SE457665B - Saett att maeta ett gasfloede i en stroemningskanal och floedesmaetare foer utfoerande av saettet - Google Patents

Description

457 665 mätare enligt uppfinningen, fig. 6 är ett diagram, som visar spänningsvariationer över ett flödes- avkännande motstånd som funktion av det uppmätta gasflödet i en mätsond vid ett mätsystem enligt uppfinningen.

En av de vanligaste metoderna för att på elektrisk väg bestämma ett gasflöde är att på något sätt mäta den avkylande effekten på en elektriskt uppvärmd kropp, som placeras i en gasström. Principen för denna mätmetod illustreras i fig. 1, där R symboliserar motståndet i en varmkroppssond 2, I strömmen genom densamma och U spänningsdiffe- rensen mellan tilledningar 3 och 4. För åskådlighetens skull införs i beskrivningen ett antal konstanter kl, k2 .... klo, vilkas exakta uttryck emellertid är ovidkommande för det fortsatta resonemanget. För att anordningen ska fungera som flödesmätare krävs att motståndet R ändrar sig med temperaturen, men helt oberoende av sondens egenskaper gäller generellt för den utvecklade effekten P att: P=u-1=R-12 (1) Vid jämvikt bortförs samma värmeeffekt av gasflödet ql i kanalen 1 enligt formeln: P = (kl + kz-vïp-At (2) där ¿3 t står för temperaturskillnaden mellan sonden och gasen. Känner man sondens temperatur, gasens temperatur och effekten kan sålunda gasflödet beräknas som: ,P 2 ql = k3' (Ä: "' kl) (3) 457 665 Som mätprincip väljer man i regel att variera strömmen så att sondens temperatur hâlls.konstant, vilket också innebär att motståndet R är konstant. Ekvation 3 kan för detta fall skrivas som: 2 <4) vilken, om gastemperaturen är konstant, kan förenklas till: ql = »g- (12 - 10% 2 (s) där konstanten 10 blir lika med strömmen vid gasflödet ql = 0. För- delen med detta mätförfarande är att man inte behöver veta motståndets exakta temperaturberoende. Av samma anledning brukar man förkasta andra närliggande mätmetoder, vilka skulle kunna baseras på att t ex hålla ström eller spänning konstanta. En uppenbar nackdel är däremot den mycket kraftiga olinjaritet som uttrycks av ekvation 5.

I fig. 2 visas en annan känd mätmetod, som t ex ofta används för manu- ella precisionsmätningar i ventilationskanaler. Det av tryckmätaren 6 uppmätta tryckfallet över strypflänsen 5 är här kvadratiskt beroende av flödet: ' ' I AP = Pl-Pz = k5- nl (6) vilket också kan uttryckas som ql = k6'\rÄ-$ Sambandet mellan flöde och mätvärde är även här kraftigt olinjärt, och med de låga tryckfall som kan tillåtas i en ventilationskanal måste tryckmätaren göras mycket känslig. En uppenbar fördel är däremot att mätvärdet är ett direkt mått på det genomsnittliga flödet ql, vilket 457 ses 4 inte är säkert för en varmkroppssond enligt fig. 1, där mätvärdet i stället är ett mått på den lokala hastigheten just i mätpunkten.

I fig. 3 visas principen för uppfinningen. För âskådlighetens skull avbildas mätcellen 13 i förstorad skala. I ett typiskt utförande kan dess diameter vara av storleksordningen 3-10 mm, medan diametern hos huvudkanalen 1 kan vara av storleksordningen 0,1-1 m i t ex ett ven- tilationssystem. Tryckfallet över mätflänsen 5 driver här ett svagt gasflöde qz genom mätcellen, i vars tilledningsrör 9 och 10 en eller flera strypningar är inlagda. För att anordningen ska fungera räcker det med en strypning, men med tvâ strypningar, 11 resp 12, erhålls en i mätcellen inspärrad gasvolym, som dämpar kortvariga störningar.

Vid tillräckligt kraftig strypning blir flöde qz direkt proportio- nellt mot tryckfallet: ' q2 = k7'Ap (8) Kombinerat med ekvation 7 erhålls sålunda: ql = kg ' W (9) För den i mätcellen insatta varmkroppssonden 14 erhålls vidare ur ekvationerna 1 och 3: qz = k -l-lí-l- H2 (m) 3 Åšt 1 vilket insatt i ekvation 9 ger: _ I ql - kg-(UÃ-É-kl) un Om spänningen U får utgöra mätsignalen från sonden, och kvoten I¿¿§t 457 665 hålls konstant, kan ett helt linjärt samband erhållas ur ekvationen 11: ql = klo' ' U) där Uo motsvarar spänningen över mätsonden vid gasflödet ql = 0 _ Kan man acceptera smärre avvikelser från perfekt linjaritet, vilket ofta är fallet i reglersammanhang, kan ett speciellt enkelt och till- förlitligt utförande av uppfinningen erhållas genom att strömmen I genom Varmkroppssonden hålls konstant. För detta krävs att temperatur- differensen __t inte får variera alltför mycket, något som kan reali- seras genom att sonden 14 utförs som ett kraftigt uppvärmt halvledar- element med stor negativ temperaturkoefficient. Då sonden kyls av gas- flödet qz medför redan en obetydlig temperatursänkning att sondens motstånd R stiger kraftigt, vilket, med konstant ström I, ger en även- ledes kraftig ökning av mätspänningen U. Det senare medför även ökad värmeutveckling i sonden, vilket hjälper till att upprätthålla sondens temperatur.

I fig. 6 visas i ett diagram ett typiskt exempel på en mätning med en anordning enligt fig. 3. Sonden 14 har här bestått av en ca 0,4 mm stor termistor, som värmts till ca 15096 med en ström av 10,0 mA.

Som synes är den erhållna mätsignalen osedvanligt stor, och kurvan avviker endast obetydligt från en rät linje inom tryckfallsgränserna 20 - 150 Pa, vilket motsvarar det normalt användbara området i ett ventilationssystem.

I fig. 4 visas en speciell utförandeform av anordningen i fig. 3. Hela mätcellen 15 kan utföras i ett stycke, t ex genom en pressgjutnings- operation, vilket möjliggör att strypningarna 18 och 19 i tilledning- arna integreras i mätcellen i form av kapillärrör. Tryckanslutningen sker till öppningarna 16 och 17, och håligheterna 20 och 21 utjämnar snabba tryckfluktuationer. Varmkroppssonden 23 fixeras i mätkanalen 22 via de elektriska anslutningarna 25. Ett temperaturkännande organ 24, t ex i form av en ouppvärmd termistor, medger kompensation för föränd- ringar i gasens temperatur. 457 665 6 I fig. 5 visas en princip för hur uppfinningen på ett mycket enkelt sätt kan realiseras elektroniskt. Som brukligt är visas inte triviala detaljer, såsom spänningsförsörjningen till operationsförstärkarna 29, 36 och 40. Strömmen genom varmkroppssonden 32 hålls-konstant genom att operationsförstärkaren 29 styr spänningsfallet över motståndet 33, så att det är lika med den via spänningsdelaren 27-28 erhållna referens- spänningen från spänningsstabilisatorn 26. Summan av spänningsfallen över 32 och 33 förstärks och inverteras av förstärkaren 34-35-36-37. I den avslutande förstärkaren 38-39-40-41 -42 adderas en konstant Spän- ning till den inverterade signalen från 36, vilket motsvarar en sub-g traktion av det konstanta spänningsfallet över motståndet 33 samt av spänningskonstanten Uo i ekvation 12. Den åter inverterade utgångs- signalen UQ kan på så sätt göras direkt proportionell mot det uppmätta gasflödet ql, i analogi med kurvan i Figur 6. Motståndet 43 motsvarar den i Figur 4 visade temperatursensorn 24, varigenom variationer i gasens temperatur kan kompenseras.

Inplacering av temperaturkompenseringen i andra delar av kretsen, verkande av mätvärdeskarakteristikens svaga krökning med hjälp av jära motstånd, utförande av delar av signalbehandlingen i en mikropro- cessor och andra liknande variationer anses i detta sammanhang som tri- viala och som liggande inom uppfinningens ram. mot- olin-

Claims (10)

457 665 P A T E N T K R A V

1. Sätt att mäta ett gasflöde i en strömningskanal (1) med en till strömningskanalen via två uttag i denna som en shuntledning an- sluten delflödeskanal (9, 10, 13; 16, 17, 20, 21, 22) för ett från flödet i strömningskanalen avgrenat flöde, i vilken delflödeskanal en mätcell (13; 22) med ett temperaturkänsligt, flödesavkännande motstånd (14; 23) är anbragt, vilket hålls uppvärmt med en genom motståndet förd elektrisk ström (I), varvid en elektrisk mätsignal uttages från mät- cellen, och denna mätsignal behandlas i en elektronisk mät- och regler- krets till ett mätvärde för det sökta flödet (qi) i strömningskanalen, k ä n n e t e c k n a t a v kombinationen att tryckfallet över delflödeskanalen mellan dess inlopp och utlopp vid uttagen i strömningskanalen hålls kvadratiskt beroende av flödet i strömningskanalen med hjälp av en strypfläns (5), venturidysa eller liknande anordnad i strömningskanalen mellan de två uttagen, att flödet i delflödeskanalen hålls väsentligen linjärt beroende av nämnda tryckfall över delflödeskanalen genom att flödet leds i laminärt strömningstillstând genom en eller flera strypningar (11, 12; 18, 19) i delflödeskanalen, att strömmen (I) genom det flödesavkännande motståndet (1Å; 23; 32) dividerad med skillnaden mellan motståndets temperatur och gasflödets temperatur hålls vid ett väsentligen konstant värde, 1 och att spänningsfallet (U) över det flödesavkännande motståndet ut- tages som den elektriska mätsignalen från mätcellen, varigenom mätsig- nalen blir väsentligen linjärt beroende av flödet i strömningskanalen.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att strömmen (I) genom det flödesavkännande motståndet (14; 23; 32) dividerad med skillnaden mellan motståndets temperatur och gasflödets temperatur hålls vid ett approximativt konstant värde genom att som flödesavkännande mot- stånd används ett motstånd med stor negativ temperaturkoefficient, före- en 457 665 8 trädesvis ett halvledarelement, motståndet uppvärms till hög temperatur, exempelvis 150°C, och strömmen (I) genom motståndet hålls konstant.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v att en kompensering för ändringar i gasflödets temperatur sker genom att mätvärdet från det flödesavkännande motståndet korrigeras med mätvärdet från ett i anslutning till nämnda motstånd anordnat temperaturmätande organ.

4. Sätt enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t a v att kompen- seringen för ändringar i gasflödets temperatur sker genom att mätvärdet från det flödesavkännande motståndet jämförs med mätvärdet från ett likadant motstånd anordnat i en stillastående gas av samma tryck och temperatur.

5. Flödesmätare för utförande av sättet att mäta ett gasflöde i en strömningskanal (1) enligt något av kraven 1 - 4 med en till strömnings- kanalen via två uttag i denna som en shuntledning ansluten delflödes- kanal (9, 10, 13; 16, 17, 20, 21, 22) för ett f kanalen avgrenat flöde, vilken delflödeskanal h 16, 17, 20, 21) och en mätcell (l3; 22) med ett temperaturkänsligt, flödesavkännande motstånd (14; 23; 32), vilket är anordnat att hållas uppvärmt med en genom motståndet förd elektrisk ström och därvid avge en elektrisk mätsignal, och en elektronisk mät- och reglerkrets, vilken är utformad för behandling av mätsignalen till ett mätvärde för det sökta gasflödet (ql) i strömningskanalen, ' k ä n n e t e c k n a d a v kombinationen rån flödet i strömnings- ar anslutningsrör (9, 10; att en strypfläns (5), venturidysa eller liknande är anordnad mellan de två uttagen i strömningskanalen för att hålla tryckfallet över del- flödeskanalen mellan dess inlopp och utlopp vid uttagen i strömnings- kanalen kvadratiskt beroende av flödet i strömningskanalen,c att delflödeskanalen är så utformad, att flödet genom densamma hålls väsentligen linjärt beroende av nämnda tryckfall över delflödeskanalen genom att en eller flera strypningar (ll, 12; 18, 19), att upprätthålla laminärt strömningstillstånd i ett gen flöde, är anordnade i delflödeskanalen,> som är utfonmade om dem passerande 457 -665 att den elektroniska mät- och reglerkretsen är utförd att hålla ström- men (I) genom det flödesavkännande motståndet (14; 23; 32) dividerad med skillnaden mellan motståndets temperatur och gasflödets temperatur vid ett väsentligen konstant värde, och att den elektroniska mät- och reglerkretsen är så utförd, att spänningsfallet (U) över det flödesavkännande motståndet uttages som den elektriska mätsignalen från mätcellen, varigenom mätsignalen blir väsentligen linjärt beroende av flödet i strömningskanalen.

6. Flödesmätare enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d a v att det flödesavkännande motståndet (14; 23; 32) utgörs av ett motstånd med stor negativ temperaturkoefficient, företrädesvis ett halvledarelement.

7. Flödesmätare enligt krav 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d a v att delflödeskanalen utgörs av anslutningsrör (16, 17, 20, 21), strypningar (18, 19) och en mätcell (22) sanmankopplade som ett integre- rat kanalsystem i ett block (15) av för ändamålet lämpligt material, att strypningarna är utförda som kapillärrör, att anslutningsrören mellan strypningarna och mätcellen uppvisar störningsdämpande håligheter (20, 21), att det flödesavkännande motståndet utgörs av en för uppvärmning med en genom detsamma förd elektrisk ström anordnad känselkropp (23), vilken är elektriskt ansluten via isolerade anslutningar (25), och att ett temperaturmätande organ (24; 43), t ex i form av ett temperatur- känsligt motstånd, är anordnat i delflödeskanalen i anslutning till det flödesavkännande motståndet för temperaturkompensering.

8. Flödesmätare enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d a v att det för temperaturkompensering anordnade temperaturmätande organet ut- görs av en referensgivare av samma utförande som nämnda känselkropp, att denna referensgivare är placerad i en väsentligen sluten referens- kanal liknande mätcellen (22), och att nämnda referenskanal kommunice- rar med mätcellen, så att samma gastryck erhålls vid referensgivaren som vid det flödesavkännande motståndet.

9. Flödesmätare enligt krav 7 eller 8, k ä n n e t e c k n a d a v att blocket (15) med det integrerade kanalsystemet har en utform- ning som är lämpad för tillverkning genom formpressning, pulverpress- 457 665 I 10 ning elïer ïiknande teknik.

10. Fïödesmätare enïigt något av kraven 5 - 9, k ä n n e t e c k - n a d a v att den elektroniska mät- och regïerkretsen, vilken är ut- formad för behandïing av mätsígnaïen från det fïödesavkännande motstån- det (32) tilï ett mätvärde för det sökta gasfïödet (ql) i strömnings- kanalen, uppvisar en strömregulator (27-31, 33) anordnad att förse det uppvärmda, flödesavkännande motståndet med en konstanthàlï en inverterande förstärkare (34 - 37) från det flödesavkännande motståndet o en ström (I), anordnad att förstärka mätsignaïen ch att addera en temperaturkorri- gerande signa) via en krets innehållande ett temperaturmätande motstånd (43), och en inverterande sïutförstärkare (38 - 42) anordnad att subtra- hera konstanta komponenter från den temperaturkorrigerade mätsignaïen.