DE19517236A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Strömung strömender Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Strömung strömender Me­ dien, mit Hilfe mindestens eines das strömende Medium teilweise beeinflussenden Heizelementes, mit Hilfe mindestens eines zumindest überwiegend vom durch das Heizelement unbeeinflußten Anteil des strömenden Mediums beeinflußten ersten Temperaturmeßelementes und mit Hilfe mindestens eines zumindest überwiegend vom durch das Heizelement beeinflußten Anteil des strömenden Mediums beeinflußten zweiten Temperaturmeßelementes, bei welchem abhängig von der Temperaturdiffe­ renz zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturmeßelement ein der Strö­ mungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums proportionales Meßsignal erzeugt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verwirklichung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens. Hierzu wird verwiesen auf den Oberbegriff des Patent­ anspruchs 5.

Strömungsmeßgeräte der in Rede stehenden Art, also insbesondere kalorimetrischen arbeitende Strömungswächter, sind seit langem und in vielen Ausführungsformen be­ kannt (vgl. z. B. die deutschen Offenlegungsschriften 24 47 617, 26 29 051, 32 13 902, 32 22 046, 37 13 981, 38 11 728, 38 25 059, 39 11 008, 39 43 437 und 44 06 541). Bei den der Erfindung zugrundeliegenden bekannten kalorimetrischen Strö­ mungswächtern wird die Differenz zwischen den Temperaturen einer wärmedurch­ strömten Grenzschicht des strömenden Mediums zu der Temperatur des unbeeinflußt vorbeiströmenden Mediums ausgewertet, um die Geschwindigkeit des strömenden Mediums zu bestimmen. Die beschriebene Temperaturdifferenz ist proportional zu dem Wärmeübergangskoeffizienten α. Der Wärmeübergangskoeffizient α ist wiede­ rum eine Funktion der Geschwindigkeit des strömenden Mediums und der Tempera­ tur des von dem Heizelement unbeeinflußten Anteil des strömenden Mediums. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Überwachung der Strö­ mung strömender Medien geht man häufig davon aus, daß der Einfluß der Temperatur des Anteils des strömenden Mediums welcher nicht von dem Heizelement beeinflußt wird, d. h. der Temperatur des strömenden Mediums vor dem Strömungswächter, zu vernachlässigen ist, also der Wärmeübergangskoeffizient α und damit die gemessene Temperaturdifferenz direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des strömen­ den Mediums ist.

Ursache der geschilderten Vereinfachung der Einflüsse auf den Wärmeübergangsko­ effizienten und damit die gemessene Temperaturdifferenz ist der Aufbau der bisher bekannten Strömungswächter. Im allgemeinen werden die Messungen der Tempera­ turdifferenz anhand von Brückenschaltungen vorgenommen, bei denen PTC′s, NTC′s oder andere temperaturabhängige Bauteile als Temperaturmeßelemente eingesetzt werden. Bei fast allen temperaturabhängigen Bauteilen ist problematisch, daß diese eine nichtlineare Kennlinie aufweisen, die zudem auch noch von Bauteil zu Bauteil streut. Dies führt einerseits zu einer nur bedingten Austauschbarkeit dieser Bauteile, z. B. im Rahmen von Wartungsarbeiten, andererseits zu Schwierigkeiten beim Aufbau eines genau arbeitenden Strömungswächters. Insbesondere sind die bekannten Bau­ teile dahingehend problematisch, daß durch ihre Nichtlinearität und Bauteilstreuung eine Korrektur der Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten und damit der gemessenen Temperaturdifferenz von der Temperatur des durch Heizelement unbe­ einflußten Anteils des strömende Mediums nahezu unmöglich ist.

Die fehlende Möglichkeit einer Kompensation der Abhängigkeit des Wärmeüber­ gangskoeffizientens bzw. der gemessenen Temperaturdifferenz von der Temperatur des vom Heizelement unbeeinflußten Anteils des strömenden Mediums ist abhängig von dem tatsächlich überwachten strömende Mediums mehr oder weniger gravie­ rend. In Fig. 1 der Zeichnung ist der Wärmeübergangskoeffizient α abhängig von der Geschwindigkeit des strömenden Mediums bei Temperaturen von 10, 25 bzw. 80°C für Wasser dargestellt. Man erkennt deutlich die einerseits große Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizientens α von der Temperatur des von dem Heizelement un­ beeinflußten Anteils des strömenden Mediums, andererseits die zu dem vorhandene Nichtlinearität dieser Abhängigkeit. Einen der bekannten Strömungswächter für Wasser einzusetzen ist also nur dann fehlerfrei möglich, wenn die Temperatur des von dem Heizelement unbeeinflußten Anteils des strömenden Mediums bekannt ist.

Neben den bislang geschilderten bekannten temperaturabhängigen Bauteilen sind allgemein als Temperaturmesser sogenannte dynamische Temperaturmesser bekannt, die nach dem Proportional to absolut Temperature (PTAT) Verfahren arbeiten (vgl. Elektor 1/93, Ing. Harro Kühne, "Dynamischer Temperaturmesser", Seiten 54 bis 58). Diese dynamischen Temperaturmesser arbeiten nach dem physikalischen Prinzip, daß die Differenz des Spannungsabfalls an einem Halbleiterübergang bei zwei unter­ schiedlichen Durchlaßströmen unmittelbar dem Produkt aus einer Konstante, der ab­ soluten Temperatur und dem natürlichen Logarithmus des Quotienten bzw. des Ver­ hältnisses der Durchlaßströme entspricht. Mathematisch ausgedrückt lautet dieses physikalische Prinzip:

Die dynamischen Temperaturmesser arbeiten dergestalt, daß ein Halbleiterübergang zeitlich abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Durchlaßströmen beaufschlagt wird. Ältere bekannte Verfahren nutzen das beschriebene physikalische Prinzip dadurch, daß zwei identisch aufgebaute Halbleiterübergänge, die sich auf der gleichen Tempe­ ratur befinden, mit unterschiedlichen Durchlaßströmen beaufschlagt werden. Die be­ kannten dynamischen Temperaturmesser zeichnen sich dadurch aus, daß sie ein rela­ tiv großes Meßsignal liefern, daß kein Abgleich notwendig ist, daß die Spannungsdif­ ferenz direkt proportional der absoluten Temperatur ist und daß die Sensorelemente ohne Abgleich beliebig austauschbar sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren und Vor­ richtungen zur Überwachung der Strömung strömender Medien derart auszugestal­ ten, daß die Meßgenauigkeit auch bei variierenden Temperaturen des vom Heizele­ ment unbeeinflußten Anteils des strömenden Mediums deutlich erhöht wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die zuvor aufgezeigte und dargelegte Auf­ gabe dadurch gelöst, daß als Temperaturmeßelement jeweils mindestens ein Halblei­ terübergang verwendet wird, daß der Halbleiterübergang zur Temperaturmessung mit jeweils mindestens einem bestimmten Durchlaßstrom beaufschlagt wird, daß die Tem­ peratur des Temperaturmeßelements des aus mindestens einer Spannungsdifferenz zweier Durchlaßspannungen bei unterschiedlichen Durchlaßströmen auf gleicher Temperatur befindlicher Halbleiterübergänge bestimmt wird und daß eine Kompensa­ tion der Beeinflussung des Zusammenhangs zwischen der Strömungsgeschwindig­ keit des strömenden Mediums und der Temperaturdifferenz durch die von dem Heiz­ element unbeeinflußte Temperatur des strömenden Mediums anhand einer Steuerung der Durchlaßströme der Halbleiterübergänge abhängig von der von dem Heizelement unbeeinflußten Temperatur des strömenden Mediums vorgenommen wird. Erfin­ dungsgemäß ist also erkannt worden, daß sich sogenannte dynamische Temperatur­ messer nicht nur aufgrund ihrer allgemein bekannten Eigenschaften besonders für den Einsatz als Temperaturmeßelemente in einem Verfahren zur Überwachung der Strömung strömender Medien eignen, sondern darüber hinaus Eigenschaften aufwei­ sen die zwar beim allgemeinen Einsatz unerheblich sind, die sie aber gerade für den Einsatz in einem solchen Verfahren besonders geeignet machen. Die erfindungsge­ mäß vorgeschlagene Steuerung der Durchlaßströme der Halbleiterübergänge abhän­ gig von der von dem Heizelement unbeeinflußten Temperatur des strömenden Medi­ ums ist besonders vorteilhaft, da die hierdurch erzielte Kompensation der Beeinflus­ sung des Zusammenhangs zwischen Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums und der Temperaturdifferenz durch die von dem Heizelement unbeeinflußte Temperatur des strömenden Mediums mit hoher Reproduzierbarkeit und Präzision gewährleistet ist.

Die zuvor aufgezeigte und dargelegte Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Vor­ richtung durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 5 gelöst. Mit einer solchen erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung sind alle Vorteile des er­ findungsgemäßen Verfahrens verwirklicht.

Eine erste besonders vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das erfindungsgemäße Ver­ fahren dadurch, daß die Kompensation anhand einer linearen oder nichtlinearen Steuerung des Verhältnisses der Durchlaßströme mindestens eines Temperaturmeße­ lementes abhängig von der vom Heizelement unbeeinflußten Temperatur des strö­ menden Mediums vorgenommen wird. Durch die unmittelbare Steuerung des Ver­ hältnisses der Durchlaßströme eines der beiden Temperaturmeßelemente wird also die Empfindlichkeit dieses Temperaturmeßelementes abhängig von der Temperatur des von dem Heizelement unbeeinflußten strömenden Mediums gesteuert. Somit ist ge­ währleistet, daß das von dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Meßsignal un­ abhängig von der Temperatur des vom Heizelement unbeeinflußten strömenden Me­ diums ist. Ob die Steuerung linear oder nichtlinear erfolgt, ist von dem Zusammen­ hang zwischen dem Wärmeübergangskoeffizienten und der Temperatur des nicht vom Heizelement nicht beeinflußten strömenden Mediums abhängig.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das erfindungsgemäße Ver­ fahren dadurch, daß als Temperaturmeßelement ein in bestimmten Zeitintervallen mit unterschiedlichen Durchlaßströmen beaufschlagter Halbleiterübergang eingesetzt wird. Diese Maßnahme gewährt einen besonders einfachen Aufbau des Temperatur­ meßelementes, da in diesem Fall pro Temperaturmeßelement nur ein Halbleiterüber­ gang notwendig ist.

Schließlich erfährt das erfindungsgemäße Verfahren eine besonders vorteilhafte Aus­ gestaltung in Verbindung mit der zuletzt geschilderten Maßnahme dadurch, daß der Offsetfehler eines die Ausgangssignale der Temperaturmeßelemente verstärkenden Differenzverstärkers mit Hilfe eines Choppernetzwerkes unterdrückt wird. Der Ein­ satz eines Choppernetzwerkes ist möglich, da die Temperaturdifferenz als Differenz der Signale der beiden Temperaturmeßelemente als dynamisches Signal vorliegt. Durch geschilderte Maßnahme wird die Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens zur Überwachung der Strömung strömender Medien weiter erhöht.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Ver­ fahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung der Strömung strö­ mender Medien auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits verwiesen die dem Patentanspruch 1 nachgeordnete Patentansprüche 2 bis 4, andererseits auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Halbleiterübergangs zur Erläute­ rung des der Temperaturmessung zugrundeliegenden physikalischen Prinzips,

Fig. 4 ein Schaltbild einer Sensorbrücke zur Realisierung der Temperaturdiffe­ renzmessung und

Fig. 5 ein Schaltbild der in Fig. 4 dargestellten Sensorbrücke in Verbindung mit einem einen Differenzverstärker nachgeordneten Choppernetzwerk.

Fig. 2 der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In diesem Ausfüh­ rungsbeispiel dargestellt ist ein Sensorsystem 1 zur Bestimmung der Temperaturdiffe­ renz, eine Auswerteelektronik 2 zur Auswertung der von dem Sensorsystem 1 gelie­ ferten Temperaturdifferenz, eine die Kompensation steuernde Steuerelektronik 3 und eine der Verstärkung des Ausgangssignals der Auswerteelektronik 2 dienende End­ stufe 4. Wie bereits einleitend beschrieben, wirken die von der Steuerelektronik 3 vorgenommenen Kompensationsmaßnahmen über die Auswerteelektronik 2 auf das Sensorsystem 1 zurück, nämlich auf die Verhältnisse der an einem Halbleiterübergang für bestimmte Zeiträume abwechselnd anliegenden Durchlaßströme.

Der in Fig. 3 schematisch dargestellte Halbleiterübergang 5 wird bei dem erfindungs­ gemäßen Verfahren, wie für dynamische Temperaturmesser bekannt, in Durchlaßrich­ tung gepolt, wobei die Durchlaßströme I₁/I₂ periodisch unterschiedliche Werte an­ nehmen. Die Differenz der für die unterschiedlichen Durchlaßströme I₁/I₂ ermittelten Spannungsabfälle U_pn an dem Halbleiterübergang 5 ist direkt der absoluten Tempera­ tur des Halbleiterübergangs 5 proportional.

In Fig. 4 der Zeichnung ist ein Schaltbild einer Sensorbrücke dargestellt, mit deren Hilfe die der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums proportionale Temperaturdifferenz bestimmt wird. In der dargestellten Sensorbrücke besteht das er­ ste Temperaturmeßelement 6 aus einem Referenzhalbleiterübergang 7 und einer ge­ schalteten Referenzkonstantstromquelle 8. Analog dazu besteht das zweite Tempera­ turmeßelement 9 aus einem Sensorhalbleiterübergang 10 und einer ebenfalls geschal­ teten Sensorkonstantstromquelle 11. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Schaltbild einer Sensorbrücke werden die Vorwiderstände synchron umgeschaltet und somit unter­ schiedliche Durchlaßströme für die Halbleiterübergänge erzwungen. Die Genauigkeit der Verhältnisse der Durchlaßströme kann über die in den Konstantstromquellen 9, 11 angeordneten Widerstände sehr genau eingestellt werden. In Fig. 4 nicht dargestellt ist die Möglichkeit einer Steuerung der Verhältnisse der Durchlaßströme eines der Temperaturmeßelemente 6, 9 abhängig von der vom Heizelement unbeeinflußtem Temperatur des strömenden Mediums. Diese kann beispielsweise durch die Anord­ nung weiterer schaltbarer Widerstände in den Konstantstromquellen gewährleistet sein.

In Fig. 5 der Zeichnung ist schließlich die in Fig. 4 dargestellte Sensorbrücke mit ei­ nem nachgeordneten Differenzverstärker 12 und einem zugehörigen Choppernetz­ werk 13 dargestellt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Überwachung der Strömung strömender Medien, mit Hilfe minde­ stens eines das strömende Medium teilweise beeinflussenden Heizelementes, mit Hilfe mindestens eines zumindest überwiegend vom durch das Heizelement unbeeinflußten Anteil des strömenden Mediums beeinflußten ersten Temperaturmeßelementes und mit Hilfe mindestens eines zumindest überwiegend vom durch das Heizelement be­ einflußten Anteil des strömenden Mediums beeinflußten zweiten Temperaturmeßele­ mentes, bei welchem abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturmeßelement ein der Strömungsgeschwindigkeit des strömen­ den Mediums proportionales Meßsignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturmeßelement jeweils mindestens ein Halbleiterübergang verwendet wird, daß der Halbleiterübergang zur Temperaturmessung mit jeweils mindestens ei­ nem bestimmten Durchlaßstrom beaufschlagt wird, daß die Temperatur des Tempera­ turmeßelements aus mindestens einer Spannungsdifferenz zweier Durchlaßspannun­ gen bei unterschiedlichen Durchlaßströmen auf gleicher Temperatur befindlicher Halbleiterübergänge bestimmt wird und daß eine Kompensation der Beeinflussung des Zusammenhangs zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Me­ diums und der Temperaturdifferenz durch die von dem Heizelement unbeeinflußte Temperatur des strömenden Mediums anhand einer Steuerung der Durchlaßströme der Halbleiterübergänge abhängig von der vom Heizelement unbeeinflußten Tempe­ ratur des strömenden Mediums vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation an­ hand einer linearen oder nichtlinearen Steuerung des Verhältnisses der Durchlaß­ ströme mindestens eines Temperaturmeßelementes abhängig von der vom Heizele­ ment unbeeinflußten Temperatur des strömenden Mediums vorgenommen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturmeßelement ein in bestimmten Zeitintervallen mit unterschiedlichen Durchlaßströmen beaufschlagter Halbleiterübergang eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Offsetfehler eines die Ausgangssignale der Temperaturmeßelemente verstärkenden Differenzverstärkers mit Hilfe eines Choppernetzwerkes unterdrückt wird.

5. Vorrichtung zur Überwachung der Strömung strömender Medien zur Verwirkli­ chung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem das strömende Medium teilweise beeinflussenden Heizelement, mit einem zumindest überwiegend vom durch das Heizelement unbeeinflußten Anteil des strömenden Mediums beein­ flußten ersten Temperaturmeßelement (6) und mit einem zumindest überwiegend vom durch das Heizelement beeinflußten Anteil des strömenden Mediums beeinflußten zweiten Temperaturmeßelement (9), wobei abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturmeßelement (6, 9) ein der Strö­ mungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums proportionales Meßsignal erzeug­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturmeßelement (6, 9) jeweils minde­ stens einen Halbleiterübergang (7, 10) aufweist, daß der Halbleiterübergang (7, 10) zur Temperaturmessung mit jeweils mindestens einem bestimmten Durchlaßstrom be­ aufschlagbar ist, daß die Temperatur des Temperaturelements (6, 9) aus mindestens ei­ ner Spannungsdifferenz zweier Durchlaßspannungen bei unterschiedlichen Durch­ laßströmen auf gleicher Temperatur befindlicher Halbleiterübergänge bestimmbar ist und daß eine Kompensation der Beeinflussung des Zusammenhangs zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums und der Temperaturdifferenz durch die von dem Heizelement unbeeinflußte Temperatur des strömenden Mediums anhand einer Steuerung der Durchlaßströme der Halbleiterübergänge abhängig von der vom Heizelement unbeeinflußten Temperatur des strömenden Mediums vorge­ nommen wird erfolgt.