DE3429729A1 - Flow measurement arrangement operating on the calorimetric principle - Google Patents
Flow measurement arrangement operating on the calorimetric principleInfo
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Abstract
Description
Auf Grund der einfachheit und der heutigen VerfügbarkeitDue to the simplicity and today's availability
entsprechender Bauelementete, wie z.B. temperaturabhängiger Halbleiter in Miniaturaus+Jthrung, gewinnen Strömungsüberwachtungsgeräte, die nach dem k.alorimetrischen Prinzip arbeiten, ständig an Bedeutung Siehe hierzu- z .corresponding components, such as temperature-dependent semiconductors in miniature design, flow monitoring devices that are based on the calorimetric Working principle, constantly increasing in importance.
Offenlegungsschrift DE 32 22 o\046 Ai.Offenlegungsschrift DE 32 22 o \ 046 Ai.
Gemeinsam ist allen bislang bekannten Geräten und: Verfahren,-dass ein der zu kontrollierenden Strömung ausgesetztes Teil elektrisch aufgeheizt wird und die sich an diesem Teil einstellende Temperatur gemessen wird. Die sich einstellende Temperat.ur hangt von der Wärmeleitfähigkeit des Mediums, der Temperatur ds Mediums und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und der zugeführten Heizleistung ab.Common to all known devices and: process, -that a part exposed to the flow to be controlled is electrically heated and the temperature that is established on this part is measured. The one that appears Temperat.ur depends on the thermal conductivity of the medium, the temperature of the medium and the flow rate of the medium and the supplied heating power.
m den einfluss der Mediumtemperatur zu eliminieren wird im Allgemeinen zusätzlich die mediumtemperatur erfasst und als weiter zu verarbeitende Grösse die Temperaturdifferenz zwischen Medium und geheiztem FLthlerelement verwandt.m generally eliminating the influence of the medium temperature in addition, the medium temperature is recorded and, as a variable to be processed, the Temperature difference between the medium and the heated flare element.
Prinzipgemäss ist dabei die Temperaturdifferenz um so geringer, je grösser die Strömungsgeschwindigkeit des zu kontrollierenden Mediums ist Die sich so ergebende Temperaturdifferenz wird dann wahlweise zu einem elektrischen Schaltsignal, im Falle von Strömungsw wächtern, oder zu einem analogen Messignal, im Falle von Str ömungsmessern, weiter verarbeitet.In principle, the temperature difference is the smaller, the more the flow velocity of the medium to be controlled is greater The resulting temperature difference is then optionally converted into an electrical switching signal, in the case of flow monitors, or to an analog measurement signal, in the case of Flow meters, further processed.
Gemeinsam ist allen bislang bekannten* nach dem vorbeschriebenen kalorimetrischen Prinzip arbeitenden Geräten, dass die zur Erwärmung des FiJthlerelemenetes erforderliche Heizleistung konstant ist. Somit ergibt sich als primäre, für den gewünschten Effekt weiter zu verarbeitende Messgrösse die Temperaturdifferenz zwischen einem mit konstanter Heizleistung beau+schl agtem Fühlerelement und der Mediumtemperatur Nachteilig wirkt sich bei den bekannten Verfahren die konstante Heizleistung des Fithlerelementes aus, da hierdurch der Ärbeitsbereich der Geräte erheblich eingeschränkt wird.What is common to all previously known * according to the calorimetric described above Principle working devices that the necessary to heat the FiJthlerelemenetes Heating power is constant. Thus, the primary result is for the desired effect The measured variable to be processed further is the temperature difference between a with constant Heating power beau + hit sensor element and the medium temperature has a disadvantageous effect With the known methods, the constant heating power of the heater element because this limits the working area of the devices considerably.
Bei konstanter Heizleistung muss diese nämlich so bemessen sein, dass bei ruhendem Medium eine unzulässige überhitzung austreten kann.In the case of constant heating power, this must be dimensioned in such a way that Inadmissible overheating can occur when the medium is at rest.
Da prinzipgemäss die primäre Messgrösse die Temperaturdifferenz zwischen geheiztem Fithlerelement und Medium ist, sinkt diese bei konstanter, aus vorbeschriebenen Gründen begrenzter Heizleistung sehr schnell unter die Messbarkeitsgrenze ab, womit die Anwendbarkeit dieses Prinzips nach grösseren Strömungsgeschwindigkeiten senr begrenzt ist.Since, in principle, the primary measured variable is the temperature difference between If the heater element is heated and the medium is heated, this decreases at a constant value from the above Reasons of limited heating output very quickly below the measurable limit, which means the applicability of this principle after higher flow velocities senr is limited.
Das nachstehend beschriebene Verfahren, welches der Erfindung zu Grunde liegt, erweitert die Änwendbarkeit des kalorimetrischen Verfahrens wesentlich.The method described below on which the invention is based extends the applicability of the calorimetric method significantly.
Erfindungsgemäss wird dass bekannte kalorimetrische Verfahren dahingehend erweitert, dass die Temperaturdifferenz zwischen geheiztem Fühlerelement und Medium nicht, wie bislang, als Messgrösse, sondern als Regel grösse verwandt wird und die Messgrösse durch die Regel grösse gebildet wird Dises Verfahren besitzt gegenüber den bekannten Verfahren ein Reihe wesentlicher Vorzüge: t. Die Temperaturdifferenz zwischen Hessfühler und Medium kann extrem gering gehalten werden.According to the invention, known calorimetric methods are used to this effect extends that the temperature difference between the heated sensor element and the medium is not used as a measured variable, as was previously the case, but as a rule variable and the Measured variable is formed by the rule variable This method has opposite the known processes have a number of essential advantages: t. The temperature difference between the sensor and the medium can be kept extremely low.
2. Bei ruhendem Medium ist die Heizleistung sehr gering und es besteht keine Gefahr von überhitzungen. 2. When the medium is at rest, the heating output is very low and there is no risk of overheating.
Der Arbeitsbereich des kalorimetrischen Prinzips wird nach höheren Strömungsgeschwindigkeiten erheblich erweitert. The working range of the calorimetric principle becomes higher Flow velocities increased considerably.
4. Die Beziehung zwischen Messgrösse und Signalgrösse folgt einer lineareren Funktion als bei. konstanter Heizleistung. 4. The relationship between measured quantity and signal quantity follows one more linear function than with. constant heating power.
5. Der Messwert lässt sich mit einfachen technischen Mitteln digitalisieren und damit sehr leicht, zers. mit einem Mikroprozessor, beliebig weiter verarbeiten. 5. The measured value can be digitized with simple technical means and therefore very easy to decompose. with a microprocessor, further process as required.
Nach der hier beschriebenen Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe der Strömungsmessung ein Regelkreis aufgebaute der aus den nachfolgenden Elemeneten besteht 1 Fühlerelement bestehend aus Heizelement mit zugeordnetem Temperaturfiihler 2. Temperaturfühler zur Erfassung der Mediumtemperatur dem dem zu kontrollierenden Medium und 4. einem Regel organ Diese Anordnung ist generell anwendbar, unabhängig von der Gestaltung der Fühlerelemente. So sind z.B. Anordnungen bekannt, bei denen der Temperaturfühler eine direkte thermische Verbindung mit dem geheizten Strömungs-+Lthlerelement besitzt und somit ebenfalls über die Mediumtemperatur hinaus erwärmt ist. rauch für derartige Anordnungen lässt sich das beschriebene Verfahren anwenden.According to the invention described here, the object is achieved the flow measurement, a control loop built up from the following elements consists of 1 sensor element consisting of a heating element with an assigned temperature sensor 2. Temperature sensor for recording the temperature of the medium to be controlled Medium and 4. a rule organ This arrangement is generally applicable, regardless of the design of the sensor elements. For example, arrangements are known where the temperature sensor has a direct thermal connection with the heated one Has a flow + cooling element and thus also above the medium temperature is heated. The method described can also be used for such arrangements use.
Ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Äbb. 1 dargestellt. Ein Temperaturfühler (Halbleiter oder temperaturabhängiger Widerstand) (RTh) wird von einem Heizwiderstand (H) erwärmt und ist mit einem die Temperatur des Mediums erfassenden zweiten Temperaturfühler (etc) in Reihe geschaltet und zu. einer Brückenschaltung erweitert. Mit dem Potentiometer (Rr) lässt sich als Regel spannung ein Wert einstellen, der die Grösse der Temperaturdiffenz zwischen Medium und Meßfühler bestimmt und damit den Heizstrom regelt.A simple embodiment of the invention is shown in Fig. 1 shown. A temperature sensor (semiconductor or temperature-dependent resistor) (RTh) is used heated by a heating resistor (H) and is with one the temperature of the medium detecting second temperature sensor (etc) connected in series and closed. a bridge circuit expanded. With the potentiometer (Rr) a value can be set as the control voltage, which determines the size of the temperature difference between the medium and the sensor and so that regulates the heating current.
Die dargestellte anordnung hält in vorgegebenen Grenzen die Temperaturdifferenz zwischen Mess+ ühl er und Medi umkonstant.The arrangement shown keeps the temperature difference within specified limits constant between Mess + ühler and media.
Der durch den Heizer fliessende Strom ist proportional der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit.The current flowing through the heater is proportional to that to be measured Flow velocity.
Zur Erhöhung der Linearität des ausgangssignales lässt sich auch durch entsprechende Schaltmittel die Heizleistung als Mass für die Strömungsgeschwindigkeit wählen.To increase the linearity of the output signal, you can also use corresponding switching means the heating power as a measure of the flow rate Select.
Ein anderes Äus+ührungsbeispiel zeigt Abb.2. Hier wird das Brückensignal einem Zweipunktregler zugeführt, der den Heizstrom, je nach Brückenspannung, ein- oder ausschaltet.Another example is shown in Fig.2. Here is the bridge signal fed to a two-point controller, which, depending on the bridge voltage, switches the heating current or turns off.
Hierdurch ergeben sich die in Abb. 2a für eine geringe Strömungsgeschwindigkeit und in Äbb. 2b für eine grössere Strömungsgeschwindigkeit dargestellte Diagramme für die Heizpulse.This results in those in Fig. 2a for a low flow velocity and in Fig. 2b diagrams shown for a greater flow velocity for the heating pulses.
Das sich ergebende Puls- P a u s e n v e r h ä l t n i s ist hierbei ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit. Dieses Puls-Pausenverhältnis lässt sich wahlweise durch Integration analog ausgeben oder durch digitale Weiterverarbeitung als Digitalwert.The resulting pulse p a u s e n ratio is here a measure of the flow velocity. This pulse-pause ratio can be output either through integration in analog form or through digital processing as a digital value.
Eine weitere mögliche einfache Ausführungsform zeigt Abb. .s.Another possible simple embodiment is shown in Fig.
Hier ist eine Strömungsmessanordnung nach dem vorbeschriebenen Regelprinzip in Zweileitertechnik dargestellt. über einen Vorwiderstand, der auch als F.:onstantstromquelle ausgebildet sein kann, wird eine BrfJtckenschal tung, wie vorbeschri eben, gespeist. Der Ausgang des Verstärkers steuert einen in Reihe zum Heizwiderstand liegenden Regler derart, dass die Bedingungen des Regelkreises, nämlich die Temperaturdifferenz zwischen Medium und Hessfühler konstantzuhalten, erfüllt wird. Dieser Regler lässt sich durch einen beliebigen steuerbaren Widerstand, beispielsweise einen Transistor, darstellen. Ein in Reihe zu der Anordnung geschalteter Strommmesser zeigt dann einen der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Strom an. Diese Anordnung lässt sich in der vorgestellten Form sowohl zum Betrieb an Gleichspannungs- wie auch an Wechselspannungsnetzen verwenden, wenn sie durch eine einfache, hier nicht dargestelte Gleichrichterschaltaing erweitert wird.Here is a flow measuring arrangement based on the control principle described above shown in two-wire technology. via a series resistor, which is also used as a constant current source can be formed, a bridge circuit, as described above, is fed. The output of the amplifier controls one in series with the heating resistor Controller such that the conditions of the control loop, namely the temperature difference to keep constant between the medium and the sensor is fulfilled. This regulator lets any controllable resistor, for example a transistor, represent. An ammeter connected in series with the arrangement then shows one the current proportional to the flow velocity. This arrangement can be in the form presented for operation on both DC and AC networks use if they are connected to a simple rectifier circuit, not shown here is expanded.
Eine weitere Äusgestaltung der Erfindung ist in Abb.4 dargestellt. Hier wird das Brückensignal zunächst einem Schwellwertschalter (SS) zugeführt und danach von einem nachgeschalteten Impulsformer (IF) zu einem definierten Impuls weiter verarbeitet, mit dem dann der Heizer betrieben wird.Another embodiment of the invention is shown in Fig.4. Here the bridge signal is first fed to a threshold switch (SS) and then from a downstream pulse shaper (IF) to a defined pulse further processed, with which the heater is then operated.
Die sich daraus ergebenden Impulsdiagramme für niedrige und hohe Strömungsgeschwindigkeit zeigen Äbb.4a und 4b. Da somit die Strömungsgeschwindigkeit proportional der Zeit zwischen den einzelnen Heizimpulsen ist, lassen sich mit dieser Anordnung besonders vorteilhafte Schaltungen realisieren. In Verbindung mit den heute in grosser Zahl zur Verfügung stehenden digitalen IC's lassen sich damit alle praktisch vorstellbaren Mess- Regel - oder Steueraufgaben realisieren.The resulting pulse diagrams for low and high flow rates show Figs. 4a and 4b. Because the flow rate is proportional to the time between the individual heating pulses can be achieved with this arrangement realize advantageous circuits. In connection with today in large numbers The available digital ICs can thus be practically all imaginable Realize measurement, regulation or control tasks.
Eie weitere Ausführung unter Verwendung heute verfügbarer IC's wird nachstehend unter Zugrundelegung der in bb.4 erläuterten Grundschaltung an Hand des Blockschaltbildes der Äbb.5 beschrieben: Die Rufgabe ist es eine unbekannte, vorhandene Strömungsgeschwindigkeit als Sollströmungsgeschwindigkeit zu registrieren und bei abweichung von dieser Sollströmungsgeschwindigkeit um einen einstellbaren Wert ein Signal abzugeben.A further implementation using ICs available today will be below based on the basic circuit explained in bb.4 of the block diagram in Fig. 5: The calling is an unknown, to register the existing flow velocity as the target flow velocity and if there is a deviation from this target flow rate by an adjustable value Value to send a signal.
Die Anordnung besteht aus einer Erundschaltung, wie mit Abb.4 beschrieben zur abgabe von der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Impulsen, einem integrierten Impulsgeber (IG), einem Hauptzähle:- (HZ), einem ansteuerbaren Vorwahlzähler (SOLL), einem einstellbaren Vorwahlzähler (WÄHL) und einem Taster (T).The arrangement consists of a circular connection as described in Fig. 4 for the delivery of impulses proportional to the actual flow velocity, an integrated pulse generator (IG), a main counter: - (HZ), a controllable one Preset counter (TARGET), an adjustable preset counter (SELECT) and a button (T).
Der Impulsgeber (IG) ist fest mit dem Hauptzähler (HZ) verbunden und wird durch die von der Messchaltung (MESS) abgegebenen Pulse jeweils wieder auf "0" zurückgesetzt.The pulse generator (IG) is permanently connected to the main meter (HZ) and is opened again by the pulses emitted by the measuring circuit (MESS) "0" reset.
Mit der Taste (T) wird der Hilfszähler (SOLL) vorübergehend mit der Messchaltung derart verbunden, dass der gerade registrierte Wert für die Strömungsgeschwindigkeit als Sollwert in diesen Hilfszähler eingelen wird.With the (T) key, the auxiliary counter (TARGET) is temporarily saved with the Measuring circuit connected in such a way that the value just registered for the flow velocity is entered as a setpoint in this auxiliary meter.
über einen weiteren Hilfszähler (WAHL) wird ein Vorwahlwert Verhältnis zum in den Hilfszähler (SOLL) eingelesenen Wert Qell eingestellt. Dieses ist der Wert, ber dessen Erreichen ein Schaltsignal abgegeben worden soll.A preset value ratio is established via a further auxiliary counter (CHOICE) set to the value Qell read into the auxiliary counter (TARGET). This is that Value, when reached, a switching signal should be given.
Das geforderte Schaltsignal wird solange nicht abgegeben, wie der Hauptzähler durch den Messimpuls vor Erreichen des eingestellten Schaltwertes wieder auf "0" gestellt wird.The required switching signal is not given as long as the Main counter by the measuring pulse again before reaching the set switching value is set to "0".
Da es sich bei der vorstehend beschriebenen anordnung um heute allgemein bekannte Digital technik handelt, wird hier auf ausführliche schaltungstechnische Beschreibung verzichtet.Since the arrangement described above is general today well-known digital technology is involved here on detailed circuitry Description omitted.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: WEBER SENSORTECHNIK GMBH, 2201 KOLLMAR, DE |
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8131 | Rejection |