablierter Techniken, die
dazu verwendet werden, die Stromungsgeschwindigkeit eines
Fluids in einem geschlossenen Rohr zu messen, und die auf den
thermischen Eigenschaften des Fluids basieren. Eine Anzahl
dieser Techniken werden untenstehend beschrieben, wobei die
beschriebenen Techniken in Ausrüstungen verwendet werden, die
im Handel erhältlich sind. Alle erhältlichen Ausrüstungen sind
so konstruiert und optimiert, daß nur eine der etablierten
Techniken eingesetzt wird.
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Die Grundgleichung für den Wärmefluß von einem
zylindrischen Wandler, der in einer Querströmung eines Fluids
liegt, kann in der allgemeinen Form
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= A (Q/Dt)1,66
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ausgedrückt werden, wobei
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Tt = Temperatur des Wandlers
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Tf = Temperatur des Fluids
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Dt = Tt - Tf
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Q = Auf die Heizvorrichtung aufgeschaltete
Leistung, um die Temperaturdifferenz Dt
aufrechtzuerhalten
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A = Eichkonstante
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= Massenströmungsgeschwindigkeit.
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In Wirklichkeit treten zusätzliche, in der obenstehenden
Gleichung nicht berücksichtigte Terme auf, die Abhängigkeiten
von anderen Fluideigenschaften, wie zum Beispiel
Wärmeleitfähigkeit, enthalten. Diese Terme können unter
bestimmten Bedingungen, wie untenstehend angedeutet, bedeutsam
sein.
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Bei einer ersten bekannten Technik zum Messen der
Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids ist ein Wandler, der ein
Heizelement und einen Temperaturfühler umfaßt, so montiert,
daß er in direktem (innerhalb eines fluidführenden Rohrs) oder
indirektem (über die Rohrwandung) Kontakt mit der
Fluidströmung steht. Auf das Heizelement wird Leistung
aufgeschaltet, und die sich ergebende Wandlertemperatur wird
vom Fühler gemessen. Die Leistungsaufnahme wird extern derart
gesteuert, daß die Temperatur des Wandlers auf einem
bestimmten Wert gehalten wird. Der sich bewegende Fluidstrom
nimmt vom Heizelement Wärme auf, während er sich am Wandler
vorbei bewegt, und daher ist die Leistung, die dem Heizelement
zugeführt wird, um eine konstante Temperatur
aufrechtzuerhalten, proportional zur Fluidströmung. Diese
Technik hat die folgenden Grenzen und/oder Nachteile:
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1. Zur Minimierung van Fehlern ist diese Technik auf Fluids
beschränkt, deren thermische Eigenschaften sich mit der
Temperatur oder der Zusammensetzung nicht merklich
ändern.
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2. Da die Fluidtemperatur Tf nicht gemessen wird, ergeben
sich Fehler, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert.
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3. Um die Auswirkungen einer Änderung der
Umgebungstemperatur zu verringern kann der Wandler auf
eine Temperatur erwärmt werden, die wesentlich höher als
die des Fluids ist. Das geht jedoch auf Kosten der
Empfindlichkeit, da der Fühler umso unempfindlicher
wird, je großer das Temperaturdifferential ist. Hier
sind bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit ferner
hohe Leistungen erforderlich, und daher sind seine
Anwendungen beschränkt.
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Für diese Technik gibt es dennoch Anwendungen, da sie
Ergebnisse bereitstellt, die unter bestimmten Bedingungen
hinreichend genau sind, und da sie preiswert umzusetzen ist,
da die Wandlerkonstruktion besonders einfach ist.
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Bei einer zweiten bekannten Technik, bei der der gleiche
Wandlertyp wie bei der ersten verwendet wird, wird zwischen
dem Fühler und dem Fluid ein konstantes Temperaturdifferential
aufrechterhalten. Dies ist möglicherweise die am häufigsten
eingesetzte Technik, erfordert jedoch einen zweiten
temperaturmessenden Fühler, um die Fluidtemperatur zu
überwachen. Zur Steuerung der Leistung, die dem Heizelement
zugeführt wird, um eine konstante Temperaturdifferenz
aufrechtzuerhalten, ist ein externer Steuerschaltkreis
vorgesehen. Die zugeführte Leistung ist somit eine Funktion
der Fluid-Strömungsgeschwindigkeit. Diese zweite Technik hat
die folgenden Grenzen und/oder Nachteile:
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1. Häufig ist ein umfangreicher elektronischer Ausgleich
erforderlich, um Fehler zu minimieren, die durch
Änderungen der thermischen Eigenschaften des
Betriebsfluids mit der Temperatur hervorgerufen werden.
Wenn eine hohe Genauigkeit erreicht werden soll, dann
erfordert dies eine gründliche Kenntnis des Fluidtyps
und der Betriebsbedingungen, bevor die Einrichtung
geeicht wird.
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2. Die Eichung kann aufwendig sein, wenn eine hohe
Genauigkeit erforderlich ist.
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3. Die Genauigkeit wird durch Änderungen der
Fluidzusammensetzung, zum Beispiel durch Änderungen der
spezifischen Wärme und/oder der Wärmeleitfähigkeit,
beeinflußt.
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4. Der beim Steuerschaltkreis zur Aufrechterhaltung der
erforderlichen Temperaturdifferenz verwendete
Algorithmus muß genau und stabil sein und kann daher
relativ komplex sein.
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5. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten können die
Leistungsniveaus, die zur Aufrechterhaltung eines
hinreichenden Temperaturdifferentials erforderlich sind,
unangemessen hoch sein. Für jede bestimmte Einstellung
maximaler Wandlerleistung variiert der dynamische
Bereich der meßbaren Strömungsgeschwindigkeit mit dem
erforderlichen Temperaturdifferential, so daß der
dynamische Bereich bei einem hohen
Temperaturdifferential eng begrenzt ist.
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Diese zweite Technik wird nichtsdestotrotz verbreitet
eingesetzt, da die Bauteile relativ einfach zu konstruieren
sind und die Einrichtung bei bekannten Fluideigenschaften und
Betriebsbedingungen sehr genau geeicht werden kann. Außerdem
ist der Energieverbrauch relativ gering, bei kleinen
Temperaturdifferentialen ist die Einrichtung sehr empfindlich
bei kleinen Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit und/oder
bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten, bei großen
Temperaturdifferentialen kann ein und dieselbe Einrichtung mit
großen Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit fertigwerden
(auf Kosten der Empfindlichkeit), und die erforderliche
Empfindlichkeit kann aufrechterhalten werden, da die
Fluidtemperatur fortgesetzt überwacht wird.
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Bei einer dritten bekannten Technik wird wiederum ein
Wandler verwendet, bei dem Heizelement und Temperaturfühler
kombiniert sind. Diese Technik basiert auf ständigem
Leistungsverlust. Sie wird normalerweise mit einem einzigen
Wandler verwendet, und ein einfacher Steuerschaltkreis
versorgt das Heizelement mit einem konstanten Leistungsniveau.
Die Temperatur des Heizelementes ist dann umgekehrt
proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Diese Technik hat
die folgenden Grenzen und/oder Nachteile:
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1. Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten ist sie
empfindlich.
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2. Bei geringen oder Null-Strömungsgeschwindigkeiten kann
sich der Wandler überhitzen bzw. ausbrennen.
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3. Bei fester Genauigkeit der Temperaturmessung nimmt die
Genauigkeit der Messung mit steigender
Strömungsgeschwindigkeit ab.
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4. Für einen großen dynamischen Bereich der
Strömungsinessung sind hohe Leistungsniveaus
erforderlich.
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Diese dritte bekannte Technik wird in einigen
Situationen, besonders bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten,
eingesetzt, da ihre Konstruktion mit einem einzigen Wandler
preiswert und die erforderliche Steuerschaltung einfach ist.
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Bei einer vierten bekannten Technik, die im wesentlichen
eine Verbesserung der zweiten oben beschriebenen Technik
darstellt, wird eine Bezugsmessung eingeführt, um dabei zu
helfen, Änderungen der Fluideigenschaften auszugleichen. Dies
macht zwei Wandler mit Heizelement/Temperaturfühler
erforderlich. Beide Wandler werden in der
Temperaturdifferential-Betriebsart betrieben, aber der zweite
Wandler wird in eine Stellung gebracht, in der er zwar dem
Fluid, aber nicht direkt der Fluidströmung ausgesetzt ist. Die
Leistung, die dazu benötigt wird, das Temperaturdifferential
des zweiten Wandlers aufrechtzuerhalten, hängt nun allein von
den Fluideigenschaften ab. Dadurch wird es ermöglicht, die
Werte des Leistungsniveaus, das den Wandlern zugeführt wird,
mathematisch zu manipulieren, um die Abhängigkeit von diesen
Fluideigenschaften zu eliminieren. Als eine Korrektur erster
Ordnung können zur Ausschaltung von Wärmeleiteffekten die
Werte der Leistungsniveaus einfach dividiert werden, wenn die
Temperaturdifferentiale von der Fluidtemperatur der beiden
Wandler gleich sind. Der Wert der Fluidtemperatur kann
entweder mittels eines dritten Temperaturfühlers erhalten
werden, der im Fluid angebracht ist, oder indem einfach eines
der Wandler-Heizelemente gelegentlich für eine eingestellte
Zeit abgestellt wird, um eine Messung der Fluidtemperatur zu
erhalten.
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Diese vierte Technik hat die folgenden Grenzen und/oder
Nachteile:
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1. Wenn nur zwei Wandler eingesetzt werden, dann kann eine
Einschwing-Zeitverzögerung eintreten, wenn sprunghafte
Änderungen der Temperatur auftreten.
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2. Die Konstruktion ist relativ aufwendig.
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3. Zwei Heizvorrichtungswandler verbrauchen mehr Energie,
was bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten besonders ins
Gewicht fällt.
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Diese vierte bekannte Technik sorgt jedoch für einen
genauen Ausgleich für Änderungen der thermischen Eigenschaften
des Fluidmediums sowie für eine relativ einfache Eichung. Es
haben sich daher einige Anwendungen ergeben.
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Die bekannten Techniken stellen somit eine Reihe von
Fähigkeiten bereit, die es ermöglichen, Lösungen für die
meisten Strömungsmessungsprobleme zu finden.
Unglücklicherweise müssen die Techniken mit bestimmten
Anwendungen abgestimmt werden, so daß es schwierig ist, eine
einzige Einrichtung zu finden, die in einer großen Bandbreite
von Situationen eingesetzt werden kann.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen
Durchflußmesser vorzusehen, der das oben skizzierte Problem
umgeht oder abschwächt.
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In der DE-A-3802422 (veröffentlicht am 03.08.89) wird ein
Durchflußmesser offenbart, bei dem ein erwärmter Meßwiderstand
und ein die Fluidtemperatur messender Widerstand in einer
Brückenschaltung verwendet werden. Wenn die
Strömungsgeschwindigkeit so hoch ist, daß die Versorgung der
Brücke für eine Aufrechterhaltung eines Gleichgewichts nicht
ausreicht, wird der Ausgaben-Verarbeitungsschaltkreis an einen
Auswertungsschaltkreis mit einer konstanten
Brückenversorgungsspannung geschaltet.
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In der DE-A-3309404 wird ein Durchflußmesser mit
temperaturabhängigen Widerständen zwischen einer Betriebsart,
die darauf basiert, eine konstante Temperaturdifferenz
zwischen der Meß- und der Fluidtemperatur aufrechtzuerhalten,
und einer Betriebsart mit konstantem Strom geschaltet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Durchflußmesser
vorgesehen, der folgendes umfaßt: einen Körper, der bei
Gebrauch mit einem Fluid, dessen Strömungsgeschwindigkeit
gemessen werden soll, in Wärmekontakt steht, eine mit dem
Körper in Wärmekontakt stehende Heizvorrichtung, einen ersten
Temperaturfühler zum Messen der Temperatur des Körpers, einen
zweiten Temperaturfühler zum Messen der Temperatur des Fluids,
eine Einrichtung zur Zufuhr von Energie an die
Heizvorrichtung, eine Einrichtung zur Steuerung der
Geschwindigkeit, mit der Energie der Heizvorrichtung zugeführt
wird, um ein vorgegebenes gewähltes Temperaturdifferential
zwischen dem Körper und dem Fluid aufrechtzuerhalten, eine
Einrichtung zum Messen der Geschwindigkeit, mit der Energie
der Heizvorrichtung zugeführt wird, und eine Einrichtung zur
Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit aus der gemessenen
Geschwindigkeit der Energiezufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß
die Energiezufuhreinrichtung so wirksam ist, daß sie die
Energiezufuhrgeschwindigkeit auf einer vorgegebenen
Höchstgeschwindigkeit hält, falls die Höchstgeschwindigkeit
zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen gewählten
Temperaturdifferentials nicht ausreichend ist, und die
Berechnungseinrichtung so wirksam ist, daß sie die
Strömungsgeschwindigkeit aus dem Temperaturdifferential
berechnet, wenn es sich bei der Energiezufuhrgeschwindigkeit
um die Höchstgeschwindigkeit der Energiezufuhr handelt.
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Bevorzugt ist die Energiezufuhreinrichtung so wirksam,
daß sie die Energiezufuhrgeschwindigkeit auf die vorgegebene
Höchstgeschwindigkeit anhebt, wenn das Temperaturdifferential
zwischen dem Körper und dem Fluid geringer ist als ein
vorgegebenes Temperatur-Mindestdifferential.
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Die Energiezufuhreinrichtung kann so wirksam sein, daß
sie die Energiezufuhrgeschwindigkeit auf eine vorgegebene
Mindestgeschwindigkeit senkt, wenn das Temperaturdifferential
zwischen dem Körper und dem Fluid größer ist als ein
vorgegebenes Temperatur-Höchstdifferential.
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Die Energiezufuhr-Steuerungseinrichtung umfaßt eine
Einrichtung zum periodischen Vergleichen des
Temperaturdifferentials mit dem vorgegebenen gewählten
Temperaturdifferential und zum Anheben bzw. Senken der
Energiezufuhrgeschwindigkeit in Schritten von vorgegebener
Größe in dem Fall, daß das Temperaturdifferential geringer
oder größer ist als das jeweilige vorgegebene gewählte
Temperaturdifferential.
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Der erfindungsgemäße Durchflußmesser stellt somit ein
System bereit, das sich selbst so anpaßt, daß über einen
großen dynamischen Bereich eine gute Genauigkeit und
Empfindlichkeit bei allen Strömungsgeschwindigkeiten
aufrechterhalten werden. Das wird dadurch erreicht, daß in
Abhängigkeit von der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des
Fluids effektiv automatisch zwischen zwei Betriebsarten
geschaltet wird. Bei kleinen Schwankungen der
Strömungsgeschwindigkeiten wird die sehr genaue Methode mit
konstantem Temperaturdifferential eingesetzt, wobei bei hohen
Strömungsgeschwindigkeiten eine hohe Einstellung der
Wandlerleistung verwendet wird. Bei plötzlichen großen
Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit wird die Methode mit
konstanter Leistung eingesetzt. Dadurch, daß die
Wandlerleistung um einen großen Schritt erhöht oder vermindert
wird, verläßt die Meßvorrichtung vorübergehend die Betriebsart
mit hoher Genauigkeit und nimmt einen größeren Meßbereich an.
Nachdem ein aktueller Wert der Strömungsgeschwindigkeit
erhalten wurde, kehrt die Meßvorrichtung in die Betriebsart
mit konstantem Temperaturdifferential zurück, wenn die
Bedingungen es zulassen, und erhöht bzw. vermindert die
Wandlerleistung langsam, bis das Temperaturdifferential des
Wandlers wieder konstant ist und ein genauerer Wert der
Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden kann.
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Bevorzugt ist die bzw. jede Heizvorrichtung mit einem
Schaltkreis zur elektronischen Ansteuerung versehen, zum
Beispiel mit einer Energiequelle mit programmierbarer
Pulsbreiten-Modulation, die mit fester oder variabler Frequenz
eine Reihe von Erregerimpulsen bereitstellt. Jeder
temperaturmessende Fühler ist mit einem Verstärker versehen.
Es ist ein Steuerschaltkreis vorgesehen, der dazu in der Lage
ist, die Energiezufuhr an die bzw. an jede Heizvorrichtung zu
steuern und die verschiedenen Ausgaben der Temperaturfühler
zu überwachen. Idealerweise wird ein Mikroprozessor mit einem
Multiplex-Analog-Digital-Umsetzer verwendet.
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Bevorzugt sind zwei Wandler vorgesehen, wobei einer der
Wandler als eine Einrichtung zur Messung der
Fluideigenschaften wirkt. Bevorzugt ist eine Einrichtung dazu
vorgesehen, ggf. sprunghafte Änderungen der Temperatur zu
erfassen, und ein Mikroprozessor ist dafür angeordnet, neue
Fluideigenschaften zu berechnen und einen geeigneten Ausgleich
aufzuschalten. Diese Herangehensweise ermöglicht es, daß ein
Mikroprozessor seine eigenen empirischen Ausgleichskennlinien
erzeugt, die während des Betriebs periodisch aktualisiert
werden.
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Es wird nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines üblichen
Durchflußmesser-Wandlers;
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Fig. 2 eine schematische elektrische Darstellung des in
Fig. 1 gezeigten Bauteils;
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Fig. 3 ein schematisches elektrisches Diagramm einer
Wandleranordnung, die zwei Temperaturfühler umfaßt;
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Fig. 4 eine Darstellung einer Doppelwandler-Anordnung
eines üblichen Durchflußmessers;
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Fig. 5 eine Darstellung der Bauteile eines
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 6 ein Flußdiagramm eines Steueralgorithmus, der auf
Fühler des Ausführungsbeispiels in Fig. 5 angewandt wird;
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Fig. 7 ein Flußdiagramm eines Steueralgorithmus, der auf
eine Energiequellensteuerung des Ausführungsbeispiels in Fig.
5 angewandt wird;
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Fig. 8 eine Darstellung einer Schaltung einer Ansteuerung
der Heizvorrichtung des Ausführungsbeispiels in Fig. 5; und
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Fig. 9 eine Darstellung einer Schaltung eines
Fluidtemperaturfühlers des Ausführungsbeispiels in Fig. 5.
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Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in welcher der
Aufbau eines üblichen Wandlers unter Verwendung eines
Durchflußmessers [sic] dargestellt ist. Ein Rohr 1 enthält ein
Betriebsfluid 2, das in die Richtung des Pfeils 3 strömt. Im
dargestellten Beispiel weist ein Durchflußmesser-Wandler einen
Körper auf, der die Rohrwandung durchdringt und ein Stück weit
in das Betriebsfluid vorsteht, was jedoch nicht unbedingt
nötig ist, vorausgesetzt der Wandler steht in gutem
Wärmekontakt mit dem Betriebsfluid.
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Der Wandler umfaßt eine isolierende Umhüllung 4,
innerhalb derer ein isolierender Körper 5 ein ohmsches
Heizelement 6 und einen ohmschen Temperaturfühler 7 stützt.
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Fig. 2 stellt schematisch den Grundbetrieb des in Fig.
1 dargestellten Wandlers dar. Dem Heizelement wird Energie
zugeführt, und seine Temperatur steigt derart an, daß eine
Energieübertragung vom Heizelement zum Temperaturfühler 7
stattfindet. Diese Energieübertragung ist durch Pfeile 8
angedeutet. Es tritt jedoch noch eine weitere
Energieübertragung zum Betriebsfluid innerhalb des Rohrs auf,
und diese Energieübertragung ist durch den Pfeil 9 angedeutet.
Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto größer ist
die Energieübertragung 9 und desto kleiner ist die
Energieübertragung 8. Die vom Fühler 7 erfaßte Temperatur ist
von der Größe der Energieübertragung 8 abhängig und ist somit
von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig.
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Bei einem System, bei dem der unter Bezug auf die Fig.
1 und 2 beschriebene Wandler verwendet wird, wird die vom
Fühler 7 erfaßte Temperatur durch eine Steuerung der
Leistungsaufnahme der Heizvorrichtung 6 konstant gehalten. Die
der Heizvorrichtung zugeführte Leistung ist somit von der
Fluidströmung abhängig und wird dazu verwendet, eine geeignete
Messung der Fluidströmungsausgabe vorzusehen.
Unglücklicherweise beeinflussen Änderungen der thermischen
Eigenschaften des Betriebsfluids bzw. seiner Temperatur die
Beziehung zwischen der zugeführten Leistung und der
Strömungsgeschwindigkeit, und daher kann dieser einfache
Ansatz nicht verwendet werden, wenn genaue Messungen der
Strömungsgeschwindigkeit unter Bedingungen erforderlich sind,
bei denen Änderungen der Eigenschaften und der Temperaturen
des Betriebsfluids zu erwarten sind.
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Es ist bekannt, das Problem eines Ausgleichs für
Änderungen der Betriebsfluidtemperatur dadurch zu lösen, daß
ein weiterer Temperaturfühler eingebaut wird, der statt der
Wandlertemperatur die Fluidtemperatur erfaßt. Fig. 3 stellt
ein solches System dar, wobei der Wandler, der eine
Heizvorrichtung 6 und einen Temperaturfühler 7 umfaßt, in
Verbindung mit einem weiteren Temperaturfühler 10 verwendet
wird. Der Fühler 10 überwacht die Temperatur des
Betriebsfluids, das in die Richtung der Pfeile 11 strömt, und
diese Temperaturmessung wird dazu verwendet, die Temperatur
einzustellen, bei welcher der Fühler 7 durch die von der
Heizvorrichtung 6 zugeführte Energie gehalten wird, und zwar
so, daß zwischen den von den Fühlern 10 und 7 erfaßten
Temperaturen ein konstantes Temperaturdifferential besteht.
Dies ermöglicht es, daß Schwankungen der Temperatur des
Betriebsfluids ausgeglichen werden, hilft jedoch nicht dabei,
Fehler aufgrund von Änderungen der thermischen Eigenschaften
des Betriebsfluids zu vermeiden. Ein Ausgleich für Änderungen
der Eigenschaften des Betriebsfluids kann erreicht werden,
wenn als Verbesserung der oben beschriebenen
Temperaturdifferential-Technik eine Bezugsmessung durchgeführt
wird, welche die thermischen Eigenschaften des Betriebsfluids
wiedergibt. Eine Anordnung zur Durchführung einer solchen
Bezugsmessung ist in Fig. 4 dargestellt. In den Fig. 1 und 4
werden für identische Bauteile die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Bei der Anordnung von Fig. 4 ist jedoch ein
Hilfswandler vorgesehen, der eine Heizvorrichtung 12 und einen
Temperaturfühler 13 umfaßt. Der Hilfs- bzw. Bezugswandler
befindet sich in einem Hohlraum 14, der mit dem Betriebsfluid
gefüllt ist, durch den das Betriebsfluid jedoch nicht direkt
strömt. Das Fluid innerhalb des Hohlraums 14 ist somit
entweder stillstehend, oder es bewegt sich sehr langsam, und
daher ist der Wandler, der die Heizvorrichtung 12 und den
Fühler 13 umfaßt, von den Strömungsbedingungen unbeeinflußt,
denen der Wandler, der die Heizvorrichtung 6 und den Fühler
7 umfaßt, ausgesetzt ist.
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Beide Wandler werden so betrieben, daß ein konstantes
Temperaturdifferential zwischen der von den Fühlern 7 und 13
erfaßten Temperatur und der Temperatur des Betriebsfluids
innerhalb des Rohrs 1 aufrechterhalten wird. Die Temperatur
des Betriebsfluids kann mittels eines weiteren (nicht
gezeigten) Temperaturfühlers überwacht werden, oder dadurch,
daß gelegentlich eine der Heizvorrichtungen der Wandler für
einen vorgegebenen Zeitraum abgestellt wird, so daß der
zugeordnete Temperaturfühler die Fluidtemperatur annimmt. Die
den beiden Wandlern zugeführten Leistungsniveaus können
mathematisch manipuliert werden, um die Abhängigkeit der
gemessenen Ausgabe von der Wärmeleitfähigkeit zu eliminieren.
Als eine Korrektur erster Ordnung können die Werte der
Leistungsniveaus, wenn das Temperaturdifferential von der
Fluidtemperatur der beiden Wandler gleich ist, einfach
ineinanderdividiert werden.
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Die mit Bezug auf Fig. 4 beschriebenen Techniken lassen
einen genauen Ausgleich für Änderungen der thermischen
Eigenschaften und Fluid- und Betriebsfluidtemperaturen zu,
können aber nicht unter allen Bedingungen eingesetzt werden.
Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann es zum Beispiel
unmöglich sein, in dem der Strömung ausgesetzten Wandler das
nötige Temperaturdifferential aufrechtzuerhalten. Es muß daher
große Sorgfalt aufgewandt werden, um sicherzustellen, daß die
Ausrüstung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit sorgfältig
auf die besondere Anwendung abgestimmt ist, bei der sie
eingesetzt werden soll.
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Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen, in der schematisch
eine Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt
ist, die in Verbindung mit einer Wandleranordnung des in Fig.
4 dargestellten Typs verwendet wird. Die Heizvorrichtungen 6
und 12 werden durch Impulsgeneratoren 15 bzw. 16 mit
programmierbarer Pulsbreite erregt, und die Temperaturfühler
7 und 13 liefern Ausgaben an den Temperatur-Meßverstärker 17
bzw. 18. Ein Multiplexer 19 und ein Analog-Digital-Umsetzer
20 liefern Eingaben an einen Mikroprozessor 21, und ein
Mikroprozessor liefert Steuerausgaben über den Multiplexer 19
an die Impulsgeneratoren 15 und 16.
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Der Mikroprozessor ist so programmiert, daß er zwischen
einer Reihe von Betriebsarten schaltet, und zwar wie folgt:
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1. Konstante Leistungsaufnahme - bei dieser Betriebsart
wird die der Heizvorrichtung 6 zugeführte Leistung auf
einem konstanten Niveau gehalten. Die vom Fühler 7
erfaßte Temperatur ist dann umgekehrt proportional zur
Strömungsgeschwindigkeit.
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Diese Betriebsart wird eingesetzt, wenn große Änderungen
der Strömungsgeschwindigkeiten oder extrem hohe bzw. niedrige
Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Das System schaltet in
diese Betriebsart, wenn eine extreme bzw. plötzliche Änderung
der Strömungsgeschwindigkeit seinen Betrieb jenseits der
vorgegebenen Grenzen der Leistungseinstellungen bei der
Betriebsart mit konstantem Temperaturdifferential führt und
beim anfänglichen Einschalten, wenn die Meßvorrichtung über
keine Erfahrung verfügt, auf die sie ihre Einstellungen
gründen könnte.
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2. Konstantes Temperaturdifferential - bei dieser
Betriebsart wird der Bezugswandler dazu verwendet, die
Temperatur des Betriebsfluids zu überwachen, d.h. die
Heizvorrichtung 12 wird entregt. Dadurch wird dem System
ermöglicht, die Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit
schnell zu erfassen. Es wird davon ausgegangen, daß das
System bei den meisten Anwendungen die meiste Zeit über
in dieser Betriebsart arbeitet.
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3. Konstantes Temperaturdifferential - wie bei Betriebsart
2 oben, jedoch arbeitet der Bezugswandler als eine
Einrichtung zum Messen der Fluideigenschaften, wie mit
Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Im Fall ggf. auftretender
sprunghafter Änderungen der Temperatur des
Betriebsfluids und in jedem Fall in voreingestellten
Zeitintervallen kann der Mikroprozessor die thermischen
Eigenschaften des Betriebsfluids berechnen und die sich
ergebenden Messungen zu Ausgleichszwecken verwenden.
Dann speichert der Mikroprozessor die abgeleiteten
Informationen, um seine eigene empirische
Ausgleichskurve zu erzeugen, die während des Betriebs
periodisch aktualisiert wird. Wenn der Fühler in den
Betriebsarten 1 oder 2 arbeitet, kann diese
Ausgleichskurve dazu verwendet werden, Eichfehler zu
minimieren.
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Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß
die Ausrüstung ihre Betriebsarten und Parameter in Abstimmung
mit den vorherrschenden Betriebsbedingungen variiert.
Verschiedene Verfahren sind möglich, um diese
Ansprechfähigkeit zu erreichen, aber untenstehend ist ein
Beispiel dargestellt.
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Wie in Fig. 6 dargestellt, wird die maximale Leistung W
der Heizvorrichtung (unter der Annahme ständigen Anschlusses
an eine Spannungsquelle) aus dem Strom It und der Spannung Vt
der Heizvorrichtung berechnet, wenn Energie zugeführt wird.
Der Widerstand Rt der Heizvorrichtung wird aus It und Vt
berechnet, und die Temperatur Tt der Helzvorrichtung wird aus
einer Tabelle zuvor bestimmter Widerstands-/Temperaturwerte
abgeleitet. Die Fluidtemperatur Tf wird gemessen. Wenn Tt um
mehr als 30 Grad Celsius größer ist als die Fluidtemperatur
Tf, dann wird angenommen, daß der Heizvorrichtung keine
weitere Energie mehr zugeführt werden sollte. Wenn Tt um
weniger als 30 Grad Celsius über Tf liegt, wird eine
Pulsbreite Tw gemäß
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Tw = Q Tp/W
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berechnet, wobei Tp die Periodendauer jedes Impulses und Tw
die Pulsbreite ist, die zur Bereitstellung der Zielleistung
Q erforderlich ist. Jeder Impuls der Breite Tw veranlaßt, daß
der Heizvorrichtung über einen entsprechenden Zeitraum Energie
zugeführt wird.
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Zu jedem Zeitpunkt des Betriebs der Meßvorrichtungen
ermöglichen die Werte Q, Tt und Tf die Berechnung der
Massenströmungsgeschwindigkeit des Fluids unter Verwendung
einer Gleichung wie der oben angegebenen zusammen mit einer
Kenntnis des Betriebsfluids. Statt jedoch mit festen Werten
der Leistung Q der Heizvorrichtung bzw. des
Temperaturdifferentials Dt (Dt = Tt - Tf) des Wandlers zu
arbeiten, "stimmt sich die Meßvorrichtung selbst, ausgehend
von ihrer eigenen Erfahrung der Betriebsbedingungen, ab, um
optimierte Werte für Dt und Q aufrechtzuerhalten.
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Die Figuren 6 und 7 stellen ein einfaches
Ausführungsbeispiel dafür dar, wie Steueralgorithmen bei einer
auf einem Mikroprozessor basierenden Ausführung umgesetzt
werden können. Der Steueralgorithmus besteht aus zwei Teilen,
wobei Fig. 6 die Wechselwirkung mit dem Fühler und Fig. 7 die
Wechselwirkung mit der Heizvorrichtung des Wandlers darstellt.
Sie stehen über einen gemeinsamen Bus miteinander in
Verbindung.
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In Fig. 6 ist der Fühleralgorithmus einfach ein
Regelkreis für konstante Leistung. Der Wert Q der
Energieversorgung, der vom Algorithmus des Hauptinstruments
empfangen wird, bestimmt die Zielleistungseinstellung des
Regelkreises der Heizvorrichtung des Wandlers. Die Ist-Werte
des gemessenen Q, der Wandlertemperatur Tt und der
Fluidtemperatur werden zurück zum Steueralgorithmus des
Instruments übertragen.
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Die Abstimmung wird dadurch erzielt, daß die
Meßvorrichtung automatisch die Wandlerleistung mit dem Ziel
anpaßt, bei jeder bestimmten Strömungsgeschwindigkeit maximale
Genauigkeit zu erhalten. Das geschieht dadurch, daß die
Leistungseinstellung langsam verringert bzw. erhöht wird, um
ein definiertes Temperaturdifferential zu erhalten, das ein
"Wahrnehmungsfenster" bereitstellt, welches langsamen
Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit nachsteuert, so daß
auf beiden Seiten der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit
ein Fenster (und damit eine Genauigkeit) gleicher Größe
aufrechterhalten wird. Plötzlichen sprunghaften Änderungen
kann nur nachgesteuert werden, indem die Wandlerleistung in
großen Schritten erhöht bzw. verringert wird. Wenn daher die
Meßvorrichtung große plötzliche Änderungen der
Strömungsgeschwindigkeit erfährt, die ihren Betrieb jenseits
der Grenzen des abgestimmten Zustands führen, und/oder wenn
die Leistung anfänglich eingeschaltet wird, dann schaltet die
Meßvorrichtung zu einer Standardeinstellung mit konstanter
Leistung. Der Anfangswert Q wird so gewählt, daß er einen
großen dynamischen Bereich der Meßvorrichtung ermöglicht,
wodurch ein anfängliches "Einfangen" der
Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht wird, wenn auch mit einer
relativ niedrigen Ansprechgeschwindigkeit auf kleine
Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit.
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In Fig. 7 wird die Abstimmung der Meßvorrichtung
dargestellt. Die Eingaben Tt und Tf ermöglichen eine
Berechnung von Dt, und aus Dt und Q kann die Massenströmung
gemäß
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= A (Q/Dt)1,66
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berechnet werden.
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Diese Gleichung wird dazu verwendet, unabhängig von der
Betriebsart der Meßvorrichtung die Massenströmung zu
berechnen. Der Benutzer/die Benutzerin gibt Dtmax, Dtmin und
Dtset ein. Dtmax und Dtmin sind die maximal bzw. minimal zu
akzeptierenden Temperaturdifferentiale. Dtset ist dasjenige
Temperaturdifferential, das von dem Benutzer/der Benutzerin
als für die erwarteten Strömungsbedingungen am besten geeignet
angesehen wird.
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Bei Inbetriebnahme ist Dt = 0, und die Heizvorrichtung
wird sofort auf maximale Leistung Qmax geschaltet, da Dt
kleiner als Dtmin ist. Von Dt wird dann periodisch ein
Probewert ermittelt, und der Mittelwert der N letzten
Probewerte wird als das mittlere Temperaturdifferential Dtav
behalten. Dt steigt schnell an, da Energie mit der maximalen
Geschwindigkeit zugeführt wird. Sobald Dtav größer ist als
Dtset, wird die Leistung um einen kleinen Schritt, der als "Q-
1" wiedergegeben ist, verringert. Das System überprüft Dtav
zyklisch gegen Dtset, und die Energieversorgung wird in einer
Reihe kleiner Schritte geschaltet, bis sie sich, mit Dt nahe
bei Dtset, stabilisiert. Unter der Annahme keiner größerer
Schwankungen der Strömungsbedingungen wird Q so eingestellt,
daß dieser Zustand aufrechterhalten wird.
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Im Fall einer plötzlichen Änderung der
Strömungsbedingungen, z.B. eines schnellen Anstiegs von Dt
aufgrund einer jähen Verringerung der Strömung, ist Dtav
größer als Dtset, und daher wird Q heruntergestuft, allerdings
mit einer relativ langsamen Geschwindigkeit. Wenn nichts
weiter unternommen würde, könnte es eine erhebliche Zeit
dauern, bis sich Dt bei Dtset stabilisiert, und in
Extremfällen könnte es passieren, daß dieser Zustand nie
erreicht wird. Um dies zu überwinden, wird die Leistung sofort
auf Qmin zuruckgeschaltet, wenn Dt Dtmax übersteigt.
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Wann immer möglich arbeitet die Meßvorrichtung somit in
der Betriebsart mit konstantem Temperaturdifferential und wird
schnell in dieser Betriebsart stabilisiert, indem
vorübergehend in die Betriebsart mit konstanter Leistung
geschaltet wird. Wenn die Bedingungen so sind, daß eine
Betriebsart mit konstantem Temperaturdifferential nicht
erreicht werden kann, nimmt die Meßvorrichtung automatisch die
Betriebsart mit konstanter Leistung an. Dies ist eine
effiziente Art und Weise, bei einer Vielzahl von Bedingungen
gute Empfindlichkeit und Wirtschaftlichkeit zu erreichen.
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Der Benutzer/die Benutzerin muß Dtmax, Dtmin und Dtset
vorgeben. Dtmax und Dtmin sind im allgemeinen nicht
entscheidend und können relativ einfach vorgegeben werden, zum
Beispiel durch den Lieferer der Ausrüstung. Dtset ist im
allgemeinen entscheidender, da es idealerweise auf die
erwarteten Strömungsbedingungen abgestimmt ist, die von
Anwendung zu Anwendung und bei einer einzigen Anwendung von
Zeit zu Zeit variieren. Um diese Abstimmung zu erreichen,
könnte Dtset anhand von Betriebserfahrungen festgelegt werden.
Ist Dtset zum Beispiel zu hoch, dann könnte es passieren, daß
das System regelmäßig in die Betriebsart mit konstanter
Leistung Qmin schaltet und nur selten in die Betriebsart mit
konstanter Leistung Qmax. Dtset könnte daher, abhängig vom
Anteil der Betriebszeit, in dem sich die
Energiezufuhrgeschwindigkeit auf dem Niveau Qmin befindet,
verringert werden und umgekehrt. Als eine weitere Möglichkeit
könnte die Größe der sprunghaften Änderungen von Q beim
Betrieb in der Betriebsart mit konstantem
Temperaturdifferential erhöht werden, wenn das System sehr
häufig in die Betriebsart mit konstanter Leistung schaltet.
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Dadurch, daß die verschiedenen oben skizzierten
Fähigkeiten vorgesehen sind, kann ein einziger
Ausrüstungsgegenstand unter Bedingungen verwendet werden, bei
denen u.U. sehr verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten
angetroffen werden. Außerdem können die besten Merkmale der
verschiedenen alternativen Betriebsarten nach dem Stand der
Technik ausgewählt werden, um eine optimale Genauigkeit zu
erreichen.
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In Fig. 8 ist eine Ansteuerung der Heizvorrichtung
dargestellt, die zur Verwendung im Ausführungsbeispiel von
Fig. 5 geeignet ist. Dasselbe Element 22 vom Typ PT100 wird
sowohl als die Heizvorrichtung des Wandlers als auch als das
Temperaturfühlelement verwendet. Der Einfachheit halber werden
im Text die Heizvorrichtung und der Temperaturfühler als zwei
Einrichtungen behandelt.
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Die Leistung wird durch ein Pulsbreiten-Modulationssignal
vom Mikroprozessor gesteuert, welcher den Arbeitszyklus über
einen festen Zeitraum von 2,2 ms variiert. Dieses Pulsbreiten-
Modulationssignal wird dazu verwendet, eine genaue
Bezugsspannung über einen Transistor 24 und einen Transistor
25 an den positiven Eingang eines Verstärkers 23 freizugeben,
der dieses Schalter-Bezugssignal verstärkt, so daß sich
entweder 0V oder 10V über dem Widerstandstemperaturfühler und
dem Fühlwiderstand der Heizvorrichtung ergibt. Die Spannung
über dem Fühlwiderstand 26 wird vom Verstärker 27 verstärkt
und wird durch eine Abtast-Halteschaltung gegeben, die durch
den Schaltkreis 28 und den Kondensator 29 gebildet wird und
den Strom nur dann abtastet, wenn die Ansteuerung der
Heizvorrichtung eingeschaltet ist. Die Abtaststeuerung kommt
vom Pulsbreiten-Modulationssignal (Pulsbreitenmodulation 1),
und zwar leicht verzögert durch den Widerstand 30 und den
Kondensator 31, um den Verstärkern eine Einschwingzeit zu
lassen. Das abgetastete Signal wird dann vom Verstärker 32
zwischengespeichert und dann, wenn erforderlich, über den
Schaltkreis 33 an den Analog-Digital-Eingang freigegeben.
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Dadurch, daß der Arbeitszyklus bekannt ist und die Größe des
"EIN"-Stroms gemessen wird, kann der Mikroprozessor die
mittlere Spannung und den mittleren Strom über jeden 2,2-ms-
Zeitraum berechnen. Aus diesen Werten kann der Mikroprozessor
dann die mittlere Wandlerleistung und den mittleren
Wandlerwiderstand berechnen. Aufgrund einer Kenntnis der
wohldefinierten PT100-Temperatur-/Widerstands-Kennlinie kann
dann die Temperatur der Heizvorrichtung abgeleitet werden.
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Was die in Fig. 8 gezeigten Schaltkreisbauteile angeht,
kann es sich bei den Bauteilen 23, 27 und 32 um genormte
ICL7650-Schaltungen handeln. Bei den Bauteilen 28 und 33 kann
es sich um genormte MAX334-Bauteile handeln.
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Es wird nun auf Fig. 9 Bezug genommen, in der die
Schaltung zum Erfassen der Fluidtemperatur dargestellt ist.
Der Widerstand des Widerstandstemperaturfühlers der
Fluidtemperatur wird gemessen, indem ein konstanter Strom
durch den Widerstandstemperaturfühler geschickt wird und dann
die Spannung gemessen wird, die sich darüber entwickelt hat.
Diese Spannung wird dann vom Verstärker 34 so verstärkt, daß
die maximale erwartete Betriebstemperatur den Meßgrenzen der
Analog-Digital-Schaltung entspricht. Für die Ansteuerung mit
konstantem Strom und die Analog-Digital-Schaltung wird die
gleiche Bezugsgröße verwendet, so daß die Eingabe eine
Verhältnisgrößeneingabe ist, die von ggf. auftretenden
Änderungen der Bezugsspannung nicht beeinflußt wird.
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Ein Bruchteil der Bezugsspannung (VREF) wird vom
Stromkreis 35 zwischengespeichert und wird dann als eines der
Multiplexsignale an den Analog-Digital-Umsetzer verwendet.
Dieses wird auf die gleiche Weise eingelesen wie alle anderen
Eingaben, wird jedoch nur zu Eichzwecken verwendet.
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Der Mikroprozessor steuert, welche Eingabe über einen von
vier Halbleiterschaltern 36 zur Analog-Digital-Schaltung
geleitet wird. Jede Eingabe wird in zyklischer Ordnung
ausgewählt. Die letzte Eingabespannung wird am Kondensator 37
gespeichert, wenn alle Schalter auf aus stehen. Diese
"gehaltene" Spannung wird von einem Verstärker 38 mit hoher
Eingangsimpedanz zwischengespeichert, während der Eingangswert
gemessen wird. Dadurch wird ein inkorrekter Wert aufgrund
einer Änderung des Wertes während des Meßzeitraums der Analog-
Digital-Schaltung verhindert. Es können wiederum genormte
Bauteile verwendet werden, zum Beispiel ICL7650-Verstärker,
MAX430-Verstärker und MAX334-Schalter.
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Die in den Fig. 8 und 9 beschriebenen Schaltkreise sind
mit einem Mikroprozessor mit 256 Kilobyte Programmspeicher,
8 Kilobyte Direktzugriffsspeicher, einem programmierbaren
Zähler, einem nichtflüchtigen Speicher und einer speziell
konstruierten Gatteranordnung verbunden. Der programmierbare
Zähler wird dazu verwendet, zwei Pulsbreiten-
Modulationssignale zu erzeugen, die mit einer Genauigkeit von
12 Bit (0,025%) gesteuert werden können. Er kann ferner die
Periodendauer des Pulsbreiten-Modulationssignals ändern, falls
dies erforderlich ist, indem einfach die Einstellungen eines
internen Taktgebers geändert werden. Diese Pulsbreiten-
Modulationssignale werden dazu verwendet, den erwärmten
Widerstandstemperaturfühler anzusteuern.
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Der nichtflüchtige Speicher wird dazu verwendet, mehrere
Konstanten zu speichern, welche die Eichung des Fühlers
betreffen, da die Eichprozedur automatisiert ist, ohne daß
Potentiometer einzustellen sind. Die Daten werden reihenartig
gespeichert, und alle Daten werden mit einer Quersumme für den
Parameter sowie auch einer Gesamtquersumme gespeichert.
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Die Gatteranordnung enthält eine Schaltung für einen
Überwachungsschaltkreis, der regelmäßig abgefragt werden muß,
sonst stellt er den Mikroprozessor neu ein, und einen
Schaltkreis zum Erfassen eines Anstiegs bzw. Abfalls der
Leistung, der vor bevorstehendem Leistungsverlust warnt bzw.
verhindert, daß die Digitalschaltung mit einer zu geringen
Energiezufuhr arbeitet. Er enthält ferner die Hardware-
Schnittstelle für die digitale Datenübertragung zwischen dem
Fühler und zum Beispiel der Schaltzentraleninstrumentierung.