EP1027581A1 - Einrichtung zum messen des volumenstroms eines strömenden mediums - Google Patents

Einrichtung zum messen des volumenstroms eines strömenden mediums

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Publication number
EP1027581A1
EP1027581A1 EP98962208A EP98962208A EP1027581A1 EP 1027581 A1 EP1027581 A1 EP 1027581A1 EP 98962208 A EP98962208 A EP 98962208A EP 98962208 A EP98962208 A EP 98962208A EP 1027581 A1 EP1027581 A1 EP 1027581A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resistor
differential amplifier
flow
temperature
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98962208A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin-Ulrich Reissland
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
REISSLAND MARTIN ULRICH
Original Assignee
REISSLAND MARTIN ULRICH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by REISSLAND MARTIN ULRICH filed Critical REISSLAND MARTIN ULRICH
Publication of EP1027581A1 publication Critical patent/EP1027581A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/02—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature
    • G01F15/028—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature for low flow rates
    • G—PHYSICS
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/02—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature
    • G01F15/04—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature of gases to be measured
    • G01F15/043—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature of gases to be measured using electrical means
    • G01F15/046—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature of gases to be measured using electrical means involving digital counting

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the volume flow of a flowing medium, in particular an air volume flow, with at least one first temperature-dependent resistor arranged in the flow of the medium, the respective resistance value of which is a measure of the mass of the flowing medium, and at least one second temperature-dependent one Resistance that is exposed to the medium outside the media flow.
  • a flow meter of this type is already known from DE-OS 31 03 051. Since the temperature of the flowing medium is normally not constant, the mass of the medium can only be correctly determined if the respective temperature of the medium is taken into account, which is done by the second temperature-dependent resistance, which is arranged outside the medium flow.
  • Such flow meters which are used, for example, to detect the intake air of an internal combustion engine, have the disadvantage that they are relatively inaccurate, and the less precise the volume of the flowing medium is, the more inaccurate they are. They are therefore particularly unsuitable for determining the content of a certain pollutant in a subject's breathing air, since volume flows between 10 L / h and 200 L / h occur in the physico-chemical analysis methods used. This also applies in the same way to other flow measuring devices known from JP-OS 5-164 583 and WO 89/12803, which use multipliers instead of a divider as used in DE-OS 31 03 051
  • Flowmeters are known for measuring the above-mentioned volume flows, which operate according to the floating ball method with calibrated tubes and finely divided, non-linear scale.
  • flowmeters have the disadvantage that they do not provide an electrical signal for automatic further processing in a computer
  • a flow measurement method is required for contamination analysis of breathing air, which allows a continuous, low pressure loss and thermally non-reactive measurement of the volume flow regardless of the temperature of the analysis volume.
  • the measuring device should be as inexpensive to manufacture as possible
  • the voltage between 10 ° C. and 40 ° C. occurring at the output of the first differential amplifier is almost completely free of the influence of temperature.
  • the mass flow m of the flowing medium causes cooling or heating of the NTC resistors, but on the other hand the volume flow V is to be determined, the temperature dependence of the density of the flowing medium, in the present case the air, must be taken into account. This is done by multiplying the voltage proportional to the temperature-compensated mass flow m by the temperature of the flowing medium.
  • the output voltage of the multiplier is a non-linear function with a high slope in the initial range, which is a prerequisite for the detection of small and very small volume flows: with a small change in the volume flow, you get larger, easily evaluable changes in the measurement voltage than with large volume flow changes. Since it is desirable to obtain a display signal that is proportional to the volume flow, the multiplier output voltage is linearized, for example by using a table memory in the form of an EPROM.
  • the respective storage value has the size that supplements the nonlinear function to the required zero line.
  • temperature-dependent resistors are those with a negative temperature coefficient, that is to say NTC resistors. Nonetheless, temperature-dependent resistors with positive temperature coefficients, that is to say so-called PTC resistors, for example platinum-foil resistors, can also be used.
  • a constant current source is assigned to the first and the second resistor.
  • the first resistance is arranged to be movable in the flow direction of the medium in the flowing medium and the respective change in the rise in the value of the output voltage at the first differential amplifier is detected and fed to the multiplier.
  • the volume flow V can thus be determined by measuring the voltage change ⁇ U which results from the impressed change in speed of the first resistor.
  • the movement of the first resistor in the direction of flow of the medium can be implemented in various ways.
  • a longitudinal movement caused by a spindle or an eccentric is conceivable.
  • Another advantageous embodiment consists in arranging the first resistor in the free end region of a lever which is rotatably mounted on one side and which is connected to an electrodynamic system which is acted upon by a variable current and rotates the lever.
  • Another advantageous solution is to arrange the first resistor immovably in the flowing medium, to modulate the medium flow by a pulse device, preferably harmoniously, and to detect the respective increase in the value of the output voltage at the first differential amplifier and to feed it to the multiplier.
  • the first resistor in the free end region of a piezoelectric bending element clamped on one side, to which a variable voltage can be applied.
  • Such a solution is particularly space-saving, does not contain any mechanically moved and thus wearing parts and can be implemented without great effort.
  • the first and the second resistor are advantageously supplied with one constant current source each.
  • the first and the second resistor are designed as temperature-dependent resistors with a positive temperature coefficient
  • the first resistor is a current source with a response delay to the first Resistance slowly changing current assigned
  • the second resistor a constant current source, wherein the respective change in the output voltage rise is detected and fed to the multiplier.
  • a circuit for determining the minimum and maximum output voltage and their difference formation is provided for detecting the respective change in the rise in the value of the output voltage at the first differential amplifier.
  • the device according to the invention is provided for detecting the volume of a flowing medium, in particular the air volume for measuring the pollution of breathing air, it is advisable to cover the output of the linearization stage with an integration stage. It has proven particularly expedient to provide a freely programmable gate array as the integration stage.
  • Such freely programmable gate arrays are usually used as coupling nodes for repeated programmable connections of certain potentials. Since a switching point represents a binary memory cell, computation tasks of a smaller scope can also be carried out with such gate arrays. Since they cost less than microprocessors, an integration stage constructed in this way can be implemented with particularly little effort.
  • the device is designed as a combination of a device according to the characterizing part of claim 1 and one according to the characterizing part of claim 4 or that of claim 9, and with switching means for switching over from one partial device to the other depending on the size of the volume flow.
  • the switching means can be actuated manually or, which is particularly advantageous, automatically when a predetermined volume flow is fallen short of or exceeded.
  • the device according to the characterizing part of claim 3 is particularly well suited for detecting small and very small volume flows with a small measurement error, while a device according to the characterizing part of claim 4 or claim 9 is used for detecting very small and very small volume flows with a small measuring error will be.
  • the combination of both measuring methods in a single measuring device leads to an optimally usable measuring device.
  • Figure 1 is a block diagram of a device for measuring the
  • Figure 2 is a block diagram of a device for measuring the
  • FIG. 3 shows a signal flow diagram of a device for measuring both small and very small and very small and very small volume flows
  • Figure 4 shows a possible arrangement of the two temperature-dependent resistors in a measuring tube
  • Figure 5 shows a measuring tube with the two temperature-dependent resistors and a pulse device.
  • the device for measuring small and very small volume flows consists of a first NTC resistor 1, which is located in the measuring rotor 2 directly of the medium flow is exposed, the volume flow is to be measured, and a second NTC resistor 3, which is arranged outside the flow of the medium, but in contact with it, in a flow-reduced bag 4 of the measuring tube 2.
  • the two NTC resistors 1 and 3 are each fed by a constant current source 5 or 6 with a constant current, which heats the respective resistor to the same temperature, so that both resistors are at the same operating point.
  • the voltages dropping across the two resistors are fed to a first differential amplifier 7, the output voltage U of which is proportional to the mass flow m.
  • the output voltage U is almost completely free from the influence of temperature between 10 ° C. and 40 ° C.
  • the temperature dependence of the density of the medium must be taken into account in order to be able to determine the volume flow.
  • the voltage drop across the second NTC resistor 3 is fed to a second differential amplifier 8 together with a reference voltage for adjustment to a nominal temperature of 20 ° C. and the output voltage of this differential amplifier 8 is fed to a multiplier 9, the other input of which is derived from the output signal of the is applied to the first differential amplifier 7.
  • an EPROM 11 is used for linearization by an analog-to-digital converter 10.
  • the respective storage value has the size that the root function leads to the required straight line added the zero point.
  • the binary data word of the voltage U present in each case represents the address of the memory cell to be called.
  • the output signal of the EPROM 11 can be used via a converter 12 to display the volume flow per unit of time and via an integration stage 13 to display the total volume flow.
  • the integration stage 13 consists of a freely programmable gate array, which represents a particularly inexpensive solution.
  • an analog output for PLC can be created between the multiplier 9 and the analog-digital converter 10 via a voltage-current converter 14, and an output for a serial computer interface between the EPROM 11 and the converter 12.
  • FIG. 1 A device for measuring very small and very small volume flows is shown in FIG.
  • a control generator 20 is provided for the time synchronization of the two current sources and also triggers the measurement sequence control 21.
  • the voltage drop across the PTC resistor 15 and the voltage drop across the PTC resistor 16 are made available to the inputs of the differential amplifier 7 and the voltage drop across the PTC resistor 16 together with a reference voltage to the differential amplifier 8.
  • the output of the differential amplifier 7 supplies a sinusoidal output voltage U ⁇ .DELTA.U, which has a maximum value U ⁇ ma and a minimum value U m ⁇ n for a given mass flow.
  • the maximum and the minimum value are detected in each case with the stages 22 and 23 and fed to a differential amplifier 24, which forms an output signal of 2 ⁇ U therefrom.
  • the measurement process and the provision this size with a sample switch 25 are controlled by the control generator 20 in connection with the measuring sequence controller 21.
  • the value 2 ⁇ U obtained is proportional to the reciprocal of the root of the mass flow.
  • the mass flow m obtained in this way must be subjected to a temperature evaluation in order to arrive at the volume flow V.
  • the mass flow signal and the output signal of the differential amplifier 7 are fed to a multiplier 9 'via an analog-digital converter 28 and 29, respectively.
  • the output voltage of the multiplier 9 ' is non-linearly related to the volume flow and is linearized in an EPROM 11'.
  • the further signal processing takes place as in the device described above, the analog output now being assigned to the EPROM output via a digital-to-analog converter 30 and a voltage-current converter 31.
  • the serial computer interface is also assigned to the EPROM output. With 32 and 33, the display devices are designated.
  • the PTC resistors 15 and 16 can also be energized with a square-wave current plus a DC offset instead of the sine current. There is basically no difference for the voltage evaluation. You only have to wait at the respective maximum and minimum of the current until, after a multiple of the resistance time constants, the maximum voltage U max and the minimum voltage U min are available. This also simplifies the circuit for querying U max and U min , which can be done using sample-and-hold technology. The circuit concept can be implemented more cost-effectively in this way.
  • the PTC resistors 15 and 16 and the associated current sources 17 and 18 and the low pass 19 through the NTC resistors 1 and 3 and the associated Constant current sources 5 and 6 are substituted, provided that the NTC resistors 1 and 3 are arranged in a measuring tube with a pulse device.
  • the measuring tube 2 ' has a flow-reduced sack 4' and, in the direction of flow in front of the NTC resistor 1, a cross connector 34, at the end of which a pulse device 35 is flanged.
  • the signal flow diagram shown in FIG. 3 is based on a measuring tube structure as shown in FIG. 5 and already described above.
  • a query is made as to whether the first measurement is taking place, with decision point 36. If this is the case — “yes”, the values determined using the deflection method are used to check whether the measuring range has been exceeded the case, the identification symbol for this is displayed by the output 37.
  • the values in the deflection process are determined by the circuit shown in the left part of FIG. 3, the pulse device 35 being switched off mass flow signal determined by the deflection method is passed on to the multiplier 9, where it is multiplied by the output signal of the differential amplifier 8.
  • the output signal of the multiplier 9 is fed to the linearization stage 11 ", which calculates the volume flow dV / dt, which is displayed in the output unit 32.
  • This is done with a computing algorithm which basically comprises the arithmetic operation of stage 11 mentioned above
  • the process flow shown in Figure 3 has been changed compared to that in Figure 1 (deflection method) .
  • the volume flow determined in this way can be faulty because the gain of the differential amplifiers 7 and 8 has not yet been optimally adjusted.
  • This takes place with each further measurement by stage 38
  • the signal received is checked in stage 39 whether there is a small volume flow dV / dt compared to the changeover value (dV / dt) u. If this is not the case - "no" - the further measurement is carried out using the deflection method.
  • the pulse device 35 is activated and the output signal of the differential amplifier 7 is evaluated according to the increase method which is shown in FIG. 2 and explained in the associated description.
  • the output signal of the multiplier 9 ' which is significant for the volume flow, is converted into the volume flow dV / dt in stage 11''using a computing algorithm which basically includes the computing operations mentioned in stages 11', 26 and 27 the process sequence shown in FIG. 3 has changed compared to that in FIG. 2 (increase process).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen des Luftvolumenstromes mit zwei temperaturabhängigen, von Stromquellen gespeisten Widerständen, deren Widerstandswerte ein Maß für die Masse und ein Maß für die Temperatur sind. Durch Multiplikation beider Signale und Linearisierung des Ergebnisses entsteht ein dem Luftvolumen proportionales anzeigbares Signal.

Description

Beschreibung
Einrichtung zum Messen des Volumenstromes eines strömenden Mediums
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen des Volumenstromes eines strömenden Mediums, insbesondere eines Luftvolumenstromes, mit mindestens einem in der Strömung des Mediums angeordneten ersten temperaturabhängigen Widerstand, dessen jeweiliger Widerstandswert ein Maß für die Masse des strömenden Mediums ist, und mindestens einem zweiten temperaturabhängigen Widerstand, der außerhalb der Medienströmung dem Medium ausgesetzt ist.
Aus der DE-OS 31 03 051 ist bereits ein Durchflußmengenmesser dieser Gattung bekannt. Da normalerweise die Temperatur des strömenden Mediums nicht konstant ist, kann die Masse des Mediums nur dann korrekt ermittelt werden, wenn die jeweilige Temperatur des Mediums berücksichtigt wird, was durch den zweiten temperaturabhängigen Widerstand erfolgt, der außerhalb der Medienströmung angeordnet ist. Derartige Durchflußmengenmesser , die beispielsweise zur Erfassung der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine verwendet werden, haben den Nachteil, daß sie verhältnismäßig ungenau sind und zwar umso ungenauer, je geringer das Volumen des strömenden Mediums ist. Sie eignen sich daher insbesondere nicht zur Ermittlung des Gehalts eines bestimmten Schadstoffes in der Atemluft eines Probanden, da bei den dabei angewandten physikalisch-chemischen Analyseverfahren Volumenströme zwischen 10 L/h und 200 L/h auftreten. Dies gilt in gleicher Weise auch für andere Durchflußmeßeinrichtungen, die aus der JP-OS 5-164 583 und der WO 89/12803 bekannt sind, die anstelle eines Dividierers, wie er in der DE-OS 31 03 051 benutzt wird, Multiplizierer verwenden
Aus der US-PS 4 437 339 ist des weiteren die Verwendung eines Line- aπsierungsnetzwerks bei Durchflußmengenmessern bekannt
Zur Messung obengenannter Volumenstrome sind Durchflußmesser bekannt, die nach dem Schwebekugelverfahren mit geeichten Rohren und feinteiliger, nichtlinearer Skala arbeiten Derartige Durchflußmesser haben jedoch den Nachteil, daß sie kein elektrisches Signal zur automatischen Weiterverarbeitung in einem Rechner liefern
Für Kontaminationsanalysen von Atemluft benotigt man ein Durchflußmeßverfahren, das eine kontinuierliche, druckverlustarme und thermisch ruckwirkungsfreie Messung des Volumenstromes unabhängig von der Temperatur des Analysevolumens erlaubt Zudem besteht bei modernen Meßeinrichtungen der Wunsch nach einem analogen elektrischen Ausgangssignal, einer Rechnerschnittstelle, einer digitalen Anzeige, automatischer Bereichsumschaltung, einer Integration des Volumenstromes und damit einer direkten Volumenangabe, einer Voreinstellung des zu analysierenden Volumens, einer Endabschaltung, nach Uber- wachungsfunktionen sowie einer Spannungsversorgung mit 24 V Gleichspannung Diesen Anforderungen wird bisher keine der verfugbaren Meßeinrichtungen gerecht
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Volumenstrommeßeinrichtung zu schaffen, die nicht nur die vorgenannten Forderungen erfüllt, sondern auch zur Messung kleiner Volumenstrome geeignet ist Zudem soll die Meßeinrichtung möglichst wenig aufwendig in der Herstellung sein
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelost, daß der erste Widerstand und der zweite Widerstand von mindestens einer Stromquelle gespeist sind, daß die am ersten Widerstand abfallende Spannung und die am zweiten Widerstand abfallende Spannung einem ersten Differenzverstarker sowie die am zweiten Widerstand abfallende Spannung und eine Referenzspannung einem zweiten Differenzverstärker zugeführt sind und daß die Ausgänge der beiden Differenzverstärker mittelbar oder unmittelbar mit einem Multiplizierer in Verbindung stehen, der durch die Multiplikation der über die mittelbare oder unmittelbare Verbindung zugeführten Größen die Temperaturabhängigkeit der Dichte des strömenden Mediums berücksichtigt und der über eine Linearisierungsstufe für die Funktion U = f(V), wobei U die Ausgangsspannung des ersten Differenzverstärkers und V der Volumenstrom ist, mit einem Anzeigeinstrument verbunden ist.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist die am Ausgang des ersten Differenzverstärkers auftretende Spannung zwischen 10°C und 40°C fast gänzlich vom Temperatureinfluß befreit. Da jedoch der Massenstrom m des strömenden Mediums die Abkühlung oder Erwärmung der NTC- Widerstände bewirkt, andererseits aber der Volumenstrom V bestimmt werden soll, muß die Temperaturabhängigkeit der Dichte des strömenden Mediums, in vorliegendem Fall der Luft, berücksichtigt werden. Dies erfolgt dadurch, daß die dem temperaturkompensierten Massenstrom m proportionale Spannung multiplikativ mit der Temperatur des strömenden Mediums bewertet wird. Die Ausgangsspannung des Multiplikators stellt eine nichtlineare Funktion mit einer hohen Steilheit im Anfangsbereich dar, die Voraussetzung für die Erfassung kleiner und sehr kleiner Volumenströme ist: bei kleiner Veränderung des Volumenstroms erhält man größere, gut auswertbare Meßspannungsänderungen als bei großen Volumenstromänderungen. Da es wünschenswert ist, ein Anzeigesignal zu erhalten, das proportional zum Volumenstrom ist, wird die Multiplikatorausgangsspannung linearisiert, beispielsweise durch Verwendung eines Tabellenspeichers in Form eines EPROM. Der jeweilige Speicherwert hat diejenige Größe, die die nichtlineare Funktion zur benötigten Nullpunktgeraden ergänzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind als temperaturabhängige Widerstände solche mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, also NTC-Widerstände, vorgesehen. Nichtsdestoweniger können auch temperaturabhängige Widerstände mit positiven Temperaturkoeffizienten, also sogenannte PTC-Widerstände, beispielsweise Platin-Folien-Widerstände, benutzt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind dem ersten und dem zweiten Widerstand jeweils eine Konstantstromquelle zugeordnet. Mit einer so aufgebauten Einrichtung lassen sich kleine und sehr kleine Volumenströme mit einem relativ kleinen Meßfehler einwandfrei erfassen.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen sehr kleiner und kleinster Volumenströme, die mit der vorbe- beschriebenen Einrichtung nur mit dem Nachteil eines größeren relativen Meßfehlers bestimmt werden können, durch meßtechnische Auswertung des Anstiegs der Funktion U = f(V) .
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform einer solchen Einrichtung ist der erste Widerstand in Strömungsrichtung des Mediums beweglich im strömenden Medium angeordnet und die jeweilige Änderung des Anstiegs des Wertes der Ausgangsspannung an dem ersten Differenzverstärker wird erfaßt und dem Multiplizierer zugeführt. Bei der Bewegung des Wider-standes in Strömungsrichtung des Mediums ergibt sich zusätzlich zu der Bestimmungsgröße V die konstante Änderung von ± ΔV und somit am Ausgang des ersten Differenzverstärkers eine Ausgangsspannung von U ± ΔU, wovon ΔU für die Bestimmung von V von Bedeutung ist, da der Volumenstrom V = const./(ΔU)2 ist, wie sich aus der Wurzelgleichung U = k V ableiten läßt. Durch Messung der Spannungsänderung ΔU, die von der aufgeprägten Geschwindigkeitsänderung des ersten Widerstandes herrührt, ist also der Volumenstrom V bestimmbar.
Die Bewegung des ersten Widerstandes in der Strömungsrichtung des Mediums kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Denkbar ist eine durch eine Spindel oder einen Exzenter hervorgerufene Longitudinalbewegung. Eine andere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, den ersten Widerstand im freien Endbereich eines einseitig drehbar gelagerten Hebels anzuordnen, der mit einem von einem variablen Strom beaufschlagten, den Hebel drehenden elektrodynamischen System verbunden ist. Eine andere vorteilhafte Lösung besteht darin, den ersten Widerstand unbeweglich im strömenden Medium anzuordnen, die Mediumsströmung durch eine Pulseinrichtung, vorzugsweise harmonisch zu modulieren und den jeweiligen Anstieg des Wertes der Ausgangsspannung an dem ersten Differenzverstärker zu erfassen und dem Multiplizierer zuzuführen.
Vorteilhafter ist jedoch die Anordnung des ersten Widerstandes im freien Endbereich eines einseitig eingespannten piezoelektrischen Biegeelements, das von einer variablen Spannung beaufschlagbar ist. Eine solche Lösung ist besonders raumsparend, enthält keine mechanisch bewegten und damit verschleißenden Teile und läßt sich ohne großen Aufwand realisieren.
Die Speisung des ersten und des zweiten Widerstandes erfolgt bei einer solchen Ausführungsform vorteilhafterweise mit jeweils einer Konstantstromquelle.
Bei einer anderen, besonders vorteilhaften Ausführungsform einer solchen, die Änderung des Anstiegs des Wertes der Ausgangsspannung erfassenden Einrichtung sind der erste und der zweite Widerstand als tem-peraturabhängige Widerstände mit einem positiven Temperaturkoeffizienten ausgebildet, dem ersten Widerstand eine Stromquelle mit einem gegen die Ansprechverzögerungszeit des ersten Widerstandes sich langsam verändernden Strom zugeordnet und dem zweiten Widerstand eine Konstantstromquelle, wobei die jeweilige Änderung des Ausgangsspannungsanstiegs erfaßt und dem Multiplizierer zugeführt wird.
Diese Lösung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Speisung des ersten Widerstandes mit einem langsam zeitveränderlichen Strom am ersten Differenzverstärker eine Ausgangsspannung ΔU erscheint, die bei kleinem Volumenstrom V groß und bei großem Volumenstrom V klein ist. Man kann also die langsame Bewegung des ersten Widerstandes in der Medienströmung durch eine langsame Änderung des ihn speisenden Stromes ersetzen. Dies bedeutet, daß diese erfindungsgemäße Einrichtung ohne bewegliche Teile auskommt, sie also mit besonderes geringem Aufwand realisierbar ist. Dies ist der besondere Vorteil einer solchen Einrichtung mit temperaturabhängigeπ Widerständen mit positivem Temperaturkoeffizienten.
Um den von der Temperatur abhängigen Meßfehler dieser Einrichtung möglichst klein zu halten, empfiehlt es sich, die dem zweiten Widerstand zugeordnete Konstantstromquelle durch eine Stromquelle mit einem sich langsam verändernden Strom und einem nachgeschalteten Tiefpass zu substituieren. Aus dem gleichen Grunde empfiehlt es sich, daß beide Stromquellen gleiches Zeitverhalten aufweisen und zeitsynchronisiert sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist zur Erfassung der jeweiligen Änderung des Anstiegs des Wertes der Ausgangsspannung an dem ersten Differenzverstärker eine Schaltung zum Feststellen der minimalen und der maximalen Ausgangsspannung und deren Differenzbildung vorgesehen.
Ist die erfindungsgemäße Einrichtung zum Erfassen des Volumens eines strömenden Mediums, insbesondere des Luftvolumens zur Messung der Schadstoffbelastung von Atemluft vorgesehen, empfiehlt es sich, den Ausgang der Linearisierungsstufe mit einer Integrationsstufe zu beschälten. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, als Integrationsstufe ein frei programmierbares Gate Array vorzusehen.
Solche frei programmierbaren Gate Arrays werden üblicherweise als Kopplungsknoten für wiederholte programmierbare Durchschaltungen bestimmter Potentiale verwendet. Da ein Durchschaltpunkt eine binäre Speicherzelle darstellt, lassen sich mit solchen Gate Arrays auch Rechenaufgaben kleineren Umfangs durchführen. Da sie weniger als Mikroprozessoren kosten, ist eine so aufgebaute Integrationsstufe mit besonders geringem Aufwand realisierbar.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist die Einrichtung als Kombination einer Einrichtung gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 und einer solchen gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 4 oder desjenigen des Anspruches 9 ausgebildet sowie mit Schaltmitteln zum Umschalten von der einen Teileinrichtung auf die andere in Abhängigkeit von der Größe des Volumenstromes. Die Schaltmittel können dabei von Hand betätigbar sein oder, was besonders vorteilhaft ist, selbsttätig bei Unter- bzw. Überschreiten eines vorgegebenen Volumenstromes.
Wie erinnerlich, ist die Einrichtung gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 3 besonders gut zur Erfassung kleiner und sehr kleiner Volumenströme mit kleinem Meßfehler geeignet, während eine Einrichtung gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 4 oder des Anspruches 9 zur Erfassung sehr kleiner und kleinster Volumenströme bei kleinem Meßfehler heranzuziehen sein wird. Vor diesem Hintergrund führt die Kombination beider Meßverfahren in einem einzigen Meßgerät zu einem optimal einsetzbaren Meßgerät.
Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, die drei Ausführungsbeispiele enthält, näher erläutert. Es zeigen im einzelnen
Figur 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Messen des
Volumenstromes eines Mediums durch Heranziehen des Differenzverstärkerausgangsspannungswertes,
Figur 2 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Messen des
Volumenstromes eines Mediums durch Heranziehen des Differenzverstärkerausgangsspannungsanstiegs,
Figur 3 ein Signalflußdiagramm einer Einrichtung zum Messen sowohl kleiner und sehr kleiner als auch sehr kleiner und kleinster Volumenströme,
Figur 4 eine mögliche Anordnung der beiden temperaturabhängigen Widerstände in einem Meßrohr, und
Figur 5 ein Meßrohr mit den beiden temperaturabhängigen Widerständen und einer Pulseinrichtung.
Die Einrichtung zum Messen kleiner und sehr kleiner Volumenströme besteht, wie den Figuren 1 und 4 entnehmbar ist, aus einem ersten NTC- Widerstand 1 , der im Meßror 2 unmittelbar der Strömung des Mediums ausgesetzt ist, dessen Volumenstrom gemessen werden soll, und einem zweiten NTC-Widerstand 3, der außerhalb der Strömung des Mediums, aber in Berührung mit dieser, in einem stömungsberuhigten Sack 4 des Meßrohres 2 angeordnet ist.
Die beiden NTC-Widerstände 1 und 3 werden jeweils von einer Konstantstromquelle 5 bzw. 6 mit einem konstanten Strom gespeist, der den jeweiligen Widerstand auf die gleiche Temperatur erwärmt, so daß beide Widerstände auf demselben Arbeitspunkt liegen. Die an den beiden Widerständen abfallenden Spannungen werden einem ersten Differenzverstärker 7 zugeführt, dessen Ausgangsspannung U proportional dem Massenstrom m ist. Die Ausgangsspannung U ist zwischen 10°C und 40°C nahezu vollständig vom Temperatureinfluß befreit.
Da der Meßeffekt, nämlich die Abkühlung des NTC-Widerstandes 1 , durch den Massestrom zustande kommt, muß die Temperaturabhängigkeit der Dichte des Mediums berücksichtigt werden, um den Volumenstrom bestimmen zu können. Dies erfolgt dadurch, daß die am zweiten NTC-Widerstand 3 abfallende Spannung zusammen mit einer Referenzspannung zum Abgleich auf eine Nenntemperatur von 20°C einem zweiten Differenzverstärker 8 zugeführt wird und die Ausgangsspannung dieses Differenzverstärkers 8 einem Multiplizierer 9, dessen anderer Eingang von dem Ausgangssignal des ersten Differenzverstärkers 7 beaufschlagt ist. Die am Ausgang des Multiplizierers 9 erscheinende Spannung ist mit dem Volumenstrom durch die Funktion U = f(V) verbunden. Es handelt sich um eine Wurzelfunktion, deren Kennlinie im Anfangsbereich eine hohe Steilheit aufweist, die Voraussetzung für die Erfassung kleiner und sehr kleiner Voiumenströme V ist. Bei bestimmter kleiner Veränderung von V erhält man größere, gut auswertbare Meßspannungsänderungen von U als bei großem Volumenstrom V.
Da es wünschenswert ist, ein Anzeigesignal zu erhalten, das streng proportional zu V ist, wird nach Digitalisierung der Ausgangsspannung des Multiplizierers 9 durch einen Analog-Digital-Wandler 10 zur Linearisierung ein EPROM 11 herangezogen. Der jeweilige Speicherwert hat diejenige Größe, die die Wurzelfunktion zur benötigten Geraden durch den Nullpunkt ergänzt. Das binäre Datenwort der jeweils vorliegenden Spannung U stellt die Adresse der aufzurufenden Speicherzelle dar.
Das Ausgangssignal des EPROM 11 kann über einen Wandler 12 zur Anzeige des Volumenstroms pro Zeiteinheit und über eine Integrationsstufe 13 zur Anzeige der Gesamtmenge des Volumenstromes herangezogen werden. Die Integrationsstufe 13 besteht aus einem frei programmierbaren Gate Array, was eine besonders kostengünstige Lösung darstellt.
Wie ersichtlich, kann zwischen dem Multiplizierer 9 und dem Analog- Digital-Wandler 10 über einen Spannung-Strom-Wandler 14 ein Analogausgang für SPS geschaffen werden, sowie zwischen dem EPROM 11 und dem Wandler 12 ein Ausgang für eine serielle Rechnerschnittstelle.
Eine Einrichtung zum Messen sehr kleiner und kleinster Volumenströme ist in Figur 2 dargestellt. Bei dieser Einrichtung werden anstelle der NTC- Widerstände 1 und 3 sogenannte PTC-Widerstände verwendet, die mit 15 und 16 bezeichnet sind und jeweils von einer Stromquelle 17 und 18 mit einem Strom I = lc + i sin(ωt) beaufschlagt sind, wobei zwischen der Stromquelle 18 und dem PTC-Widerstand 16 ein Tiefpass 19 angeordnet ist. Zur zeitlichen Synchronisation beider Stromquellen ist ein Steuergenerator 20 vorgesehen, der darüber hinaus auch die Meßablaufsteuerung 21 triggert.
Die am PTC-Widerstand 15 abfallende Spannung und die am PTC- Widerstand 16 abfallende Spannung werden den Eingängen des Differenzverstärkers 7 zur Verfügung gestellt und die am PTC-Widerstand 16 abfallende Spannung zusammen mit einer Referenzspannung dem Differenzverstärker 8.
Die Ausgangsgröße des Differenzverstärkers 7 liefert bei einem bestimmten Massestrom eine sinusförmige Ausgangsspannung U±ΔU, die einen Maximalwert Umaχ und einen Minimalwert Umιn aufweist. Der Maximal- und der Minimalwert werden jeweils mit den Stufen 22 und 23 erfaßt und einem Differenzverstärker 24 zugeführt, der daraus ein Ausgangssignal von 2ΔU bildet. Der Meßablauf und die Bereitstellung dieser Größe mit einem Sample-Schalter 25 werden von dem Steuergenerator 20 in Verbindung mit der Meßablaufsteuerung 21 gesteuert. Der erhaltene Wert 2ΔU ist proportional zum Kehrwert der Wurzel des Massestroms.
Um ein Signal zu erzeugen, das proportional zum Massestrom ist, muß noch quadriert und vom Ergebnis der Kehrwert gebildet werden. Diesen Maßnahmen dient der Quadrierer 26 und der Dividierer 27.
Wie bei der zuvor beschriebenen Einrichtung muß der so erhaltene Massestrom m einer Temperaturbewertung unterzogen werden, um zum Volumenstrom V zu gelangen. Hierzu werden das Massestromsignal und das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 7 über jeweils einen Analog-Digital-Wandler 28 bzw. 29 einem Multiplizierer 9' zugeführt. Die Ausgangsspannung des Multiplizierers 9' hängt nichtlinear mit dem Volumenstrom zusammen und wird in einem EPROM 11 ' linearisiert. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt wie bei der zuvor beschriebenen Einrichtung, wobei der Analogausgang nunmehr dem EPROM-Ausgang über einen Digital-Analog-Wandler 30 und einen Spannung-Strom- Wandler 31 zugeordnet ist. Ebenfalls dem EPROM-Ausgang ist die serielle Rechnerschnittstelle zugeordnet. Mit 32 und 33 sind die Anzeigeeinrichtungen bezeichnet.
Die Bestromung der PTC-Widerstände 15 und 16 kann auch mit einem Rechteckstrom plus Gleichstrom-Offset anstelle der Sinusbestromung erfolgen. Grundsätzlich besteht kein Unterschied für die Spannungsauswertung. Man muß lediglich beim jeweiligen Maximum und Minimum des Stromes so lange warten, bis nach einem Vielfachen der Widerstandzeitkonstanten die Maximalspannung Umax und die Minimalspannung Umιn verfügbar sind. Dadurch ergeben sich auch Schaltungsvereinfachungen für die Abfrage von Umax und Umιn, was mit sample-and-hold-Technik erfolgen kann. Das Schaltungskonzept läßt sich auf diese Weise kostengünstiger realisieren.
Bei der in Figur 2 dargestellten Einrichtung können die PTC-Widerstände 15 und 16 und die dazugehörigen Stromquellen 17 und 18 sowie der Tiefpass 19 durch die NTC-Widerstände 1 und 3 und die dazugehörigen Konstantstromquellen 5 und 6 substituiert werden, sofern die NTC- Widerstände 1 und 3 in einem Meßrohr mit einer Pulseinrichtung angeordnet sind. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, weist das Meßrohr 2' einen strömungsberuhigten Sack 4' sowie in Strömungsrichtung vor dem NTC-Widerstand 1 einen Querstutzen 34 auf, an dessen Ende eine Pulseinrichtung 35 angeflanscht ist.
Das in Figur 3 dargestellte Signalflußdiagramm basiert, wie ersichtlich, auf einem Meßrohraufbau, wie er in Figur 5 dargestellt und oben bereits beschrieben ist. Nach dem Einschalten des Gerätes wird abgefragt, ob die erste Messung stattfindet, und zwar mit der Entscheidungsstelle 36. Ist dies der Fall -„ja"-, werden die nach dem Ausschlagverfahren ermittelten Werte zur Überprüfung herangezogen, ob eine Meßbereichsüberschreitung, vorliegt. Ist dies der Fall, wird das Kennsymbol dafür von der Ausgabe 37 angezeigt. Die Ermittlung der Werte im Ausschlagverfahren erfolgt durch die im linken Teil der Figur 3 dargestellte Schaltung, wobei die Pulseinrichtung 35 abgeschaltet ist. Liegt keine Bereichsüberschreitung vor -„nein"-, wird das nach dem Ausschlagverfahren ermittelte Massestromsignal an den Multiplizierer 9 weitergeleitet, wo es mit dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 8 multipliziert wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 9 wird der Linearisierungsstufe 11" zugeführt, die den Volumenstrom dV/dt errechnet, der in der Ausgabeeinheit 32 angezeigt wird. Das geschieht mit einem Rechenalgorithmus, der grundsätzlich die weiter oben erwähnte Rechenoperation der Stufe 11 umfaßt. Insoweit ist der in Figur 3 vorliegende Verfahrensablauf gegenüber demjenigen in Figur 1 (Ausschlagverfahren) verändert. Der so ermittelte Volumenstrom kann fehlerhaft sein, weil die Verstärkung der Differenzverstärker 7 und 8 noch nicht optimal eingestellt ist. Das erfolgt mit jeder weiteren Messung durch die Stufe 38. Mit dem dann erhaltenen Signal wird in der Stufe 39 geprüft, ob ein kleiner Volumenstrom dV/dt im Vergleich zum Umschaltwert (dV/dt)u vorliegt. Ist dies nicht der Fall -„nein"-, erfolgt die weitere Messung im Ausschlagverfahren.
Liegt ein kleiner Volumenstrom dV/dt gegenüber dem Umschaltwert (dV/dt)u vor -„ja"-, was in der Stufe 39 geprüft wird, wird die Pulseinrichtung 35 aktiviert und das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 7 wird nach dem Anstiegsverfahren ausgewertet, das in Figur 2 dargestellt und in der dazugehörigen Beschreibung erläutert ist. Das für den Volumenstrom signifikante Ausgangssignal des Multiplizierers 9' wird in der Stufe 11'" in den Volumenstrom dV/dt umgerechnet und zwar mit einem Rechenalgorithmus, der grundsätzlich die weiter oben erwähnten Rechenoperationen in den Stufen 11', 26 und 27 umfaßt. Insoweit ist der in Figur 3 vorliegende Verfahrensablauf gegenüber demjenigen in Figur 2 (Anstiegsverfahren) verändert.

Claims

Patentansprüche
Einrichtung zum Messen des Volumenstromes eines strömenden Mediums, insbesondere eines Luftvolumenstromes, mit mindestens einem in der ' Strömung des Mediums angeordneten ersten temperaturabhängigen Widerstand (1 , 15), dessen jeweiliger Widerstandswert ein Maß für die Masse des strömenden Mediums ist, und mindestens einem zweiten temperaturabhängigen Widerstand (3, 16), der außerhalb der Medienströmung dem Medium ausgesetzt ist und dessen Widerstandswert ein Maß für die Temperatur des strömenden Mediums ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (1 , 15) und der zweite Widerstand (3, 16) von mindestens einer Stromquelle (5, 6; 17, 18) gespeist sind, daß die am ersten Widerstand (1 , 15) abfallende Spannung und die am zweiten Widerstand (3, 16) abfallende Spannung einem ersten Differenzverstärker (7) sowie die am zweiten Widerstand (3, 16) abfallende Spannung und eine Referenzspannung einem zweiten Differenzverstärker (8) zugeführt sind und daß die Ausgänge der beiden Differenzverstärker (7, 8) mittelbar oder unmittelbar mit einem Multiptizierer (9, 9') in Verbindung stehen, der durch Multiplikation der über die mittelbare oder unmittelbare Verbindung zugeführten Größen die Temperaturabhängigkeit der Dichte des strömenden Mediums berücksichtigt und der über eine Linearisierungsstufe (11 , 11 ') für die Funktion U = f(V), wobei U die Ausgangsspannung des ersten Differenzverstärkers (7) und V der Volumenstrom ist, mit einem Anzeigeinstrument (32, 33) verbunden ist.
. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturabhängige Widerstände NTC-Widerstände (1 , 3) vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Wert der Ausgangsspannung an dem ersten Differenzverstärker (7) dem Multiplizierer (9) zugeführt ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (15) in Strömungsrichtung des Mediums beweglich im strömenden Medium angeordnet ist und daß der jeweilige Anstieg des Wertes der Ausgangsspannung an dem ersten Differenzverstärker (7) erfaßt und dem Multiplizierer (9') zugeführt ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (15) im freien Endbereich eines einseitig drehbar gelagerten Hebels angeordnet ist, der mit einem von einem variablen Strom beaufschlagten, den Hebel drehenden elektrodynamischen System verbunden ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (15) im freien Endbereich eines einseitig eingespannten piezoelektrischen Biegeelements angeordnet ist, das von einer variablen Spannung beaufschlagbar ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (15) unbeweglich im strömenden Medium angeordnet ist, die Mediumsströmung durch eine Pulseinrichtung (35) vorzugsweise harmonisch moduliert ist und der jeweilige Anstieg des Wertes der Ausgangsspannung an dem ersten Differenzverstärker (7) erfaßt und dem Multiplizierer (9') zugeführt ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten und dem zweiten Widerstand (1 , 3) jeweils eine Konstantstromquelle (5, 6) zugeordnet sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als erster und zweiter Widerstand temperaturabhängige Widerstände (15, 16) mit einem positiven Temperaturkoeffizienten vorgesehen sind, daß dem ersten Widerstand (15) eine Stromquelle (17) mit einem gegen die Ansprechverzögerungszeit des ersten Widerstandes (15) sich langsam verändernden Strom zugeordnet ist und dem zweiten Widerstand (16) eine Konstantstromquelle und daß die jeweilige Änderung des Anstiegs des Wertes der Ausgangsspannung an dem ersten Differenzverstärker (7) erfaßt und dem Multiplizierer (9') zugeführt ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zweiten Widerstand (16) zugeordnete Konstantstromquelle durch eine Stromquelle (18) mit einem sich langsam verändernden Strom und einem nachgeschalteten Tiefpass (19) substituiert ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stromquellen (17, 18) gleiches Zeitverhalten aufweisen und zeitsynchronisiert sind.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der jeweiligen Änderung des Anstiegs des Wertes der Ausgangsspannung an dem ersten Differenzverstärker (7) eine Schaltung (22, 23, 24) zum Feststellen der minimalen und der maximalen Ausgangsspannung und deren Differenzbildung vorgesehen ist.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des Volumens eines strömenden Mediums, insbesondere des Luftvolumens zur Messung der Schadstoffbelastung von Atemluft, der Ausgang der Linearisierungsstufe (11 , 11') mit einer Integrationsstufe (13) verbunden ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Integrationsstufe (13) ein frei programmierbares Gate Array vorgesehen ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die Kombination einer Einrichtung gemäß Anspruch 1 und einer solchen gemäß Anspruch 4 oder Anspruch 9 sowie Schaltmitteln zum Umschalten von der einen Einrichtung auf die andere in Abhängigkeit von der Größe des Volumenstromes.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung selbsttätig bei Unter- bzw Überschreiten eines vorgegebenen Volumenstromes erfolgt.
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