FI113405B

FI113405B - Reaaliaikainen mittausmenetelmä

Info

Publication number: FI113405B
Application number: FI945168A
Authority: FI
Inventors: Jarmo Juhani Enala
Original assignee: Jarmo Juhani Enala
Priority date: 1994-11-02
Filing date: 1994-11-02
Publication date: 2004-04-15
Also published as: EP0805968B1; FI945168L; US6132083A; EP0805968A1; JPH10508382A; WO1996014572A1; FI945168A0; DE69534473D1

Description

1 113405

Reaaliaikainen mittausmenetelmä

Keksinnön kohteena on reaaliaikainen ja adaptiivinen mittausmenetelmä anturin ja väliaineen välisen 5 lämmönjohtavuuden K ja/tai anturin lämpökapasiteetin C ja väliaineen lämpötilan määrittämiseksi väliaineen kanssa lämmönvaihtosuhteessa olevan anturin avulla muuttamalla anturin lämpötilaa viemällä anturiin lämpötehoa ja mittaamalla anturiin viety lämpöteho.

10 Tunnetut lämmönjohtavuuden muutoksia mittaavat laitteet, kuten erityisesti termoanemometrit, perustuvat joko kahden tai yhden lämpötilaelementin käyttöön. Kahta elementtiä käyttävissä laitteissa toista elementeistä lämmitetään määrittäen samalla lämmittämiseen käytetty 15 teho, kun taas toisella elementillä määritetään mitattavan väliaineen lämpötila. Kahta lämpötilaelementtiä käyttävät laitteet jakaantuvat toimintansa perusteella kahteen ryhmään, joista toisessa lämmitettävään elementtiin johdetaan vakioteho ja mitataan elementtien välistä 20 lämpötilaeroa. Yleisemmässä järjestelyssä elementtien välinen lämpötilaero pidetään vakiona ja määritetään v.; tähän vaadittava lämmitysteho. Jälkimmäinen menetelmistä '''•S on sikäli ensimmäistä edullisempi, että laitteen rea- ·:*·· gointinopeus mitattavan suureen muutoksiin kasvaa ver- | 25 rannollisena elementtien välisen lämpötilaeron säätöön t c i » käytetyn takaisinkytkentäsilmukan vahvistukseen.

Yhtä lämpötilaelementtiä käyttävät laitteet pe- • * · rustuvat joko elementin jäähtymis- tai lämpenemisnopeu- ,, . den tarkasteluun tai anturin pitämiseksi halutussa läm- • * ' 30 pötilassa vaadittavan lämpötehon määritykseen. Ensimmäi- ’··>* nen menetelmistä vastaa kahden anturin menetelmää, jossa lämmitettävään elementtiin johdetaan vakioteho ja mita-taan elementtien välistä lämpötilaeroa. Jälkimmäinen menetelmä vastaa lähinnä kahden elementin menetelmää, ‘ 35 jossa elementtien välinen lämpötilaero pidetään vakiona * i 2 113405 ja määritetään tähän vaadittava lämpöteho. Käytettäessä yhtä elementtiä ongelmaksi muodostuu se, ettei väliaineen lämpötilaa tunneta, jolloin anturin pitämiseksi halutussa lämpötilassa vaadittava teho riippuu väliai-5 neen lämmönjohtavuuden lisäksi esimerkiksi väliaineen lämpötilan muutoksista, eikä näiden vaikutuksia voi erottaa toisistaan.

US-pätenttijulkaisussa 5 117 691 on esitetty yk-sianturinen mittausmenetelmä, joka perustuu differoin-10 tiin ja joka toimii ilman tietoa ympäristön lämpötilasta. Tämän hakemuksen mukainen keksintö pohjautuu korrelaatiotarkasteluun, johon kuuluu olennaisena osana väliaineen lämpötilan määrittäminen laskennallisesti. Merkittävä ero US-patenttijulkaisun mukaiseen menetelmään 15 on myös mittauksen reaaliaikaisuus. Tämän hakemuksen keksinnön mukainen menetelmä toimii reaaliajassa, jolloin ei tarvita mainitussa US-patenttijulkaisussa kuvattua tasapainotilaa, josta aiheutuu se, ettei mittaus tapahdu reaaliajassa. Kyseisen US-patentin mukainen lai-20 te voidaan toteuttaa myös niin, ettei edellytetä anturin lämpötilan vakiintumista tasapainotilaan, mutta tällöin » · i kytkennässä käytetään demodulaattoria, jonka vuoksi mit- : taustuloksia ei saada reaaliaikaisesti.

••••I Kaikkien sellaisten mittauslaitteiden, kuten ter- * * ' : 25 moanemometrien, joissa käytetään kahta lämpötila-antu- * « t + « · · ria, ongelmana on niiden kalibroinnin säilyminen laajal-[!.’! la lämpötila-alueella. Kun mittaaminen perustuu kahden ‘ lämpötila-anturin välisen lämpötilaeron mittaamiseen, niiden näyttämien on seurattava toisiaan hyvin tarkasti • >' 30 koko toimintalämpötila-alueella. Tämä edellyttää kallii- • i * den tarkkuuskomponenttien käyttöä ja tuottaa silti jos- | kus vaikeuksia esimerkiksi komponenttien vanhenemisen, • · säteilylämmön tai elektroniikan aiheuttaman lämpenemisen • johdosta.

‘ 35 Yhtä lämpötilaelementtiä käyttävien mittauslait- 3 113405 teiden ongelmana on ollut hidas vasteaika. Tilannetta voidaan verrata perinteiseen kahden lämpötila-anturin termoanemometriin, jossa lämmitystehoa pidetään vakiona ja mitataan lämpötila-antureiden lämpötilaeroa. Perin-5 teisissä kahden elementin termoanemometreissä vasteaikaa on pienennetty pitämällä lämpötila-antureiden lämpötilaero vakiona säätämällä lämmitystehoa. Tällöin termo-anemometrin nopeus kasvaa verrannollisena säädössä käytettyyn vahvistuskertoimeen. Tätä ajatusta ei ole voitu 10 soveltaa yhden anturin tapauksiin, koska mitattavan väliaineen lämpötilaa ei tunneta, ja väliaineen lämpötilan muuttuessa lämpötila-anturin pitäminen vakiolämpötilassa ei takaa anturin ja väliaineen lämpötilaeron pysymistä vakiona. Hitaan vasteajan lisäksi on ongelmana se, että 15 yhden anturin jäähtymisnopeuden mittaukseen perustuvassa menetelmässä oletetaan anturin lämpökapasiteetti C tunnetuksi tai ainakin vakioksi. Lisäksi signaali-kohinasuhde on huono, sillä anturin ja väliaineen lämpötilaero pienenee mittauksen aikana, mutta kohinataso säi-20 lyy vakiona.

Keksinnön tarkoituksena on mahdollistaa väliai- neen lämpötilan mittaus käyttäen hyväksi yhtä lämpötila-anturia. Tällöin voidaan erottaa toisistaan väliaineen mitattavasta ominaisuudesta, kuten esimerkiksi virtaus- ί ;*: 25 nopeus tai kosteus, ja sen lämpötilan muutoksista aiheu- * * I · <·· tuvat lämmitystehon muutokset toisistaan. Lisäksi on mahdollista päästä eroon perinteisessä mittauksessa käy- • t t tettävien kahden lämpötilaelementin keskinäisestä tark- .. . kuusvaatimuksesta. Tavoitteena on myös perinteistä yk- * · 3 0 sinkertaisempi ja edullisempi rakenne. Lisäksi keksinnön tarkoituksena on poistaa perinteisen yhden lämpötilaele- ; mentin antureiden hitaus ja vaatimus siitä, että anturin * » ·;·*· lämpökapasiteetti tunnetaan ennalta tai että se ainakin on vakio. Keksinnön mukainen menetelmä on myös adaptii-35 vinen eli sen toimintaa voidaan helposti muuttaa olosuh- 4 112405 teiden vaatimalla tavalla.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.

5 Keksinnön mukaisen menetelmän edut ovat ainakin seuraavat: - yksinkertainen mekaaninen ja sähköinen toteutus (yksi lämpötilaelementti ja kaksi johtoa), - kahden elementin keskinäiset erot eivät pääse 10 heikentämään mittauksen tarkkuutta, - edellisestä syystä kalibroinnin pysyvyys on hyvä, ja koska mittaus on edullisesti prosessoripohjainen, kalibrointi voidaan suorittaa ohjelmallisesti. Sijoittamalla anturin yhteyteen pieni muisti, kalibrointitie- 15 doista saadaan anturikohtaiset, jolloin eri anturit ovat vaihtokelpoisia tarkkuuden kärsimättä, mikä helpottaa huoltoa, - mittaustuloksia saadaan reaaliaikaisesti toisin kuin perinteisissä yhden anturin menetelmissä, 20 - anturin termisellä hitaudella (eli suhde K/C on pieni) ei ole suurta merkitystä, joten anturista voidaan v’.: tehdä raskastekoinen ja kestävä ja käyttää esimerkiksi pyörähdyssymmetristä vaippaa, jolloin mittaustulos on riippumaton virtaussuunnasta, • 25 - ei rajoituksia mittauskohteen suhteen, vaan an- • < * · • turia ympäröivä väliaine voi olla esimerkiksi kaasu, höyry, neste tai kiinteä aine, tai myöskin jauhe, vaahto, suspensio tai jokin muu usean faasin seos, .. . - samalla laitteella voidaan mitata lämmönjohta- ‘^1 30 vuus ja/tai lämpökapasiteetti ja lämpötila, • » '··' - menetelmä on lämmönjohtavuuden ja lämpökapasi- teetin määrityksen suhteen tunteeton lämpötilamittauksen * t nollakohdan virheelle, .- menetelmä on lämmönjohtavuuden ja lämpökapasi-35 teetin määrityksen suhteen tunteeton kytkentäjohtimien 5 112405 resistanssille ja sen muutoksille, jolloin johdinpituu-det voivat olla suuret, - koska menetelmällä on mahdollista mitata anturin lämpökapasiteetti, esimerkiksi anturin likaantuminen 5 voidaan havaita. On myös mahdollista korjata lämmönjoh-tavuudelle määritettyä arvoa lämpökapasiteetin muutokseen verrannollisella määrällä, jolloin esimerkiksi anturin likaantumisen vaikutus voidaan kompensoida laskennallisesti .

10 Seuraavassa keksintöä selitetään tarkemmin esi merkkien avulla ja oheiseen piirustukseen viittaamalla.

Piirustuksen kuvio esittää erästä keksinnön mukaista menetelmää toteuttavaa mittausjärjestelmää.

Kuviossa jännitteellä Ua lämmitetään mitattavassa 15 väliaineessa olevaa platinavastusta 2(Ptl00), jonka lämpötila saadaan määrättyä tunnettaessa jännitteet Ua ja Uh, koska on voimassa Ua=UheR2/ (R^+R-l) , josta anturin/vas-tuksen 2 arvo ja samalla sen lämpötila voidaan laskea. Platinavastuksen kanssa sarjassa olevan vastuksen 1 re-20 sistanssiksi on valittu platinavastuksen resistanssin luokkaa oleva arvo esimerkiksi R1=110Q, koska tällöin ·.·.* tietyn suuruinen platinavastuksen resistanssin muutos vastaa mahdollisimman suurta jännitteen Ua muutosta. Yk-sinkertaisuuden vuoksi AD-muuntimen 3 positiivinen refe- : 25 renssijännite U+ on kytketty jännitteeseen Uh ja vastaa- vasti U_ on kytketty maahan, joten AD-muunnin 3 mittaa >91* suoraan suhdetta Ua/Uh.

» ·

Prosessorissa 4 toimii ohjelma, joka lukee AD- . . muuntimesta 3 platinavastuksen 2 resistanssin ja siis » < ,30 tiedon sen lämpötilasta Ta ja vertaa sitä haluttuun ar-;·’ voon. Jos lämpötila on liian alhainen, ohjelma nostaa ulostuloportin ylös, jolloin se vastuksen 5 ja konden- :*·; saattorin 6 muodostaman alipäästösuotimen kautta ohjaa ; vahvistinta 7, joka ohjaa lämmitysjännitettä Uh. Jos vas- ' ‘ 35 taavasti mitattu platinavastuksen 2 lämpötila Ta on liian > t κ 113405 korkea, ulostuloportti laskee alas, jolloin lämmitysjän-nite pienenee. Nykyisillä prosessoreilla on helposti toteutettavissa em. toiminto esimerkiksi satoja kertoja sekunnissa, jolloin toiminta on käytännössä jatkuvaa.

5 Samalla taajuudella tai vaikkapa dekadia alemmalla taajuudella voidaan laskea anturin lämmönjohtavuus ja/tai lämpökapasiteetti, ja edelleen niitä hyväksi käyttäen halutut suureet, kuten esimerkiksi väliaineen virtausnopeus tai kosteus.

10 Jos käytettävissä on DA-muuntimen sisältävä pro sessori, vastus 5 ja kondensaattori 6 ovat tarpeettomia, ja prosessorin DA-muuntimen analogiaulostulolla voidaan ohjata suoraan vahvistinta 7. Käytettäessä AD-muuntimen sisältävää prosessoria, ulkoisen AD-muuntimen 3 käyttö 15 on luonnollisesti tarpeetonta. Jos vielä prosessorin DA-muuntimen virranantokyky on tarpeeksi suuri, voidaan luopua vahvistimesta 7. Tällöin koko keksinnön mukaisessa laitteessa on vain 3 komponenttia; prosessori 4, läm-pötilaelementti 2 ja vastus 1.

20 Jännite Uh tunnetaan, koska sen säätöarvo annetaan ohjelmassa. Platinavastuksen 2 eli lämpötila-anturin re-*.V sistanssi ja lämpötilatieto saadaan AD-muuntimesta 3, joten lämmitykseen vaadittu teho Ptot voidaan laskea. Kun vielä ohjelmallisesti säädetään platinavastuksen 2 läm-: 25 pötilaa Ta ja lasketaan lämmön johtavuuden Ke korrelaatio ·· sen kanssa, saadaan määritettyä väliaineen lämpötila- ;·. arviolle Te oikea arvo Ts.

h · Jännitettä Uh muuttamalla muutetaan lämpötila-anturin 2 lämpötilaa Ta. Lämpötila Ta voi ajan funktiona ; 30 muistuttaa esimerkiksi sini-, sahalaita-, eksponentti- ’ suorakulmafunktiota tai jotain muuta jaksollista tai i 1; jaksotonta funktiota. Lämpötilan Ta liukuva keskiarvo voi : myös muuttua hitaasti kompensoiden väliaineen lämpötilan muutoksia. Anturin lämpötilan Ta ja väliaineen Ts lämpö-35 tilan erotusta voidaan lisäksi muuttaa halutulla tavalla 7 113405 esimerkiksi mittaustarkkuuden tai laitteen virrankulu-tuksen muuttamiseksi. Ratkaisemalla lämmönjohtavuuden Ke funktio toistuvasti uusilla lämpötila-arvoilla, huomioiden muutetun anturilämpötilan Ta aiheuttama muutos antu-5 rin vaatimassa lämmitystehossa Ptot, saadaan paitsi laskettua väliaineen lämmönjohtavuus, myös kultakin jaksolta tarkastettua lasketun lämmönjohtavuuden Ke ja anturin lämpötilan Ta välinen korrelaatio, joka kertoo väliaineen lämpötilan Ts muutoksesta. Väliaineen lämpötilalle Ts 10 saadaan uusia arvoja suunnilleen kerran yhtä anturin lämpötilasykliä kohti. Uuden lämpötilan Ta asettumista tietylle tasolle ei tarvitse odottaa, vaan hetkelliset-kin arvot esimerkiksi lämpötilan vielä muuttuessa käyvät mittausarvoiksi, koska laskenta-algoritmi ei edellytä 15 tilan stabiloitumista.

Laajat väliaineen lämpötilan Ts muutokset saattavat aiheuttaa mittausvirhettä ennen kuin ohjelma on ehtinyt korjata käytetyn väliaineen lämpötila-arvion Te oikeaksi. Tällöin voidaan lämpötilan Ts arvon muuttuminen 20 kompensoida ohjelmallisesti ekstrapoloimalla ja suorit taa väliaineen lämpötila-arvion Te korjaus etukäteen en- • · * nen seuraavaa lämmön johtavuuden Ke ja lämpötila-anturin ’ lämpötilan Ta välistä korrelaatiotarkistusta.

Jos lämpötila-anturin 2 lämpötilan Ta ylläpitämi-; 25 seksi tarvittava teho Pk muuttuu, johtuu se joko anturin ;· ja väliaineen välisen lämmön johtavuuden muuttumisesta tai väliaineen lämpötilan muuttumisesta tai molemmista. Lämpötilan muutos selviää yllä selostetuilla, riittävän tiheään tehtävillä korrelaatiotarkistuksilla, jonka jäl-! 30 keen mahdollisesti jäljelle jäävä tehon muutos voidaan laskea lämmönjohtavuuden muutoksen aiheuttamaksi ja si-: ten käyttää ko. tietoa jäljempänä esitetyssä lämmönjoh- tavuuden ratkaisuyhtälössä.

Kuvatussa esimerkissä on käytetty platinavastusta 35 sen yleisyyden vuoksi, ja koska sitä voidaan lämmittää 113405 8 suoraan sen läpi johdetulla virralla. Yhtä hyvin voidaan käyttää nikkelivastusta tai esimerkiksi mielivaltaisen mittaista metallilangan pätkää, jollekin pinnalle höy-rystettyä kalvoa, puolijohdekomponenttia, ts. mitä ta-5 hansa laitetta, jonka sähköiset ominaisuudet ovat lämpötilan funktio. Voidaan myös käyttää menetelmää, jossa lämpötilaa mittaava komponentti ja sen lämmitykseen ja/tai jäähdytykseen käytettävä komponentti ovat erillisiä, esimerkiksi platinavastuksen ja lämmitysvastuksen 10 yhdistelmää tai puolijohdekomponentin ja Peltier-elemen-tin yhdistelmää. Tällaiselta yhdistelmältä edellytetään, että lämmitykseen ja lämpötilanmittaukseen käytettyjen anturien välinen lämmönjohtavuus on hyvä. On mahdollista käyttää myöskin menetelmää, jossa anturin lämpötila mi-15 tataan ulkoisesti esimerkiksi sen säteilemän infra-punasäteilyn perusteella. Anturia voidaan myös lämmittää ulkoisesti esimerkiksi sähkömagneettisen säteilyn avulla .

Tarkastellaan anturia, joka on termisessä yhtey-20 dessä väliaineeseen. Väliaine voi olla esimerkiksi kaasu, höyry, neste, kiinteä aine tai usean faasin muodos-'.V tama heterogeeninen systeemi, kuten esimerkiksi sooli, M.·' emulsio, aerosoli, vaahto tai kahden nesteen muodostamat makroskooppiset faasit tai esimerkiksi kaasussa oleva : 25 kiinteä kappale, jonka pintaan anturi on kiinnitetty, ··· tai putkessa virtaava neste tai kaasu, jonka virtausno- ;·, peutta mitataan putken ulkopuolelle kiinnitetyllä tämän I · keksinnön mukaisella anturilla.

Merkitään väliaineen lämpötilaa Ts:llä ja anturin 30 lämpötilaa Ta:lla. Jos anturin ja väliaineen lämpötila poikkeavat toisistaan, anturista siirtyy lämpöä väliai-: neeseen teholla Pk, joka on verrannollinen anturin ja • väliaineen lämpötilaeroon Ta-Ts sekä anturin ja väliai neen väliseen lämmönjohtavuuteen K. Haluttaessa pitää 35 anturi tietyssä lämpötilassa Ta vaaditaan teho 113405 9

Pk=K(Ta-Ts) .

Jos halutaan ottaa huomioon esimerkiksi konvektiovir-tauksen vaikutus, voidaan käyttää jotain monimutkaisempaa yhtälöä kytkemään toisiinsa Pk, K, Ta ja Ts vaikutta-5 matta silti keksinnön mukaiseen periaatteeseen. Anturin lämpötilan muuttamiseen vaaditaan lisäksi teho Pc, joka on verrannollinen anturin lämpötilan muutosnopeuteen dTa/dt ja anturin lämpökapasiteettiin C

Pc=C*dTa/dt.

10 Anturiin johdettava kokonaisteho on

Ptot=Pc+Pk=OdTa/dt+K(Ta-Ts) .

Kokonaisteho Ptot jakaantuu siis kahteen osaan Pk ja Pc, jotka käytetään anturin lämpötilan pitämiseen tietyllä vakiotasolla ja sen muuttamiseen halutulla nopeudella. 15 Teholla tarkoitetaan lämpötehoa, joten se voi olla myös negatiivinen, jos esimerkiksi anturi on väliainetta alemmassa lämpötilassa tai jos anturin lämpötilan muutosnopeus dTa/dt saa tarpeeksi suuren negatiivisen arvon. Kokonaisteho Ptot ja anturin lämpötila Ta voidaan mitata 20 halutuilla ajanhetkillä t. Yhtälöstä halutaan ratkaista tuntemattomat K, C ja Ts.

Tämän hakemuksen mukaisessa keksinnössä anturin lämpötila on määrätty ajan funktio, ja anturiin vietävää ””ί tehoa säädetään tarvittavalla tavalla anturin lämpötilan I 25 pitämiseksi haluttuna kullakin ajanhetkellä. Koska Pc on * * « · ·· verrannollinen anturin lämpötilan Ta muutosnopeuteen dTa/dt ja Pk anturin ja väliaineen lämpötilan erotukseen t

Ta-Ts, valitsemalla Ts sopivasti ajan funktiona saadaan erotettua näiden kahden tehon määritys ja siis samalla I 30 lämmönjohtavuuden ja lämpökapasiteetin määritys toisis taan.

: Lämmönjohtavuuden K ja väliaineen lämpötilan Ts ; määrittämisen ymmärtämiseksi tarkastellaan aluksi läm mön johtavuuden K määrittämistä. Annetaan mittaushetkellä 35 anturin lämpötilalle Ta vakioarvo, jolloin dTa/dt=0 ja 113405 10 siis myös Pc=0 ja samalla Ptot=Pk. Tästä seuraa, että

Ptot=Pk+Pc=Pk=K(Ta-Ts) < = > K=Pk/(Ta-Ts) .

Ongelmana on kuitenkin se, ettei väliaineen lämpötilaa Ts 5 tunneta. Annetaan nyt väliaineen lämpötilalle Ts arvio Te, jolloin voidaan kirjoittaa

Ke=Pk/(Ta-Te) , jossa Ke on K:lie laskettu arvo, kun väliaineen lämpötila-arviolle on annettu arvo Te. Sijoitetaan yhtälöön te-10 hon Pk tarkka arvo Pk=K(Ta-Ts), jolloin saadaan

Ke=K(Ta-Ts)/(Ta-Te) .

Oletetaan nyt, että Ta>Ts,Te. Tarkastellaan kolmea eri tilannetta :

Te>Ts : kerroin (Ta-Ts) / (Ta-Te) >1, joten Ke>K

15 (Ta-Ts) / (Ta-Te) pienenee, kun Ta kasvaa

Te=Ts: kerroin (Ta-Ts) / (Ta-Te) =1, joten Ke=K

(Ta-Ts) / (Ta-Te) ei riipu Ta:n arvosta Te<Ts : kerroin (Ta-Ts) / (Ta-Te) <1, joten Ke<K

(Ta-Ts) / (Ta-Te) kasvaa, kun Ta kasvaa.

20 Havaitaan, että jos väliaineen lämpötila-arviolle on annettu oikea arvo Te=Ts, lämmönjohtavuudelle K laskettu arvo Ke on oikea eli Κέ=Κ. Jos lämpötila-arviolle on an-nettu virheellinen arvo Te/Ts, Ke:lle laskettu arvo on virheellinen ja lisäksi se riippuu anturin lämpötilasta : 25 Ta. Lämmönjohtavuudelle lasketun arvon Ke ja anturin läm-

Ml « *;· pötilan Ta välisestä korrelaatiosta voidaan siis päätellä ; - m .väliaineen lämpötilalle Ts annetun arvion Te oikeellisuus ja tarvittavan korjauksen suunta. Lisäksi on helppo havaita, että käytetyn väliaineen lämpötila-arvion Te vir-30 heen sekä Ta:n ja Ke:n välisen korrelaation suuruuden välillä on selvä riippuvuus, joten korrelaatiotarkastelun ; perusteella voidaan päätellä tarvittavan korjauksen ; suunnan lisäksi korjauksen suuruus. Vastaavat tulokset saadaan, kun Ta<Ts,Ts.

35 Muuttamalla anturin lämpötilaa Ta ajan funktiona 113405 11 ja tarkkailemalla korreloiko lämmönjohtavuudelle laskettu arvo Ke anturin lämpötilan Ta kanssa saadaan selvitettyä, onko laskennassa käytetty väliaineen lämpötila-arvio Te oikea, ja jos se on virheellinen, myös tarvittavan 5 korjauksen suunta ja määrä.

Jos anturin lämpökapasiteetti C tunnetaan, lämmön johtavuus K voidaan määrittää, vaikka anturin lämpötila muuttuisi määrityshetkellä. Koska Ta on ajan tunnettu funktio, myös dTa/dt tunnetaan, joten lämmönjohtavuu-10 delle saadaan

Ke=Pk/ (Ta-Te) = (Ptot-Pc) / (Ta-Te) = (Ptot-OdTa/dt) / (Ta-Te) . Kaikki yhtälön oikealla puolella olevat muuttujat tunnetaan, joten K voidaan laskea. Näin ollen mittaustuloksia saadaan reaaliaikaisesti millä tahansa halutulla ajan-15 hetkellä.

Jos ollaan ensisijaisesti kiinnostuneita lämmön-johtavuuden mittauksesta ja opitaan tuntemaan tietyn suuruisen anturin lämpötila Ta ja lasketun lämmönjohta-vuuden Ke välisen korrelaation vaikutus määritettyyn Ke:n 20 arvoon, ei ole välttämätöntä korjata väliaineen lämpötila-arviota Te, vaan korjataan suoraan lämmönjohtavuudelle laskettua arvoa Ke määrällä, joka on korrelaation tunnet-; tu funktio.

;**: Jos väliaineen lämpötila Ts muuttuu suhteellisen 25 tasaisesti tietyllä aikavälillä, väliaineen lämpötila-arviolle Te voidaan ekstrapoloida uusi arvo jo ennen an-

t I

turin lämpötilan Ta ja lämmönjohtavuudelle määritetyn ♦ * arvon Ke välisen korrelaation määrittämistä.

Anturin lämpökapasiteetin C mittaamiseksi määri-30 tetään aluksi lämmönjohtavuus K anturin lämpötilan ollessa Ta. Muutetaan anturin lämpötilaa Ta differentiaali-· .; sen pienellä määrällä dTa aikana dt. Kirjoitetaan koko- naistehon lauseke toiseen muotoon * * c*dTa/dt=ptot-K(Ta-Ts) i 35 < = > C=(Ptot-K(Ta-Ts) )/(dTa/dt) = (Ptot-Pk)/(dTa/dt) .

12 1 13405

Koska anturin lämpötilan muutos dTa on hyvin pieni, K(Ta-Ts)=Pk on vakio. Osoittajassa esiintyvä Ptot-Pk edustaa sitä tehon muutosta, joka vaaditaan muuttaan anturin lämpötilaa nopeudella dTa/dt, verrattuna tilanteeseen, 5 jossa anturin lämpötila pysyy vakiona.

Lämmönjohtavuutta K ei ole välttämätöntä tuntea lämpökapasiteetin mittauksen aikana, sillä C voidaan määrittää myös esimerkiksi seuraavalla tavalla. Oletetaan, että muutetaan anturin lämpötilaa differentiaali-10 sen pieni määrä dTa aikana dt, jolloin on voimassa

Ptot,1=Pc+Pk=CdTa/dt+Pk.

Muutetaan seuraavaksi anturin lämpötilaa yhtä suurella nopeudella vastakkaiseen suuntaan, jolloin on voimassa

Ptot,2=0-dTa/dt+Pk.

15 Koska dTa on pieni, Pk on vakio. Vähennetään yhtälöt toisistaan, jolloin saadaan

Ptot.i-Ptot,2=02dTa/dt = > C=(Ptotfl-Ptotf2)/(2dTa/dt) .

Keksintö soveltuu anturin ja väliaineen lämmön-20 johtavuuden ja lämpökapasiteetin määrittämiseen samanaikaisesti lämpötilan määrityksen kanssa. Väliaineen läm-·,·',· mönjohtavuus voi muuttua esimerkiksi virtausolosuhteiden • · '· muuttumisen vuoksi tai väliaineen ominaisuuksien muuttu- :··· misen vuoksi. Lämpökapasiteetti voi muuttua esimerkiksi 25 anturiin tarttuneen kontaminaation vuoksi tai väliaineen ominaisuuksien muuttuessa.

·, Keksinnölle sopivia sovellutuksia ovat esimerkik- si väliaineen virtausnopeuden mittaus, kosketuksen tunnistaminen, kosteuspitoisuuden määrittäminen, paineen mit-30 taus, kaasun kosteuden mittaus, termisten ominaisuuksien mittaus putken seinämän läpi ja säiliöiden pinnankorkeu-• den määrittäminen.

: Virtaavan väliaineen ympäröimälle kappaleelle on approksimoiden voimassa Kingin laki I 35 Pk=K(Ta-Ts) = (C0+C1vM) (Ta-Ts) , 13 112405 jossa C0 ja Cx ovat mittausjärjestelylle ominaisia vakioita ja v on väliaineen virtausnopeus. Lämmönjohtavuus K voidaan määrittää aikaisemmin esitetyllä tavalla, jolloin virtausnopeus saadaan laskettua kaavasta 5 v= [ (K-C0) /CJ2.

Kingin laki voidaan tarkentaa ottamaan huomioon esimerkiksi väliaineen turbulenttisuus, viskositeetti, kosteus ja paine vaikuttamatta menetelmän periaatteeseen.

Keksintö soveltuu myös hyvin virtausnopeuden mit-10 taamiseen putken seinämän läpi. Anturi kytketään termisesti putken seinämään, jolloin putki on suunnilleen anturin lämpötilassa Ta. Tilanne on vastaava edellä esitetyn kanssa lukuunottamatta sitä, että lämpöä johtuu edellä esitetystä poiketen myös anturin ja sen ympäris-15 tön välillä teholla Pv, sillä anturi ei ole kokonaan mitattavan väliaineen ympäröimä. Lisättäessä tämä termi kokonaistehoon mittaus palautuu normaaliin muotoon, jossa anturi on kokonaan väliaineen ympäröimä. Mittaus putken seinämän läpi mahdollistaa helpon jälkiasennuksen ja 20 huollon, systeemi on vahvarakenteinen eikä se vaikuta aineen virtaukseen putkessa. Lisäksi mittaamalla lämpö-:.V kapasiteettia voidaan arvioida putken sisäpintaan kerty- ' ; vien kontaminaatioiden määrä.

*:· ·; Kosketus tunnistetaan upottamalla lämpötila-antu- ' 25 ri johonkin rakenteeseen, jonka lämmön johtavuus ja läm- * t pökapasiteetti muuttuvat materiaalin pintaan koskettaes-:-t sa ja kosketus voidaan havaita riippumatta koskettavan kappaleen lämpötilasta.

Kosteuden lisääntyminen parantaa yleensä väliai-30 neen lämmönjohtavuutta, joka voidaan havaita keksinnön ·’ mukaisella menetelmällä. Hyödyllisiä sovellutuskohteita • ovat esimerkiksi kasvinviljely ja rakenteiden kuivumisen ; seuraaminen esimerkiksi betonivalujen ja vesivahinkojen yhteydessä. Ympäristön lämpötilan muuttuminen ei vaikuta 35 mittaukseen.

113405 14

Paineen kasvaessa kaasun lämpökapasiteetti kasvaa, joka voidaan mitata. Tällaisen mittauksen toteutus on helpointa, jos anturia ympäröivä mitattava kaasu on liikkumatonta. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi ympä-5 röimällä anturi mittauskammiolla, joka on kapillaariput-ken kautta yhteydessä mitattavaan paineeseen. Kaasun liikkumattomuus ei ole kuitenkaan välttämätöntä.

Kaasun kosteudenmittaus tapahtuu päällystämällä tai täyttämällä anturi sopivalla hygroskooppisella ai-10 neella, joka absorboi vettä sitä enemmän, mitä suurempi ilman kosteus on. Menetelmällä voidaan havaita anturissa olevan hygroskooppisen aineen lämpökapasiteetin muutos. Toinen menetelmä on mitata anturin lämpökapasiteettia ja pitää se vakiona muuttamalla anturin lämpötilaa, jolloin 15 tähän vaadittava lämpötila on kosteuden funktio.

Termisten ominaisuuksien mittaus putken seinämän läpi voidaan suorittaa kytkemällä anturi termisesti putken seinämään. Sopivia putken seinämän ominaisuuksia ovat hyvä lämmönjohtavuus seinämän sisä- ja ulkopinnan 20 välillä, mutta huono lämmönjohtavuus putken seinämän suunnassa (esimerkiksi ohutseinäiset putket ja putket, joiden materiaali on termisesti anisotrooppinen). Täl-j,: löin lämpö pyrkii johtumaan anturin ja mitattavan väli- aineen välillä ja väliaineen termisten ominaisuuksien ; 25 mittaus on helppoa. Esimerkiksi väliaineen virtaus lisää lämmönjohtavuutta ja on siten mitattavissa. Putken sisä-puolelle kiinnittyneet epäpuhtaudet muuttavat lämpöka- • » « pasiteettia ja ovat havaittavissa. Koska tällaisessa ,, , sovellutuksessa systeemin hitaus (suhde C/K) on usein 30 suuri, perinteinen jäähtymisnopeuden määrittämiseen perustuva yhden lämpötilaelementin mittaus on vaikeasti sovellettavissa.

j Säiliön pinnan nouseminen anturin tasolle muuttaa lämmönjohtavuutta. Säiliön sisällön lämpötilalla ei ole ‘ 35 vaikutusta mittaukseen ja mittaus on mahdollinen jopa > 15 113405 säiliön seinämän läpi.

Kahden makroskooppisen nestefaasin erottaminen on mahdollista havaitsemalla anturin ohi virtaavan neste-faasin lämmönjohtavuus. Tällaisia makroskooppisia nes-5 tefaaseja muodostava systeemi voi olla esimerkiksi voi-teluöljy ja siihen häiriötilanteessa sekoittunut vesi.

Koska anturin termisellä hitaudella ei ole suurta merkitystä, voidaan siitä tehdä kestävä ja käyttää esimerkiksi pallomaista vaippaa, jolloin käyttämällä tar-10 peeksi ohutta johdotusta ja ripustusta, anturista saadaan riippumaton virtaussuunnasta koko avaruudessa eikä ainoastaan tasossa, kuten käyttämällä putkimaista vaippaa. Elementin ympärille asennetun, lämpöä hyvin johtavan (esimerkiksi alumiini, alumiinioksidi, kupari tai 15 hopea), muodoltaan symmetrisen vaipan lämpötila on joka kohdassa sama, jolloin geometrisistä syistä mikään vir-taussuunta ei ole toisesta suunnasta poikkeavassa asemassa, joten anturi on tunteeton virtaussuunnan muutoksille. Kahden elementin anturissa symmetrisyyden saavut-20 taminen kolmessa ulottuvuudessa on mahdotonta, vaikka olisi käytettävissä ideaalisia lämpötilaelementtejä.

.· Keksinnön mukainen kytkentä voidaan toteuttaa ,: usealla eri tavalla, mutta tässä esitettyä on pidetty : yksinkertaisena keksinnön periaatteen havainnollistami- 25 seksi. Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yllä esitettyihin esimerkkeihin, vaan että ne voivat vaihdella jäljempänä olevien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims

1* 1 13405 1. Reaaliaikainen ja adaptiivinen mittausmenetelmä anturin (2) ja väliaineen välisen lämmönjohtavuuden K 5 ja/tai anturin (2) lämpökapasiteetin C ja väliaineen lämpötilan Ts määrittämiseksi väliaineen kanssa lämmön-vaihtosuhteessa olevan anturin (2) avulla muuttamalla anturin (2) lämpötilaa Ta viemällä anturiin lämpöteho Ptot ja mittaamalla anturiin (2) viety lämpöteho Ptot, t u n - 10. e t t u siitä, että - anturiin (2) viedään sellainen lämpöteho Pk, että anturin (2) lämpötila Ta noudattaa reaaliajassa haluttua ajasta riippuvaa lämpötilafunktiota, - väliaineen lämpötilaa Tg approksimoidaan arvolla 15 Tei - lämmönjohtavuudelle K lasketaan arvo Ke anturin (2) lämpötilan Ta halutun lämpötilafunktion mukaisena pitävän lämpötehon Pk, lämpötilan Ta ja väliaineen lämpötila-arvion Te avulla, 20. väliaineen lämpötila-arviota Te muutetaan tar vittaessa niin, että anturin lämpötilan Ta ja lasketun ,*.* lämmön johtavuuden Ke välinen korrelaatio häviää, ja - lämpökapasiteetille C lasketaan arvo anturin :'i (2) lämpötilan Ta muutosnopeuden dTa/dt saavuttamiseksi : 25 tarvittavan lämpötehon Pc ja muutosnopeuden dTa/dt avul- \ la. ;·. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, * · tunnettu siitä, että anturin (2) lämpötilan Ta , reaaliajassa noudattamaa ajasta riippuvaa lämpötilafunk- ; 30 tiota muutetaan halutulla tavalla adaptiivisesti olosuh teiden mukaan. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetel-• mä, tunnettu siitä, että väliaineen lämpötila- arvion Te korjaussuunta päätellään anturin lämpötilan Ta [ 35 ja lasketun lämmönjohtavuuden Ke välisen korrelaation 113405 17 etumerkin perusteella. 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että väliaineen lämpötila-arvion Te muuttuminen ennakoidaan ekstrapoloimalla ja lämpötila- 5 arvion Te korjaus suoritetaan ennen anturin lämpötilan Ta ja lämmönjohtavuudelle lasketun arvon Ke välisen korre-lointitarkastelun suorittamista. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämmönjohtavuudelle lasket- 10 tua arvoa Ke korjataan määrällä, joka on anturin lämpötilan Ta ja lämmönjohtavuudelle lasketun arvon Ke välisen korrelaation tunnettu funktio. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että anturin pinnassa tapahtuvi- 15 en muutosten, kuten kontaminoitumisen tai syöpymisen aiheuttaman virheen kompensoimiseksi lämmönjohtavuudelle määritettyä arvoa Ke muutetaan määrällä, joka on anturille mittaushetkellä ja kalibrointihetkellä määritettyjen lämpökapasiteettien C erotuksen tunnettu funktio. 20 » * i • ' k k k k 113405 18

1. I realtid utfört och adaptivt mätförfarande för bestämning av värmeledningsförmägan K mellan en sensor (2) 5 och ett medium och/eller sensorns (2) värmekapacitet C och mediets temperatur Ts med hjälp av sensorn (2) som star i ett värmeväxlingsförhällande med mediet genom ändring av sensorns (2) temperatur Ta genom att tillföra sensorn vär-meeffekt Ptot och genom mätning av den tili sensorn (2) 10 förda värmeeffekten Ptot/ kännetecknat av att - tili sensorn (2) förs en sadan värmeeffekt Pk att sensorns (2) temperatur Ta följer en i realtid önskad tidsberoende temperaturfunktion, - mediets temperatur Ts approximeras med värdet Te, 15. för värmeledningsf örmägan K beräknas ett värde Ke med hjälp av värmeef f ekten Pk, temperaturen Ta och mediets temperaturapproximation Te, som häller sensorns (2) temperatur Ta enligt den önskade temperaturfunktionen, mediets temperaturapproximation Te ändras vid 20 behov sä att korrelationen mellan sensorns temperatur Ta och den beräknade värmeledningsförmägan Ke försvinner, och : : - för värmekapaciteten C beräknas ett värde med *·· hjälp av den värmeef f ekten Pc som behövs för att uppnä ändringshastigheten dTa/dt för sensorns (2) temperatur Ta/ * « 25 och ändringshastigheten dTa/dt.

» > · ;·# 2. Förfarande enligt patentkrav 1, känneteck- ♦ · nat av att den tidsberoende temperaturfunktionen som . . sensorns (2) temperatur Ta följer i realtid ändras pä öns- *’ kat sätt adaptivt enligt omständigheterna. ···’ 30

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, kän - netecknat av att korrektionsriktningen för mediets • · temperaturapproximation Te beräknas pä basis av förtecknet .pä korrelationen mellan sensorns temperatur Ta och den be-·* * räknade värmeledningsförmägan K^. ’ 35

4. Förfarande enligt patentkrav 3, känneteck nat av att ändringen av mediets temperaturapproximation 113405 19 Te förutses genom extrapolering och korrigeringen av tem-peraturapproximationen Te utförs, innan korrelerings-granskningen mellan sensorns temperatur Ta och det för värmeledningsförmägan beräknade värdet Ke utförs.

5 5. Förfarande enligt patentkrav 1, känneteck- nat av att det för värmeledningsförmägan beräknande värdet Ke korrigeras med en mängd, som är en känd funktion av korrelationen mellan sensorns temperatur Ta och det för värmeledningsförmägan beräknade värdet Ke. 10

6. Förfarande enligt patentkrav 1, känneteck- nat av att för kompensering av förändringar som inträf-far pä sensorns yta, säsom ett fel förorsakat av kontami-nering eller anfrätning, ändras värdet Ke som bestämts för värmeledningsf örmägan med en mängd, som är en känd funk-15 tion av differensen av de för sensorn vid mättillfället och kalibreringstillfället bestämda värmekapaciteterna C. » e * * » » • · > · · * I • · • · ♦ » * · I » I · I I * · ' » I ’ ' * i » * ' t >