METHOD FOR MEASURING THE SPEED OF A FLUID MEDIUM AND CIRCUIT FOR PERFORMING THE METHOD

Abstract: Anemometer with a measuring resistor which has PTC behaviour (17) and a step characteristic, which is supplied with a voltage UF, which is exposed to the flow of the medium and whose current is used as a measured variable, the magnitude of the sensor voltage UF being varied linearly with the temperature of the medium nu M. The sensor voltage varies in accordance with the relationship <IMAGE> in which nu o is any specifiable design temperature in DEG C, UO the associated voltage in volts, nu K is the step temperature of the PTC resistor in DEG C, nu M is the medium temperature and UF is the sensor voltage in volts. <IMAGE>

Description: Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit eines fluiden Mediums und Schaltung zur Durchführung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit eines fluiden Mediums sowie auf eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche. Im Zuge der Entwicklung brennstoffbeheizter Wärmequellen, seien es Durchlaufwasserheizer, Umlaufwasserheizer oder Kessel, die mit Gas oder U1 als Brennstoff betrieben werden, hat es sich als zweckmässig erwiesen, den Luftdurchsatz in Abhängigkeit vom Brennstoffdurchsatz zu steuern, und zwar möglichst so, dass nahezu stöchiometrische Verhältnisse herrschen. Hierzu ist es erforderlich geworden, eine Vorrichtung zu entwickeln, die für den Luftdurchsatz ein Signal bereitstellt. Hierzu eignen sich sogenannte Anemometer, aus denen man die Luftgeschwindigkeit messen kann, bei denen man aber bei bekanntem Kanalquerschnitt aufgrund des Messsignals für die Geschwindigkeit auf den Durchsatz schliessen kann. Mittels des gewonnenen Durchsatzsignals kann man dann den Brennstoffdurchsatz dosieren oder im einfachsten Fall eine Brennstofffreigabe bei ausreichendem Luftdurchsatz ermöglichen. Es hat sich aber nun gezeigt, dass solche Luftdurchsatzsignale stark mit der Temperatur der zuströmenden Frischluft variieren. Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäss die Aufgabe zugrunde, ein Kompensationsverfahren und eine Schaltung zur Durchführung'' des Verfahrens zu entwickeln, um diese Tem peraturabhängigkeit der Luft zu eliminieren. Zwischen Sommer- und Wintertemperaturen beziehungsweise im Zuge von Aufheizvorgängen bei der Luftzuführung zur brennstoffbeheizten Wärmequelle hat es sich nämlich gezeigt, dass die Lufteintrittstemperatur zwischen etwa -10 und +100 0C schwanken kann. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit'den kennzeichnenden Verfahrensmerkmalen. Hierzu eine selbständige Ausgestaltung bilden die Vorrichtungsmerkmale des Hauptvorrichtungsanspruchs. Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Wei terbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines Uml aufwasserhe i zers, Figur 2 die statische Kennlinie eines PTC-Widerstandes, Figur 3 ein Diagramm und Figur 4 eine Schaltung, mit der das erfindungsgemässe Verfahren durchgeführt wird. In allen vier Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten. Der Umlaufwasserheizer 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das an seiner Oberseite 3 einen Auslass 4 für ein konzentrisches Rohrbündel 5 aufweist, das aus einem innenliegenden Abgasrohr 6 und einem aussenliegenden Frischluftrohr 7 besteht, wobei der Ringspalt zwischen den Rohren 6 und 7 den Zuluftkanal 8 und der Innenraum 9 des Rohres 6 den Abgaskanal bildet. Am Beginn des Abgaskanals 6 ist ein Gebläse 10 angeordnet. Der Innenraum 11 des Gehäuses 2 ist durch eine Wandung 12 unterteilt, in die ein Rohr stutzen 13 eingesetzt ist. Ober den Innenraum 14 dieses Rohrstutzens steht der Frischluft-Ringkanal 8 mit dem Innenraum 11'in Verbindung, in dem ein Brenner und wenigstens ein Wärmetauscher angeordnet sind. Hierbei bildet das Rohr 13 die Innenwandung eines Kanals, der dadurch aufgeheizt wird, dass zwischen dem im Abgaskanal 9 fliessenden heissen Abgas über die Wandung des Innenrohres 6 Wärme auf die Frischluft übertragen wird, die im Ringkanal 8 strömt. Diese vorerwärmte Frischluft beheizt die Innenwandung des Rohres 13. Aufgrund der Strahlung des im Innenraum 11 vorhandenen Brenners beziehungsweise Wärmetauschers wird die Wandung 13 zusätzlich aufgeheizt, so dass das im Innenraum 14 fliessende Medium in der Regel kühler ist als die Wandung 13, es können aber auch umgekehrte VerhAltnisse auftreten, beispielsweise beim Anfahren des Gerätes. Dem Innenraum. 14 ist ein Anströmkörper 15 zugeordnet, der aus einem massiven Kupferblock besteht. Dieser Block 15 ist wärmeisolierend im Rohr 13 befestigt. Dies kann über Kunststoffstege 16 geschehen, die recht klein bemessen werden können, da sie lediglich den Strömungsdruck aushalten müssen. Auf den beiden Seiten des ¯Kühl körpers 15 sind zwei Temperaturfühlerwiderstände angebracht. Der eine Fühler 17 ist ein elektrisch beheizter PTC-Widerstand, während der Fühler 18 als Siliciumtemperatursensor ausgebildet ist, der nur vom durchströmenden Medium in seiner Temperatur beeinflusst wird. Die baulichen Verhältnisse des Aufbaus beider Fühler auf dem Anströmkörper 15 sind so gewählt, dass sich die beiden Fühler thermisch nicht beeinflussen. Aus der Figur 2 geht eine Kurve 20 hervor, die den Verlauf des Widerstandswertes eines handelsüblichen PTC Widerstandes von einer Minimum-Umgebungstemperatur von etwa 20 0C bis zu einer Temperatur entsprechend P K beschreibt. Die Temperatur 9 K ist so definiert, dass die Kennlinie des PTC-Widerstandes in diesem Bereich eine angenäherte Sprungfunktion aufweist. Die Abszisse stellt die Temperatur im linearen Massstab, die Ordinate den Widerstandswert im logarithmischen Massstab dar. Der PTC-Widerstand wird so gestaltet, dass er im Bereich des Temperaturpunktes von 9 #K arbeitet. Es sei hierbei vor- ausgesetzt, dass es PTC-Widerstände mit der unterschiedlichsten Lage des Punktes M K gibt. Für das Ausführungsbeispiel ist ein 7P K-Wert von 180 0C gewählt. Erfindungsgemäss wird nun - vergleiche Figur 3 - vorgeschlagen, dass man den PTC-Widerstand an eine so grosse Spannung legt, dass die Eigenerwärmung aufgrund des ihn durchfliessenden Stroms so gross ist, dass sich der PTC Widerstand im Bereich der Kennlinie bewegt, die um den K-Punkt liegt. Diese Verhältnisse sind dann gewährleistet, wenn eine bestimmte Mindestspannung UF an den PTC-Widerstand angelegt wird. Gemäss Figur 3 wird von einer Geraden 21 ausgegangen, deren Lage dadurch definiert ist, dass im Punkt 22, der 9 K entspricht, diese Gerade die Abszisse schneidet. Die Temperatur entspricht hierbei dem bereits erwähnten Knickpunkt gemäss Figur 2. Ein zweiter Punkt der Geraden kann dadurch festgelegt werden, dass beispielsweise im Punkt 23 bei einer bestimmten vorwählbaren Temperatur 0 eine bestimmte vorgebb-are Spannung UO erzielt wird. Hierbei ist nur darauf zu achten, dass die bereits erwähnte Mindestspannung nicht unterschritten wird. Diese Mindestspannung ist in Figur 3 mit Umin. bezeichnet, die zu einem Punkt, 24 auf der Kennlinie führt, der eine bestimmte maximale Medi-umtemperatur zuzuordnen ist, die mit Wss max. bezeichnet wird. Aufgru-nd dieser Definitionen bleibt der den PTC=W-iderstand .:durchfliessende Strom unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant, wobei sich hierbei natürlich die Strömungsverhältnisse nicht ändern dürfen. Hieraus folgt, dass abweichende Strömungsverhältnisse zu abweichenden Strömen durch den PTC-Widerstand führen, die dann ihrerseits ein Mass für den Luftdurchsatz sind. Es zeigt sich aber auch, dass die hieraus entwickelte Schaltung beziehungsweise das ihr zugrundeliegende Verfahren den Einfluss der Umgebungstemperatur des Mediums kompensiert. Aus der praktischen Verwertbarkeit von PTC-Widerständen gemäss Figur 3 folgt, dass aus Gründen allzu hoher Fühler spannung der Punkt 2 K in seiner Temperatur möglichst hoch über die maximale Verwendungstemperatur gelegt werden sollte, mit anderen Worten, die Steilheit der Kurve 21 sollte einen gewissen Wert nicht überschreiten. Die Beschaltung des PTC-Widerstandes geht aus der Figur 3 hervor. Der PTC-Widerstand 30 liegt in Serie mit der Kollektor Emitterstrecke eines Transistors 31, der über einen Widerstand 32---an den einen Pol 33 einer Betriebsspannungsquelle 34 angeschlossen ist. Hierbei handelt es sich um eine einstellbare Gleichspannungsquelle. Das Ausgangssignal, das ein Mass für die Geschwindigkeit des den Kanal durchfliessenden Mediums darstellt, steht einerseits an einer Leitung 35, andererseits an einer Leitung 36 an, wobei die Leitung 36 an den Pol 33 gelegt ist und die Leitung 35 an einen Verbindungspunkt 37 zwischen dem Kollektor des Transistors 31 und dem Widerstand 32. Der Emitter des Transistors 31 ist mit einem Punkt 38 verbunden, der einerseits mit dem einen Anschluss des PTC Widerstandes 30, andererseits mit dem invertierenden Eingang 39 eines Operationsverstärkers 40 verbunden ist, dessen Ausgang über eine Leitung 41 mit der Basis des Transistors 31 verbunden ist. Der dem Punkt 38 abgewandte Anschluss des PTC-Widerstandes steht über eine Leitung 42 mit dem zweiten Pol 43 der Betriebsspannungsquelle 34 in Verbindung. Von der Leitung 42 zweigt eine Serienschaltung zweier Widerstände 44 und 45 ab, die mit dem Pol 33 verbunden ist und deren Mittelpunkt 46 über eine Leitung 47 mit einem Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 48 verbunden ist, dessen Ausgang über eine Leitung 49 den anderen Eingang des Operationsverstärkers 40 bildet. Bei dem Widerstand 44 handelt es sich um einen Festwertwiderstand, bei dem Widerstand 45 um einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, der als Temperaturfühler-Messwiderstand ausgebildet ist. Zu den Widerständen 44 und 45 liegen parallel zwischen der Leitung 42 und dem Pol 33 eine weitere Serienschaltung zweier Widerstände 50 und 51, deren Verbindungspunkt 52 mit einer Leitung 53 verbunden ist, die an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 48 gelegt ist. Bei den Widerständen 50 und 51 handelt es sich um Festwertwiderstände. Die Leitung 53 ist mit einem weiteren Widerstand 54 verbunden, der den invertierenden Eingang des Operationsvertärkers 48 mit dessen Ausgang verbindet und als Gegenkopplungswiderstand dient. Der Widerstand 45 ist bevorzugt als Siliciumwiderstand ausgebildet, er könnte ebensogut als Festwiderstand ausgebildet werden, wenn man einen Messwiderstand mit negativem Temperaturkoeffizienten anstelle des Festwertwiderstandes 51 anordnen würde. Für derartige Dimensionierungen sind dann die Anforderungen der Schaltung an den zu überstreichenden Temperaturbereich massgebend. Die eben beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt: Der linke Teil der Schaltung bis zum Ausgang des Operationsverstärkers 48 arbeitet als Temperaturmessschaltung. Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 48 und dem Pol 33 herrscht eine Spannung, die mit wachsender Temperatur des durchfliessenden Mediums ansteigt. Hierbei muss vorausgesetzt werden, dass der Messwiderstand 45 dem zu erfassenden Medium zugeordnet ist. Demgemäss nimmt die Spannung zwischen den Leitungen 42 und 49 mit der Temperatur des durchzusetzenden Mediums ab. Mit exakt dieser Spannung wird nun der PTC-Widerstand 30 beaufschlagt, diese Spannung entspricht der Fühlerspannung UF in Figur 3. Im stationären Messzustand arbeitet der Transistor 31 als Stromverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor, der Operationsverstärker 40 ist bestrebt, die Spannungsdifferenz zwischen den Leitungen 39 und 49 gegen Null zu halten. Das bedeutet, dass nahezu der gesamte Strom, der durch den PTC-Widerstand 30 fliesst, auch durch die Kollektor Emitterstrecke des Transistors 31 und damit durch den Widerstand 32 fliesst. Damit ist das an den Klemmen 35 und 36 parallel zum Widerstand 32 abgegriffene Signal proportional dem PTC-Strom. Die Variation der Fühlerspannung UF ändert sich mit der Temperatur des Mediums #M und zwar nach der Beziehung EMI10.1 wobei 0 eine beliebig vorgebbare Auslegungstemperatur in 0 Or, UO die dazu gehörige Spannung in Volt, QK die Sprung K temperatur des PTC-Widerstandes in Or *g$ die Mediumtempe M ratur und UF die Fühlerspannung in Volt sind. Diese Definition der Anderung der Fühlerspannung setzt aber fast idiale Sprungcharakteristik des PCT-Widerstandesver0aufs voraus. Diese Bedingung ist in der Praxis recht gut erfüllt, zur Erhöhung der Verfahrensgenauigkelt ist es jedoch mitunter zweckmässig, die endliche Steilheit der Kennlinie zu berücksichtigen und somit von der gegebenen Dimensionsregel abzuweichen. Somit wird ergänzend vorgeschlagen, die Fühlerspannung UF nach folgender Beziehung zu ändern: EMI11.1 wobei #0 eine beliebig vorgegebene Auslegungstemperatur in 0C ist, U0 die dazugehurige Auslegungsspannung in Volt, K die Sprungtemperatur des PCT-Widerstandes in C, vM die K di M Mediumtemperatur, UF die Fühlerspannung in Volt und ## eine Korrekturgrösse in 0C sind, die nach folgender Bezie hung festgelegt ist: EMI11.2 wobei p eine dimensionslose Zahl zwischen 0,1 und 10,0, RK der PTC-Widerstand in Ohm bei der Temperatur #K und a die K Steigung der PTC-Widerstandskennlinie in Ohm/ C bei der Temperatur pK sind. K In äquivalenter Weise ist es auch möglich, die Fühlerspannung nach der nun folgenden Beziehung zu ändern: EMI11.3 wobei #o eine beliebig vorgegebene Auslegungstemperatur in 0C ist, UO die dazugehörige Auslegungsspannung in Volt, vM die Mediumtemperatur in OC, UF die Fühlerspannung in Volt und p eine nach folgender Beziehung festgelegte Referenztemperatur sind; ; EMI11.4 wobei #r die im strömungslosen Zustand bei der Mediumtemperatur #M = #o und der Fühlerspannung UF UO gemessenen Fühlertemperatur in Or, Rr der Widerstandswert des PTC Fühlers bei der Fühlertemperatur #r in Ohm, p eine dimensionslose Zahl zwischen 1 und 10 und ar die Steigung der PTC Kennlinie bei der Temperatur "r in Ohm/ C sind.

Claims: A method of measuring the velocity of a fluid within a passage by means of a sensing resistor which has a positive temperature coefficient and a variable sensor voltage U F is applied to said resistor, which is subjected to the flow of the fluid, characterized in that the sensing resistor has a step characteristic, which is defined by an overexponential rise of the resistance, the sensing resistor is operated in the range of the overexponential resistance rise, the current flowing through the sensing resistor is used as a parameter which reflects the measured variable, and the sensor voltage U F is varied exclusively and linearly with the temperature ϑ M of the fluid. A method according to claim 1, characterized in that the sensor voltage U F is varied in accordance with the relation wherein ϑ O is any desired pregiven temperature in °C, U O is the associated voltage in volts, ϑ K is the step temperature of the PTC resistor in °C, ϑ M is the fluid temperature in °C and U F is the sensor voltage in volts. A method according to claim 1, characterized in that the sensor voltage U F varies in accordance with the relation wherein ϑ O is any desired pregiven temperature in °C, U O is the associated voltage in volts, ϑ K is the step temperature of the PCT resistor in °C, ϑ M is the fluid temperature in °C, U F is the sensor voltage in volts and Δϑ is a correcting variable in °C, which is determined in accordance with the following relationship relation: wherein p is a dimensionless number between 0.1 and 10, R K is the PCT resistance in ohms at the temperature ϑ K and a is the slope of the PCT resistance characteristic in ohm/°C at the temperature ϑ K . A method according to claim 1, characterized in that the sensor voltage U F varies in accordance with the relation wherein ϑ O is any desired pregiven temperature in °C, U O is the associated voltage in volts, ϑM is the fluid temperature in °C, U F is the sensor voltage in volts and ϑ p is a reference temperature, which is determined in accordance with the following relation: wherein ϑ r is the sensor temperature in °C measured in a flowless state at the fluid temperature ϑ M =ϑ O and the sensor voltage U F = U O , R r is the resistance of the PCT resistor at the temperature ϑ r in ohms, p is a dimensionless number between 1 and 10 and a r is the slope of the PCT characteristic at the temperature ϑ r in ohm/°C. An electric circuit for measuring the volocity of a fluid within a passage by means of a sensing resistor (30) which has a positive temperature coefficient and a variable sensor voltage U F is applied to said resistor, which is subjected to the flow of the fluid and carries a current which serves as a parameter which reflects the measured variable, and a temperature sensing circuit comprising a temperature sensing resistor (45), which is exposed to the same fluid and has an approximately linear temperature characteristic, characterized in that the resistance (30) having a positive temperature coefficient has a step characteristic, which is defined by an overexponential rise of the resistance, a voltage which is derived from the same voltage source (34) as the temperature sensing circuit is applied to the PTC resistor, and the output (49) of that temperature sensing circuit controls a controllable resistor 31, which is connected in series with the resistor (30) having a positive temperature coefficient. An electric circuit according to claim 5, characterized in that the resistor (30) having a positive temperature coefficient has a terminal that is directly connected to the temperature sensing circuit and another terminal that is connected to one terminal (43) of the supply voltage source (34) and one of the voltage supply lines of the temperature sensing means includes a sensing resistor (32) from which the measured-value signal is taken. A method of measuring the velocity of a fluid within a passage by means of a sensing resistor which has a positive temperature coefficient, and a variable sensor voltage U F is applied to said resistor, which is subjected to the flow of the fluid, characterized in that the resistor (30) having a positive temperature coefficient has a step characteristic which is defined by an overexponential rise of resistance, the PTC resistor is connected in series with a sensing resistor (32), from which the measured-value signal is taken, and the series circuit including said two resistors is connected at one end to a terminal of the supply voltage source and at the other end to the output (49) of the temperature sensing circuit, which comprises a temperature sensing resistor (45), which is exposed to the same fluid and has an approximately linear resistance-temperature characteristic. A circuit according to claim 5, characterized in that the output (49) of the temperature sensing circuit is connected to one input and the resistor (30) having a positive temperature coefficient is connected to the other input of the operational amplifier (40) and the output of the operational amplifier is connected to the control electrode of the controllable resistor (31). A circuit according to any of claims 5 to 8, characterized in that the temperature sensing circuit is operated with a predetermined and constant fractional part of the supply voltage and the output voltage of the temperature sensing circuit is re-amplified by the reduction factor. A circuit according to any of claims 5 to 9, characterized in that the temperature sensing resistor in the temperature sensing circuit is a silicon resistor (45).

Inventors: HANGAUER, WILFRIED, DR.
Applicants: JOH. VAILLANT GMBH U. CO., N.V. VAILLANT S.A., SCHONEWELLE B.V., VAILLANT GES.M.B.H, VAILLANT GMBH, VAILLANT LTD., VAILLANT S.A.R.L
Application year: 1985
Main classification: G01P5
IPC codes: G01F1, G01P5