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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Messen eines Gasstroms in einer Gasprobenentnahmevorrichtung
des Typs, wie er in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben ist,
auf eine Vorrichtung zum Messen eines Gasstroms in einer Gasprobenentnahmevorrichtung
des Typs, wie er in dem Oberbegriff des Anspruchs 8 definiert ist.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung
dieses Typs sind in der US-A-4,569,235 offenbart. Die Vorrichtung
umfasst eine Vakuumpumpe, die mit einer Luftplenumkammer verbunden
ist, die dazu verwendet wird, den Pumpenhub, zugeordnet der Vakuumpumpe,
zu dämpfen,
um so einen gleichmäßigen Strom
von Luft durch eine Luftmesseinrichtung, angeordnet ausgangsseitig
der Luftplenumkammer, zu erzielen. Die Luftmesseinrichtung ist eine Öffnung, zentral
zwischen zwei konisch verlaufenden Durchgangswegen angeordnet, die
den Strömungsdurchmesser
unmittelbar vor der Öffnung
reduziert, und die den Strömungsdurchmesser
unmittelbar nach der Öffnung
vergrößert. Demzufolge
erscheint es, dass die Öffnung ähnlich einer
Venturi-Einrichtung arbeitet. Ein Druckwandler ist mit der Feststelleinrichtung unmittelbar
vor und unmittelbar nach den konischen Durchgangswegen dann jeweils
verbunden.
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Diese Erfindung bezieht sich auf
ein Steuern und Messen eines Luftflusses in einer Luftprobennahmevorrichtung.
Insbesondere verwendet sie das Konzept eines isothermen Luftflusses
in einer Durchflussmessvorrichtung und beseitigt im Wesentlichen die
Effekte eines Pulsierens in der Strömung von als Probe genommener
Luft, bewirkt durch die Hübe
einer Vakuumpumpe.
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Es ist übliche Praxis bei Luftprobenahmenpumpen,
die Luftströmung
unter einer konstanten Rate unabhängig eines sich aufbauenden
Gegendrucks durch direkte Messungen der Luftströmung unter Verwendung eines
geeigneten Fühlers
beizubehalten, wobei dessen Signal dann dazu verwendet wird, die
Geschwindigkeit der Vakuumpumpe zu steuern, so dass ein konstanter
Fluss beibehalten wird.
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In der Theorie kann das Volumen oder
die Rate von Luft, zugeführt
durch eine kleine Vakuumpumpe, wie sie üblicherweise in einer individuellen Luftprobennahmeeinrichtung
verwendet wird, durch Einsetzen der bekannten Charakteristika der
Pumpe in einen Mikroprozessor, oder dergleichen, gesteuert und/oder
gemessen werden, und die be kannten Charakteristika können mit
momentanen Eingängen,
die eine Strömung
darstellen, verglichen werden, wie beispielsweise Modifizieren der
Eingaben durch andere Variablen, wie beispielsweise Außenluftdruck oder
-temperatur. Verschiedener Stand der Technik gibt Maßnahmen
in Bezug auf das Problem eines Beibehaltens von akkuraten Luftströmungsauslesungen
zur Verwendung bei dem Berechnen der Konzentrationen von Luftkontaminierungsbestandteilen an.
In der US-A-5,107,713 wird eine Tabelle von Werten verwendet, die
sich auf die Drehzahlen des Motors der Pumpe zu Luftströmungsraten,
Speichern davon in einem Mikroprozessor, und Modellieren der Stromimpulsbreite
als eine Funktion von Abweichungen von der bekannten Drehzahl/Strömungs-Beziehung
beziehen. In der US-A-4,527,953 wird der Strom zu der Pumpe variiert,
und demzufolge deren Ausgang, auch durch Variieren der Stromimpulsbreite,
allerdings als eine Funktion der relativen Dauer von offenen und
geschlossenen Positionen eines Differenzialdruckschalters, angeordnet
parallel zu einer einstellbaren Öffnung
in dem Luftkanal. Es wird versucht, die Luftströmung mit der Hilfe eines „Akkumulators", der in das Gehäuse der
Pumpe gebohrt oder geformt und an einer Wand mit einer elastomären Platte
abgedeckt werden kann (Spalte 4, Zeilen 17–24), glatt zu halten. Der
Akkumulator ist stromauf und entfernt von dem Druckfühler angeordnet.
In der US-A-4,269,059 ist ein Akkumulator zwischen dem Filter an
den Einlaß und
der Pumpe plaziert.
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Eine Impulsbreitenmodulation wird
auch in der US-A-5,269,659 verwendet, um die Luftpumpe als eine
Funktion eines Druckdifferenzials über ein Venturi zu steuern.
Die US-A-5,163,818
verwendet einen programmierbaren Computer, um eine Strömung aus
einer Anzahl von Variablen zu berechnen, und um die Spannung zu
dem Pumpenmotor zu regulieren, um eine erwünschte Luftströmungsrate
beizubehalten. Die US-A-5,520,517 basiert auf der Pumpenmotorsteuerung
bei Änderungen
in der Last, erfaßt
durch Änderungen
in dem Druck und in der Geschwindigkeit und verglichen mit den Pumpen-Charakteristika,
gespeichert in einem Speicher.
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Systeme, die sich auf bekannte Charakteristika
von Pumpen beziehen, nehmen in einem gewissen Umfang an, dass sich
die Pumpen und die Motoren, die gesteuert werden, nicht ändern werden,
allerdings ist es bekannt, dass sich Pumpen und Motoren abnutzen
werden, dass sich eine Schmierung mit dem Alter ändern wird, dass Dichtungen
und Lagerflächen
erodieren oder in anderer Weise zerstört werden und verschiedene
an dere Probleme entstehen, um das Ansprechverhalten der Pumpe auf
einen Strom mit einer gegebenen Charakteristik zu ändern.
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Die US-A-4,532,814 offenbart: Bekannte Pumpenprobentnahmensysteme,
die eine Strömung durch
Einstellen einer Pumpenmotorgeschwindigkeit steuern, was eine Luftströmung mit
relativ hohen Impulswellen, insbesondere unter niedrigen Strömungsniveaus,
erzeugen wird. Mit einer hochpulsierenden Strömung ist es schwierig, die
Strömungsrate einzustellen.
Ein gleichmäßiger Fluß von Gas
oder Luft zu einer Probensammelvorrichtung wird durch Vorsehen einer
zusätzlichen
Strömung
von Gas oder Luft zu dem Einlass der Pumpe auf ein Signal hin, das
ein Druckdifferenzial über
eine Öffnung
in dem Luft- oder Gaskanal darstellt, beibehalten, was demzufolge
Steuerungen an dem Pumpenmotor vermeidet. Einstellungen für das Strömungsteuerventil
werden manuell vorgenommen. Die zusätzliche Strömung zu dem Einlaß der Pumpe
kann von dem Auslass der Pumpe gegriffen werden. Siehe auch US-A-4,576,054.
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Die US-A-5,562,002 offenbart eine
Vorrichtung zum Dämpfen
des Pumpenpulsierens in einem Durchflussrohr mit sich hin und her
bewegendem Kolben, umfassend ein Diaphragma und ein poröses Element,
das offene Kanäle
besitzt. Der Kolben fällt durch
die Schwerkraft auf den Boden des Durchflussrohrs; das Diaphragma
wird durch das poröse
Element getragen.
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Die US-A-5,000,052 stellt ein Fühlerelement für eine laminare
Strömung
dar, das eine Reihe von individuellen Strömungskanälen aufweist.
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Keine der vorstehenden Aufbauten
liefert eine einfache Vorrichtung zum Messen eines Luft- oder Gasprobenflusses,
die den Effekt eines Gegendrucks, verursacht durch die Hübe, neutralisiert.
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Die US-A-5,295,790 erfordert ein
spezielles, laminares Strömungselement,
wie beispielsweise ein poröses
Element, in einem geeigneten Gehäuse,
das diese lineare Beziehung zwischen der Strömungsrate und dem Druckabfall
in einer tragbaren, persönlichen
Probenahmepumpe simulieren wird, vorausgesetzt, dass die Luftströmung unter
einer niedrigen Reynoldszahl beibehalten wird. Während versucht wird, eine lineare
Beziehung zu simulieren, wird dies auf Kosten der Vorsehung des
speziellen, laminaren Strömungselements
vorgenommen. Das poröse
Element oder eine kleine Öffnung
sind für
den Aufbau von Teilchen von der Luft anfällig, die die Öffnungen, durch
die die Luft hindurchführen
muss, verstopfen können, über die
ein Druckabfall gemessen wird. Es sollte ange merkt werden, dass
eine Hauptverwendung von Luftprobenahmepumpen dieses Typs diejenige
für eine
Staubmessung ist, und sogar mit einem geeigneten in Reihe geschalteten,
Filter können
kleine Teilchen noch in den Fühler
hineinführen,
was den Aufbau von Änderungen
in der Kalibrierung über
die Zeit verursacht.
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Die US-A-5,621,180 verwendet ein
gewendeltes bzw. gewickeltes Kapillarrohr mit einer Länge von
5 cm bis 5.000 cm und mit einem Innendurchmesser bis zu 0,53 mm,
um die Strömung
von Gas für
eine vorbestimmte Zeit in ein evakuiertes Probengefäß hinein
zu kontrollieren. Von weiterem Interesse ist ein Artikel „NEW LAMINAR
FLOWMETER" in Instruments & Control Systems,
Vol. 35, Seiten 98–100,
April 1962.
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Das entwickelte Luftprobenentnahmesystem gemäß den Ansprüchen 1 oder
8 verwendet eine Röhre
mit einer großen
Bohrung in Bezug auf Staubteilchen, so dass sie durch das System
hindurchführen
werden, im Gegensatz dazu, dass sie kleine Luftdurchgangswege verstopfen
werden.
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Diese Erfindung verwendet die mathematische
Beziehung, die zwischen der Geschwindigkeit eines kompremierbaren
Mediums (Luft oder ein anderes Gas), das isotherm durch einen glatten
Kanal fließt,
und dem Druckabfall, gemessen über
die zwei Enden des Kanals, existiert. Der Strom kann als isotherm
angesehen werden, falls die Energie, umgewandelt zu Wärme durch
Reibung, gleich zu der Wärme,
aus dem Fluid abgegeben, ist, d. h. die Luft behält eine konstante Temperatur
bei. Dieser Zustand kann in einem nicht isolierten Kanal mit derselben Temperatur
innerhalb und außerhalb,
mit einer niedrigen Fluidgeschwindigkeit, auftreten, d. h. möglicherweise
bis zu etwa 3 Litern an Luft pro Minute, allerdings auch Ströme bis zu
30 Litern pro Minute, umfassen.
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Die Beziehung zwischen einer Strömungsrate
und einem Druck beruht auf dem Medium, das unter einer konstanten
Rate über
das gemessene Intervall fließt,
so dass eine stabile Druckauslesung erhalten wird. Falls die Strömungsrate
ansteigen sollte, ist eine finite Zeit für das System erforderlich,
um bei dem neuen Druck zu stabilisieren. Dies ist ein Problem in
Anwendungen einer Probeentnahmepumpe, wo die sich hin und her bewegenden
Hübe einer
Diaphragmapumpe Impulse, im Gegensatz zu einer glatten Strömung, erzeugt.
Die meisten individuellen Luftprobeentnahmeeinrichtungen verwenden
eine solche Pumpe, und diese Erfindung sieht deren Verwendung vor.
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Die Erfindung verwendet einen Pulsierungsdämpfer, der
eine kleine Kammer ist, umfassend ein Diaphragma bzw. eine Membran
in mindestens einer deren Wände.
Der Pulsierungsdämpfer
ist in dem Hauptstromkanal des Luftprobenauslasses, stromab der
Pumpe, eingesetzt. Die Membran wird das Pulsieren des Stroms in
einer vorhersagbaren Art und Weise modifizieren, was eine akkurate
Umwandlung zu einer Strömungsrate
ermöglicht.
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Ausführungsformen der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt.
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1 stellt
eine Luftströmung
im Hinblick auf ein Druckprofil an dem Eingang einer Strömungsmessvorrichtung,
insbesondere eines isothermen Messeinrichtungsrohrs, dar.
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2 stellt
den Effekt eines Pulsierungsdämpfers
in Bezug auf einen Luftstrom dar.
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3a und 3b zeigen schematische Darstellungen
der Probenentnahmevorrichtungen.
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4 zeigt
eine isotherme Strömungsrohrkurve.
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5a und 5b zeigen Blockdiagramme
von alternativen Gesamtkonfigurationen der Erfindung, die sich primär in der
Art und Weise des Mikroprozessors unterscheiden.
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1 stellt
ein einheitsloses Profil eines Drucks gegenüber einer Zeit, typischerweise
erzeugt durch eine Doppelmembranpumpe, an dem Eingang einer Strömungsmessvorrichtung,
dar, beispielhaft in diesem Fall durch eine isotherme Sensorröhre, die
irgendwo hier beschrieben ist. Periodische, negative Drücke an den
Punkten N sind feststellbar. Solche negativen Druckpunkte stellen
einen Gegenstrom dar und gestalten die genaue Berechnung einer Strömung kompliziert.
Positive Peaks P tendieren dazu, dass sie scharf ausgeprägt werden,
allerdings beibehalten werden.
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2 stellt
einen Ausdruck eines Drucks gegenüber einer Zeit ähnlich zu
demjenigen der 1 dar,
wo ein Pulsierungsdämpfer
mit dem Luftkanal an dem einströmseitigen
Ende eines isothermen Sensors gemäß der Erfindung, wie er in 3 dargestellt ist, angeordnet
ist. Es wird gesehen werden, dass keine negativen Impulse geliefert
werden und die positiven Peaks P werden schwach verglichen mit solchen
der 1. Mit einem solchen
Strömungsmuster ist
viel leichter zu arbeiten, insbesondere dahingehend, eine akkurate
Strömungsrate
zu erzielen, als mit dem Muster der 1.
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In 3 ist
die Erfindung mit einer Luftpumpe 2, die einen Lufteinlaß 1 besitzt,
dargestellt. Der Lufteinlaß 1 für die Pumpe 2 kommt
von einer oder von mehreren Probensammelvorrichtungen, die nicht dargestellt
sind, stromauf des Lufteinlasses 1, an; die Pumpe 2 zieht
ein Vakuum an der Probensammelvorrichtung oder den -vorrichtungen.
Ein Kanal 3 führt
zu einem isothermen Messrohr 8. Ein Pulsierungsdämpfer 9 ist
zwischengefügt.
Der Pulsierungsdämpfer 9, ist
eine kleine Kammer, in die Luft von einem Kanal 3 eintreten
kann. Der Pulsierungsdämpfer 9 besitzt
ein Diaphragma bzw. eine Membran 6, dargestellt in deren
normaler Position; eine punktierte Linie 5 stellt die ausgedehnte
Position der Membran 6 dar, wenn sie auf einen erhöhten Druck
in der Kammer des Pulsierungsdämpfers 9 anspricht.
In dem „Zwischenraum" zwischen Impulsen
wird die elastische Wirkung der Pulsierungsdämpfermembran 6 dazu
führen,
dass sich die Membran 6 entspannt, und dieser Vorgang wird
dazu tendieren, die Strömung
an Luft durch das isotherme Messrohr 8 beizubehalten. Auf
diese Art und Weise wird die Variation im Druck an dem Einlaß zu den
isothermen Messrohr 8, wie sie durch den Wandler 9 gesehen
wird, abgeschwächt
werden, da die Peaks (siehe P 1)
verringert werden und die Einschnitte N durch die expandierende
und kontrahierende Membran 6 „aufgefüllt" werden.
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Verbunden mit dem Pulsierungsdämpfer 9 ist ein
Druckwandler 7 zum Messen eines Drucks in dem Pulsierungsdämpfer 9,
genauer gesagt, das einströmseitige
Ende eines isothermen Messrohrs 8. Die gedämpfte Version
der Luftströmungsmesseinrichtung,
den Pulsierungsdämpfer 9,
das isotherme Messrohr 8 und den Druckwandler 7 aufweisend,
ist in dem punktierten Rechteck 4 dargestellt.
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Der Druckwandler 7 ist herkömmlich dahingehend,
dass irgendein Wandler, geeignet zum Messen eines Luftdrucks und
zum Umwandeln davon zu einem elektrischen Signal, das dafür repräsentativ ist,
verwendet werden kann. Das analoge oder digitale Signal, das einen
Druck an dem einströmseitigen Ende
eines isothermen Messrohrs 8 darstellt, kann dazu verwendet
werden, die Strömung
selbst zu berechnen, oder unter Verwendung auf irgendeines atmosphärischen
Drucks an dem Ende 10 des isothermen Messrohrs 8 (der
Atmospährendruck
kann in der Nähe
gemessen werden) oder basierend auf einer tatsächlichen Messung eines Drucks
nahe dem Ende des Rohrs 8, wie dies in 3c dargestellt ist. Eine Strömungsberechnung
wird durch einen Mikroprozessor, wie beispielsweise einen Mikroprozessor 20, dargestellt
in den 5a und 5b, vorgenommen, der in seinem
Speicher die Luftströmung/Druckkalibrierung
des isothermen Messrohrs 8 gespeichert besitzt.
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In 3b wird
ein Wandler 7 als ein differenzieller Wandler betrieben.
Das bedeutet, dass er Druckeingänge über eine
Verbindung 11 zu dem Auslassende eines iso thermen Messrohrs 8 und
auch über
eine Verbindung 12 zu einem Pulsierungsdämpfer 9,
ein elektrisches Signal als eine Funktion der Differenz erzeugend,
aufnimmt.
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Das Signal, erzeugt durch den Wandler 7, kann,
ob es nun den Druck in dem Pulsierungsdämpfer 9 alleine oder
die Differenz zwischen dem Druck in dem Pulsierungsdämpfer 9 und
dem Atmosphärendruck
darstellt, oder die Differenz zwischen dem Druck in dem Pulsierungsdämpfer 9 und
dem gemessenen Ausgangsdruck des isothermen Messrohrs 8 darstellt,
dazu verwendet werden, den Strom in einem Mikroprozessor (siehe 5a und 5b) unter Verwendung einer Kurve, wie
beispielsweise diejenige der 4,
zu berechnen.
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In 4 sind
die Charakteristika eines isothermen Messrohrs, wie beispielsweise
eines isothermen Messrohrs 8, im Hinblick auf einen Druck und eine
Strömung
dargestellt. Es wird gesehen werden, dass die Beziehung des Drucks
und der Strömung
nicht linear ist, allerdings einfach für eine Kalibrierung, Berechnungen
und eine Datenspeicherung verwendet werden kann. Das isotherme Messrohr 8 besitzt,
wie vorstehend erläutert
ist, einen Innendurchmesser groß genug,
um irgendwelche und alle schwebenden Teilchen, die irgendetwas auf
deren Weg hinter die Teilchensammelfilter oder andere Probensammeleinrichtungen
eingangsseitig der Pumpe 2 finden könnten (siehe 3a, 3b und 3c), hindurchzuführen.
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Die Massendurchflussrate in einer
isothermen Röhre
kann durch den folgenden Ausdruck beschrieben werden:
G
= Massendurchflussrate;
C = ein konstanter Term, der die physikalischen
Dimensionen des Kanals und Gaskonstanten darstellt;
P
1 = Druck, gemessen an dem Einlaß der isothermen Messröhre, und
P
2 = Druck, gemessen an dem Auslass der isothermen
Messröhre.
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Mit einer isothermen Sensorröhre ist
eine Röhre
mit einer glatten Bohrung gemeint, die einen Innendurchmesser von
etwa 1 Millimeter bis etwa 5 Millimeter und eine Länge von
mindestens etwa 10 mm besitzt. Die Länge kann geeignet bis zu etwa
150 mm betragen. Sie kann auch wesentlich länger, d. h. 500 mm oder mehr,
sein, solange wie die vor stehend beschriebene, isotherme Beziehung
gilt und die Röhre
in Bezug auf eine Kurve, wie beispielsweise diejenige der 4, kalibriert werden kann.
Vorzugsweise ist die Röhre
gerade und der Innendurchmesser oder die Bohrung ist von einer guten
Konsistenz, das bedeutet, sie wird nicht mehr als ±5% variieren.
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Wie nun 5a zeigt, hat der Prozessor 20 die
Charakteristik der Luftströmung
gegenüber
dem Druck für
die isotherme Messröhre 8 unter
verschiedenen Bedingungen einer Temperatur und unter Atmosphärendruck
programmiert. Der Benutzer gibt die erforderliche Durchflussrate
unter Verwendung des Tastenfelds 19 ein und der Mikroprozessor 20 variiert
die Spannungsansteuerung zu dem Pumpenmotor 13, bis die
erwartete Spannung zurück
von dem Druckwandler 7, über einen Analog-Digital-Wandler 14,
empfangen wird. Der Mikroprozessor 20 wird dann seinen
Ausgang auf den Pumpenmotor 13 so einstellen, um die erforderliche
Strömung
unter allen Belastungszuständen
beizubehalten.
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Die Funktionen des Mikroprozessors 20 können Variable
(elektrische Eingänge)
von einem Temperatursensor 15 und einem Atmosphärendrucksensor 16 umfassen.
Eine Anzeige 18 kann eine Durchflussrate, ein gesamtes
Durchsatzvolumen, Temperaturen und Drücke, so, wie es erwünscht ist,
anzeigen.
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In der Version der 5b besitzt der Mikroprozessor 20 die
Charakteristika einer Luftströmung gegenüber einem
Druck für
die isotherme Sensorröhre 8 unter
verschiedenen Zuständen
einer Temperatur und eines Atmosphärendrucks programmiert. Der Benutzer
gibt die erforderliche Durchflussrate unter Verwendung des Tastenfeldes 19 ein
und der Mikroprozessor gibt die Spannung aus, in Bezug auf die er von
dem Druckfühler
erwartet, dass er sie erzeugt, falls sich die Luftströmung bei
der korrigierten Rate befindet. Diese Spannung wird mit der tatsächlichen Spannung,
erzeugt durch den Wandler 7, verglichen. Das analoge Rückführungsnetzwerk,
aufweisend einen Komparator 18, einen Ansteuerverstärker 17, eine
Pumpe 2 und einen Wandler 7, stellt den Pumpenmotor 13 ein,
bis die zwei Eingänge
des Komparators 21 – die
Ausgangsspannung des Mikroprozessors 20 und die Ausgangsspannung
des Wandlers 7 – gleich
sind. Auf diese Art und Weise wird die Ansteuerung der Pumpe 2 so
eingestellt, um die erforderliche Strömung unter allen Belastungszuständen beizubehalten.
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Es sollte verständlich werden, dass irgendeine
der Durchflussmesser-Konfigurationen 4, dargestellt in
den 3a und 3b und/oder 3c, in irgendeinem der Layouts der 5a und 5b verwendet werden kann. Wie gezeigt
worden ist, kann, in irgendeiner der Versionen, die hier beschrieben
sind, der Mikroprozessor 20 nicht nur ein Signal, das eine
Strömung
darstellt, erzeugen, das für
eine Referenz aufgezeichnet und gespeichert werden kann, sondern kann
auch ein Steuersignal zum Modellieren des Pumpenmotors erzeugen,
um einen stetigen Gasfluß sicherzustellen.
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Für
die meisten Verwendungen einer Luftprobennahme weist der Pulsierungsdämpfer eine Kammer
auf, die ein Volumen von etwa 3.000 mm3 bis
etwa 20.000 mm3, verbunden mit dem Luftauslasskanal
von der Pumpe, besitzt. Sie wird eine Membran oder einen anderen,
expandierbaren Bereich in deren Wand oder Oberseite haben, um Pulsierungen in
der Luftströmung,
wenn die Luft zu der Pumpe zugeführt
wird, zu absorbieren. Der Druckwandler ist direkt mit der Kammer,
definiert durch den Pulsierungsdämpfer,
verbunden.
