DE19504496C2 - Verfahren zur Überwachung der Strömung strömender Medien - Google Patents
Verfahren zur Überwachung der Strömung strömender MedienInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Strömung strömender
Medien, bei welchem ein Meßsignal eines von mindestens einem Heizelement und
dem vorbeiströmenden Medium beeinflußten Temperaturmeßelements überwacht und
beim Über- oder Unterschreiten eines Schaltpunktes durch das Meßsignal des Tempe
raturmeßelements ein Ausgangssignal - "Strömungsstillstand" oder "Strömung vor
handen" - erzeugt wird.
Strömungsmeßgeräte der in Rede stehenden Art sind seit langem und in vielen Aus
führungsformen bekannt (vgl. deutsche Offenlegungsschrift 38 11 728). Bei diesen
Strömungsmeßgeräten, im folgenden immer Strömungswächter genannt, arbeitet man
im allgemeinen mit einer Differenztemperaturmessung. Ein erstes Temperaturmeßele
ment mißt eine durch ein Heizelement und durch das strömende Medium bestimmte
Temperatur, wobei sich diese Temperatur aus der Heizleistung des Heizelements und
der strömungsabhängigen Wärmeabfuhr durch das strömende Medium ergibt. Weiter
mißt ein zweites Temperaturmeßelement eine möglichst nicht von dem Heizelement,
sondern nur von dem strömenden Medium beeinflußte Referenztemperatur. Für den
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Referenztemperaturmessung nicht
zwingend notwendig. Sie kann beispielsweise entfallen, wenn die Temperatur des
strömenden Mediums bekannt ist. Insbesondere sind auch Strömungswächter be
kannt, die allgemein als "dynamisch" arbeitende Strömungswächter bezeichnet wer
den. Bei diesen Strömungswächtern wird das Heizelement nur während periodisch
wiederkehrender Zeitintervalle erhitzt. Die Überwachung der Strömung des strömen
den Mediums erfolgt bei den dynamisch arbeitenden Strömungswächtern dadurch,
daß der zeitliche Verlauf des Meßsignals des Temperaturmeßelements in den Zeiträu
men ausgewertet wird, in welchen das Heizelement nicht betätigt ist.
Strömungswächter nach dem kalorimetrischen Prinzip werden aufgrund ihrer robu
sten, zuverlässigen und problemlosen Eigenschaften in den verschiedensten Berei
chen der Strömungsüberwachung eingesetzt. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet dieser
Strömungswächter ist z. B. der Einsatz in Werkzeugmaschinen, bei denen eine
Schmier-/Kühlmittelüberwachung sicherzustellen ist. Bei diesen Anwendungsfällen
unterscheidet man zwischen den Zuständen "Strömungsstillstand" und "Strömung
vorhanden". Vorliegend interessiert insbesondere das jeweilige Übergangsverhalten
beim Umschalten zwischen diesen beiden Zuständen. Das Verhalten des Ausgangssi
gnals des Strömungswächters beim Umschalten ist nämlich, wie noch deutlich werden
wird, für die Funktionssicherheit beispielsweise einer Werkzeugmaschine maßgebend.
Die Arbeitsgeschwindigkeiten von Werkzeugmaschinen sind zum Teil so groß, daß
ein Fehlen des Schmier-/Kühlmittels von mehr als einer Sekunde oder von zwei Se
kunden zu einer Zerstörung des Werkzeugs führen kann (Metallbrand). Dies bedeu
tet, daß der Strömungswächter eine entsprechend kurze Reaktionszeit bei einem
Strömungsausfall oder einem Strömungsrückgang aufweisen muß. Hierzu liegt bei
den bekannten Strömungswächtern der Schaltpunkt bei eher niedrigen Temperatu
ren. Eine entsprechende Lage dieses Schaltpunktes ist in Fig. 1 der Zeichnung darge
stellt. Bei einer solchen Lage des Schaltpunktes, die auf eine kurze Reaktionszeit bei
Strömungsausfall abgestellt ist, ist insbesondere problematisch, daß eine Überwa
chung des tatsächlichen Strömungsstillstandes nicht möglich ist, da der Schaltpunkt
nahe bei der vollen Nennströmung liegt. Bereits ein geringer Strömungsabfall um ca.
20% hat zur Folge, daß der Schaltpunkt unterschritten wird, was wiederum bedeutet,
daß der Strömungswächter bereits bei einer Strömung von bis zu 80% der Nenn
strömung ein Ausgangssignal "Strömungsstillstand" ausgibt.
Im übrigen besteht eine weitere Aufgabe des Strömungswächters beim Einsatz z. B.
in Werkzeugmaschinen darin, die Strömung möglichst schnell zu erkennen. Die Bear
beitung des eingespannten Werkstücks darf erst dann erfolgen, wenn der Strö
mungswächter das Vorhandensein des Kühl-/Schmiermittels erkannt hat. Um hier
wertvolle Bearbeitungszeit zu sparen, soll selbstverständlich auch diese Erkennung
der Strömung möglichst schnell erfolgen. Aus dem Stand der Technik bekannt wird
hierfür eine Lage des Schaltpunktes nahe bei dem Meßsignal bei tatsächlichem Strö
mungsstillstand gewählt. Dies ist in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt. Man erkennt
nun unmittelbar, daß diese Einstellung auf eine kurze Reaktionszeit bei beginnender
Strömung einer Überwachung der Nennströmung mit ebenfalls kurzer Reaktionszeit
widerspricht, da die jeweils zu wählenden Schaltpunkte weit auseinanderliegen. Bei
der zuletzt geschilderten Lage des Schaltpunktes nahe dem Strömungsstillstand führt
bereits ein geringer Strömungsanstieg um ca. 20% dazu, daß der Schaltpunkt über
schritten wird, d. h. der Strömungswächter meldet bereits eine Strömung von 20%
der Nennströmung als "Strömung vorhanden".
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das in Rede stehende Verfahren so
auszugestalten und weiterzubilden, daß es bei seinem Einsatz eine kurze Reaktions
zeit sowohl bei der Überwachung der Nennströmung als auch bei der Überwachung
des Strömungsstillstandes gewährleistet.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte
Aufgabe gelöst ist, ist nun dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall des Ausgangs
signals "Strömungsstillstand" die Heizleistung gesenkt und/oder die Lage des Schalt
punktes hin zu höheren Werten verändert wird und für den Fall des Ausgangssignals
"Strömung vorhanden" die Heizleistung erhöht und/oder die Lage des Schaltpunktes
hin zu niedrigeren Temperaturen verändert wird, jedoch jeweils nur in solchem Maße,
daß sich dadurch das jeweilige Ausgangssignal nicht verändert. Somit ist beim Vor
handensein einer Strömung im Bereich der Nennströmung gewährleistet, daß sich das
Meßsignal in Folge der erhöhten Heizleistung und/oder der Lage des Schaltpunktes
bei niedrigeren Werten in der Nähe des Schaltpunktes befindet. Bei Abfallen der
Strömung wird in Folge der Erhöhung der Temperatur am Temperaturmeßelement so
fort der Schaltpunkt überschritten und das Ausgangssignal "Strömungsstillstand"
ausgegeben. Gleichzeitig mit der Ausgabe des Ausgangssignals "Strömungsstillstand"
oder geeignet verzögert dazu wird die Heizleistung des Heizelements zurückgenom
men und/oder die Lage des Schaltpunktes hin zu höheren Werten verändert, so daß
sich das Meßsignal wiederum in der Nähe des Schaltpunktes befindet. Hierdurch wird
wiederum gewährleistet, daß der Strömungsstillstand mit einer geringen Ansprechzeit
überwacht wird. Die hier geschilderten Maßnahmen und Vorteile betreffen nicht nur
die "statisch" arbeitenden Strömungswächter, sie sind auch auf die dynamisch arbei
tenden Strömungswächter übertragbar.
Im folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener, lediglich Ausführungsbei
spiele darstellender Verwirklichungen nochmals erläutert; es zeigt
Fig. 3 Strömung, Strömungssignal, Heizleistung und Ausgangssignal eines er
sten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Verwirklichung eines erfin
dungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 5a)-d) Meßsignale, Strömung, Ausgangssignal des ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens und Ausgangssignal eines bekann
ten Verfahrens,
Fig. 6a)-c) die unterschiedlichen Anteile des Meßsignals des ersten erfindungsge
mäßen Verfahrens, die Strömung und das Ausgangssignal des ersten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 7 die Abhängigkeit des Meßsignals von der Geschwindigkeit der Strö
mung und der Temperatur des Heizelementes,
Fig. 8 das Meßsignal in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Strömung
und der Temperatur des Heizelements, und verschiedene Übergangsver
läufe des Meßsignals beim Umschalten der Temperatur des Heizelemen
tes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver
fahrens,
Fig. 9a)-d) Meßsignale, Strömung, Ausgangssignal eines zweiten Ausführungsbei
spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und Ausgangssignal eines be
kannten Verfahrens und
Fig. 10a)-d) Meßsignal, Strömung, Ausgangssignal eines dritten Ausführungsbei
spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und Ausgangssignal gemäß ei
nem bekannten Verfahren.
Fig. 3 zeigt für ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens den
zeitlichen Verlauf des die Temperatur an einem von mindestens einem Heizelement
und dem vorbeiströmenden Medium beeinflußten Temperaturmeßelement wieder
spiegelnden Strömungssignals, der Heizleistung des Heizelementes und des den
Strömungszustand des strömenden Mediums wiedergebenden Ausgangssignals in
Abhängigkeit von einer zeitveränderlichen Strömung.
Im Bereich I findet keine Strömung statt, d. h. das Ausgangssignal "Strömungsstill
stand" wird ausgegeben und die Heizleistung des Heizelementes befindet sich auf ei
nem abgesenkten Niveau. Steigt nun die Strömung bis in den Bereich der Nennströ
mung an, hier Bereich II, so wird mit einer kurzen Reaktionszeit das Ausgangssignal
"Strömung vorhanden" ausgegeben, gleichzeitig die Heizleistung des Heizelementes
erhöht und somit das Strömungssignal im Bereich des Schaltpunktes gehalten, wo
durch, wie bereits erläutert, eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit gewährleistet ist.
Nimmt nun die Strömung wieder ab und gelangt somit in den Bereich des Strömungs
stillstandes, hier Bereich III, so erhält man mit einer kurzen Reaktionszeit das Aus
gangssignal "Strömungsstillstand". Entsprechend wird nunmehr wieder die Heizlei
stung des Heizelementes gesenkt.
In dem in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht die Gefahr, daß das Verfahren aufgrund der Umschaltung der
Heizleistung zu einer Schwingung des Ausgangssignal in Eigenresonanz führt. Eine
erste Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, daß die Veränderung
der Heizleistung des Heizelementes mit einer vorgegebenen Verzögerung nach der
Änderung des Ausgangssignals erfolgt. Diese Möglichkeit ist in der Zeichnung nicht
dargestellt.
In dem in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird die Heizleistung des
Heizelementes im Bereich IV stetig gesenkt, um zu verhindern, daß das Verfahren zu
einer Schwingung des Ausgangssignals in Eigenresonanz führt. Die Veränderung der
Heizleistung beim Übergang vom Zustand "Strömungsstillstand" zum Zustand "Strö
mung vorhanden" kann hingegen unstetig erfolgen, da die thermische Trägheit hier
ausreicht, um eine Eigenresonanz zu verhindern. Jedoch kann auch für diesen Fall
eine stetige Erhöhung der Heizleistung, z. B. bei starken relativen Änderungen der
Heizleistung und bei geringen Geschwindigkeiten der Strömungsänderung, die Ten
denz zur Eigenresonanz reduzieren.
In Fig. 4 der Zeichnung ist eine Schaltung zur Verwirklichung des ersten Ausfüh
rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Bei der Schaltung 1
sind ein Temperaturmeßelement 2 und ein Heizelement 3 als gemeinsame Baueinheit 4
ausgeführt. Diese Baueinheit 4 ist über einen Meßausgang mit einer Signalauswerte-
und Anzeigeeinheit 5 verbunden. An der Signalauswerte- und Anzeigeeinheit 5 liegt
eine Versorgungsspannung UB an. Die Signalauswerte- und Anzeigeeinheit 5 ist di
rekt mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 6 und über einen
ersten Widerstand 7 mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstär
kers 6 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 6 steuert einen parallel zu
einem zweiten Widerstand 8 angeordneten Transistor 9, dessen Emitter mit dem Plus
pol der Versorgungsspannung UB verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 9 und
der zweite Widerstand 8 sind einerseits mit dem Heizelement 3, andererseits über
einen Kondensator 10 mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstär
kers 6 verbunden. Außerdem ist parallel zum ersten Widerstand 7 eine Diode 11 ge
schaltet, die mit ihrer Anode mit dem Kondensator 10 verbunden ist.
Das in Fig. 3 dargestellte erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah
rens ist in Fig. 5 im Vergleich mit einem bekannten Verfahren in einer anderen Sicht
weise dargestellt. In Fig. 5a) sind die Meßsignale unterschiedlicher Verfahren, bei in
Fig. 5b) dargestellter wechselnder Strömung in Abhängigkeit von der Zeit darge
stellt. Hier sei angemerkt, daß ein Meßsignal, wie es in Fig. 5a) dargestellt ist, sich von
einem Strömungssignal, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, nur durch das Vorzeichen un
terscheidet.
Zunächst soll betrachtet werden der in Fig. 5b) oben dargestellte Fall, bei dem sich
die Strömung vom Strömungsstillstand zum Zeitpunkt t1 auf die Nennströmung, Ge
schwindigkeit der Strömung V = 1, erhöht. Für ein erstes bekanntes Verfahren ist in
Fig. 5a) der entsprechende Meßsignalverlauf durch eine doppelstrichpunktierte Linie
dargestellt. Man erkennt deutlich, daß der Schaltpunkt S von dieser doppelstrich
punktierten Linie erst zu einem relativ späten Zeitpunkt t4 unterschritten wird. Somit
wird, wie in Fig. 5d) oben dargestellt, erst mit großer Zeitverzögerung ein Ausgangs
signal "Strömung vorhanden" ausgegeben. Bei einem zweiten bekannten Verfahren,
dessen Meßsignal durch die strichdoppelpunktierte Linie dargestellt ist, wird, wie
auch bereits anhand von Fig. 1 erläutert, eine deutlich geringere Reaktionszeit erzielt.
Betrachtet man nun weiter den in Fig. 5b) unten dargestellten Fall, bei dem die Strö
mung zum Zeitpunkt t1 von Nennströmung auf Strömungsstillstand, V = 0, absinkt,
so beschreibt die in Fig. 5a) langgestrichelte Linie das Meßsignal des ersten bekann
ten Verfahrens. Man erkennt hier, daß in diesem Fall das erste bekannte Verfahren
eine kurze Reaktionszeit aufweist. Hingegen kann man an dem in Fig. 5a) sehr kurz
gestrichelt dargestellten Meßsignal des zweiten bekannten Verfahrens ablesen, daß
dieses erst mit deutlicher Verzögerung, zum Zeitpunkt t5, ein Ausgangssignal "Strö
mungsstillstand" liefert. Das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver
fahrens liefert hingegen, wie anhand der durch die gestrichelte und die durchgezo
gene Linie dargestellten Meßsignale in Fig. 5a) gezeigt, sowohl bei Strömungsan
stieg als auch bei Strömungsabfall mit sehr kurzen Reaktionszeiten, zum Zeitpunkt t2,
ein entsprechendes Ausgangssignal, wie in Fig. 5c) oben und unten dargestellt. Die
Reaktionszeit beim Strömungsabfall kann, wie anhand des in Fig. 5a) durch das
strichpunktiert dargestellte Meßsignal gezeigt, durch eine Erhöhung der Heizleistung
beim Ausgangssignal "Strömung vorhanden" weiter gesenkt werden. Eine solche Er
höhung der Heizleistung ist unproblematisch, da es aufgrund der Absenkung der
Heizleistung bei Unterschreiten des Schaltpunktes nicht zu einer Überhitzung des
Heizelementes kommen kann.
Die Notwendigkeit, bei dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver
fahrens eine Veränderung der Heizleistung im wesentlichen stetig vorzunehmen, wird
nun anhand von Fig. 6 weiter verdeutlicht. In Fig. 6 sind der besseren Anschaulich
keit wegen lineare Signalverläufe angenommen.
In Fig. 6 zeigt die strichpunktierte Linie den Anteil des Meßsignals, der auftreten
würde, wenn ab dem Zeitpunkt tH nur die Heizleistung geändert würde und die
Strömungsgeschwindigkeit konstant wäre. Dagegen zeigt die durchgezogene Linie
den Anteil des Meßsignals, der auftreten würde, wenn die Heizleistung konstant
bliebe und sich nur die Strömungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt t1 ändern würde.
Das tatsächliche Meßsignal setzt sich nun aus beiden Linien zusammen, da erfin
dungsgemäß die Heizleistung geändert wird, wenn sich die Strömungsgeschwindig
keit ändert. Das tatsächliche Meßsignal ist als sehr kurz gestrichelte Linie dargestellt.
Der besseren Anschaulichkeit halber ist die strichpunktierte Linie an dem Schalt
punkt S gespiegelt als gestrichelte Linie dargestellt. Die Differenz der Werte der
durchgezogenen Linie und der gestrichelten Linie ergibt die resultierende, sehr kurz
gestrichelte Linie, die im Interesse schnelle Reaktionszeiten möglichst nah am Schalt
punkt S liegen sollte, d. h. der Abstand D zwischen dem als sehr kurz gestrichelte Li
nie dargestellten tatsächlichen Meßsignal und dem Schaltpunkt S sollte möglichst
minimal sein. Unterschreitet die sehr kurz gestrichelte Linie zum Zeitpunkt t2 den
Schaltpunkt S, so muß durch eine entsprechende zeitliche Steuerung, z. B. eine Ver
zögerung der Heizleistungsänderung oder eine rampenförmige Heizleistungsände
rung, vermieden werden, daß die sehr kurz gestrichelte Linie wieder den Schalt
punkt S in entgegengesetzter Richtung überschreitet, so daß eine Schwingung des
Ausgangssignals auftritt. Wie in Fig. 6a) bis c) dargestellt, kann ein solches uner
wünschtes Schwingen des Ausgangssignals auch bei einer zeitlichen Verzögerung
der Veränderung der Heizleistung oder einer rampenförmigen Veränderung der Heiz
leistung dann auftreten, wenn die Strömung, wie in Fig. 6b) dargestellt, zeitweise
einen Wert zwischen der Nennströmung und Strömungsstillstand annimmt.
Um die Umstände näher zu erläutern, die zu einer unerwünschten Schwingung des
Ausgangssignals führen können, soll zunächst anhand von Fig. 7 die Abhängigkeit
des Meßsignals von der Geschwindigkeit der Strömung und der Temperatur des
Heizelementes betrachtet werden. In Fig. 7 ist die Abhängigkeit des Meßsignals von
der Geschwindigkeit der Strömung für zwei Heizleistungen P = 1 und P = 0,5 darge
stellt. Bei realen Strömungswächtern liegen diese Heizleistungen im Bereich von ca.
100 bis 1000 mW. Man erkennt in Fig. 7 deutlich, daß die Kurve des Meßsignals bei
der höheren Heizleistung auf insgesamt höherem Niveau verläuft. Entscheidend für
die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit bei der Ausgabe des Ausgangssignals
ist das höhere Niveau des Meßsignals bei der höheren Heizleistung und einer Strö
mung in Höhe der Nennströmung. Dieses höhere Niveau setzt sich zusammen aus
dem größeren Offsets UOff1 bei der Heizleistung P = 1 gegenüber dem Offsets
UOff0,5 bei der Heizleistung P = 0,5 bei Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb der
sogenannten Grenzströmungsgeschwindigkeiten Vmax einerseits und andererseits
der Tatsache, daß die Grenzströmungsgeschwindigkeit bei niedrigerer Heizleistung
P = 0,5, Vmax0,5, nur knapp über der Geschwindigkeit der Nennströmung liegt, wäh
rend die Grenzströmungsgeschwindigkeit bei höherer Heizleistung P = 1, Vmax1,
deutlich über der Geschwindigkeit der Nennströmung liegt.
In Fig. 8 sind nunmehr verschiedene Übergangsverläufe zwischen den beiden Meß
signalverläufen für verschiedene Heizleistungen dargestellt. Die Übergangsverläufe
beim Wechsel von P = 1 hin zu P = 0,5 sind in Fig. 8 sehr kurz gestrichelt dargestellt,
während die Übergangsverläufe beim Wechsel von P = 0,5 hin zu P = 1 gestrichelt
dargestellt sind. Die in Fig. 8 dargestellten Übergangsverläufe werden beeinflußt
durch die Heizleistungssteuerung, durch die Änderungen der Strömungsgeschwin
digkeit des strömenden Mediums, durch die Änderung von Wärmeübergangswider
ständen zwischen strömendem Medium und Heizelement bzw. Temperaturmeßele
ment und dadurch, daß der Heizleistungsnennwert nicht erreicht oder überschritten
wird. Dies kann einerseits, wie in Fig. 6 dargestellt, zu einem Schwingen des Aus
gangssignals führen, oder andererseits, wie bei einigen Übergangsverläufen in Fig. 8
dargestellt, dazu führen, daß das Ausgangssignal vor Erreichen eines stabilen Zustan
des mehrfach hin- und hergeschaltet wird. Ein solches Schwingen oder zeitweises
Hin- und Herschalten des Ausgangssignals kann dadurch vermieden werden, daß die
Veränderung der Heizleistung abhängig von der Temperatur am Temperaturmeßele
ment geregelt wird.
In Fig. 9, die im wesentlichen Fig. 5 entspricht, ist in Fig. 9a) mit der strichpunktierten
Linie der Verlauf eines Meßsignals dargestellt, bei dem unterschiedliche Einflüsse zu
einem unregelmäßigen Verlauf des Meßsignals führen. Bei dem in Fig. 9a) als strich
punktierte Linie dargestellten Meßsignal ergeben sich somit unzulässig große Varia
tionen des Abstands D des Meßsignals vom Schaltpunkt S. Diese Variationen lassen
sich durch eine Regelung der Heizleistung, abhängig von der Temperatur am Tempe
raturmeßelement, vermeiden.
Bei einer Regelung der Heizleistung abhängig von der Temperatur am Temperatur
meßelement muß beachtet werden, daß die Veränderung der Heizleistung, abhängig
vom Ausgangssignal, nur in einer Richtung erfolgt. Nur so kann gewährleistet wer
den, daß der Schaltpunkt S wieder überschritten werden kann.
Die Regelung der Heizleistung, abhängig von der Temperatur am Temperaturmeßele
ment, erfolgt besonders vorteilhaft dergestalt, daß die Veränderung der Heizleistung
einen im wesentlichen gleichen Abstand D zwischen Schaltpunkt S und Meßsignal
gewährleistet. So ist eine stets gleichbleibende kurze Reaktionszeit auf Änderungen
der Strömung gewährleistet.
Um das Heizelement nicht zu überlasten und um die Temperaturerhöhung des strö
menden Mediums durch das Heizelement nicht so weit abzusenken, daß eine Tempe
raturänderung des strömenden Mediums als Änderung der Strömung erkannt wird, ist
es sinnvoll, daß die Veränderung der Heizleistung innerhalb vorgegebener Grenzen
erfolgt.
Wie stark die relative Änderung der Heizleistung des Heizelementes ist, ist davon ab
hängig, wie groß die erwarteten relativen Strömungsdifferenzen sind. Dabei ist zu be
achten, daß die relative Änderung der Heizleistung um so geringer wird, je geringer
die erwarteten relativen Strömungsdifferenzen sind. Wird dieses nicht beachtet, so
neigt der Strömungswächter wiederum zur Eigenresonanz, d. h. der Schaltausgang
ändert seinen Zustand periodisch, ohne daß eine Änderung der Strömung vorliegt.
Insbesondere bei Anwendungen von Strömungswächtern in Werkzeugmaschinen, al
so bei Anwendungen, bei denen nur zwischen tatsächlichem Strömungsstillstand und
maximaler Strömung unterschieden wird, hat sich ein Wert von 50% für die relative
Änderung der Heizleistung als vorteilhaft erwiesen.
Alternativ oder kumulativ zur Veränderung der Heizleistung des Heizelements ist das
erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall des Aus
gangssignal "Strömungsstillstand" die Lage des Schaltpunktes hin zu höheren Wer
ten verändert wird (SH) und für den Fall des Ausgangssignal "Strömung vorhanden"
die Lage des Schaltpunktes hin zu niedrigeren Werten verändert wird (SN). Dadurch
wird im wesentlichen die gleiche Reduzierung der Reaktionsgeschwindigkeit des
Ausgangssignals auf Veränderungen der Strömung des strömenden Mediums erreicht,
wie bei der zuerst geschilderten Alternative, der Veränderung der Heizleistung.
Die alternative Verwirklichung der Veränderung der Lage des Schaltpunktes ist in
Fig. 10 in einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dar
gestellt. Fig. 10b) bis d) zeigen, wie in den Fig. 5 und 9, das Verhalten der Strömung,
das Ausgangssignal des dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ver
fahrens und das Ausgangssignal gemäß einem bekannten Verfahren. In der Fig. 10a)
ist dargestellt, wie die Veränderung der Lage des Schaltpunktes S hin zu SH bzw. SN
erfolgen kann, so daß eine deutliche Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit auf
eine Veränderung der Strömung des strömenden Mediums gewährleistet ist.
Analog zu der ersten Alternative der Veränderung der Heizleistung ist die zweite Al
ternative dadurch vorteilhaft ausgestaltet, daß die Veränderung der Lage des Schalt
punktes S mit einer vorgegebenen Verzögerung nach der Änderung des Ausgangssi
gnals erfolgt. Hierdurch ist gewährleistet, daß das Ausgangssignal nicht zum Schwin
gen neigt.
Alternativ oder kumulativ zur Verzögerung der Veränderung der Lage des Schalt
punktes ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Lage
des Schaltpunktes stetig hin zu niedrigeren Werten bzw. stetig hin zu höheren Wer
ten verändert wird. Auch durch diese Maßnahme, insbesondere die rampenförmige
Änderung des Schaltpunktes, wird die Neigung des Ausgangssignals zu Schwingun
gen vermindert.
Eine optimale Überwachung des Strömungszustands in Verbindung mit einer redu
zierten Neigung des Ausgangssignals zu Schwingungen wird dadurch gewährleistet,
daß die Veränderung der Lage des Schaltpunktes S abhängig von der Temperatur am
Temperaturmeßelement geregelt wird. Um bei der Regelung der Lage des Schaltpunk
tes S abhängig von der Temperatur am Temperaturmeßelement zu gewährleisten, daß
der Schaltpunkt S bei einer Änderung der Strömung hin zu dem vom Ausgangssignal
angezeigten Strömungswert wieder überschritten werden kann, ist das erfindungs
gemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Lage des
Schaltpunktes S abhängig von dem Ausgangssignal nur in einer Richtung erfolgt.
Diese Veränderung erfolgt vorzugsweise dadurch, daß sie einen im wesentlichen glei
chen Abstand zwischen Schaltpunkt S und Meßsignal gewährleistet, so daß eine stets
gleiche Reaktionszeit bei einer Änderung der Strömung des strömenden Mediums
gewährleistet ist. Aus den gleichen Gründen wie bei der Veränderung der Heizlei
stung ist es vorteilhaft, daß die Veränderung der Lage des Schaltpunktes S innerhalb
vorgegebener Grenzen erfolgt.
Wie bereits angesprochen, ist es möglich und vorteilhaft, die Änderung der Heizlei
stung des Heizelementes und die Änderung der Lage des Schaltpunktes S abhängig
vom Ausgangssignal kumulativ zu verwirklichen. Vorteilhaft ist die kumulative Ver
wirklichung insbesondere dann, wenn mit einer hohen Nennströmungsgeschwindig
keit gearbeitet wird, für die normalerweise eine entsprechend höhere Heizleistung er
forderlich ist. Bei einer kumulativen Verwirklichung der Heizleistungsumschaltung
und der Veränderung der Lage des Schaltpunktes S ist es auch bei hohen Nennströ
mungsgeschwindigkeiten möglich, übliche Heizleistungen zu wählen, so daß eine un
erwünschte Erhöhung der Heizleistung vermieden werden kann und gleichzeitig der
Abstand D zwischen dem Meßsignal und dem Schaltpunkt S nicht größer wird. Mit
einem Strömungswächter, der kumulativ sowohl die Heizleistungsumschaltung als
auch die Veränderung der Lage des Schaltpunktes S, abhängig vom Ausgangssignal,
realisiert, ist es also möglich, einen weitaus größeren Bereich der Nennströmungsge
schwindigkeiten des zu überwachenden strömenden Mediums abzudecken.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiter vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß bei
einem einen vorgegebenen Wertebereich unter- oder überschreitenden Abstand zwi
schen Meßsignal und Schaltpunkt S ein Störsignal - "unsicherer Bereich" - ausgege
ben wird. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ist sowohl bei statisch arbeitenden
Strömungswächtern als auch bei dynamisch arbeitenden Strömungswächtern vorteil
haft, da ein zu kleiner oder zu großer Wert für den Abstand D zwischen dem Meßsi
gnal und dem Schaltpunkt S erkannt wird, der auf einem internen oder externen
Fehler, z. B. einer ungeeigneten Heizleistungssteuerungskurve oder Abweichungen
von den vorgegebenen zeitlichen Strömungsgeschwindigkeitsänderungen beruht, so
daß man rechtzeitig Gegenmaßnahmen treffen kann, bevor ein falsches Ausgangssi
gnal oder ein schwingendes Ausgangssignal ausgelöst wird. Solche Wertebereiche
sind exemplarisch in Fig. 5a) dargestellt. In Fig. 5a) wird der obere Wertebereich
"zulässiger" Meßsignale durch die Grenzschaltpunkte So und So' begrenzt, während
der untere Wertebereich durch die Grenzschaltpunkte Su und Su' begrenzt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das erfindungsgemäße Verfahren da
durch, daß ein eine vorgegebene Zeitdauer nicht überschreitendes Störsignal - "unsi
cherer Bereich" - nicht ausgegeben wird. Hierdurch wird insbesondere bei dynamisch
arbeitenden Strömungswächtern eine dauernde Ausgabe des Störsignals bei Über-
oder Unterschreiten des Schaltpunktes vermieden.
Claims (17)
1. Verfahren zur Überwachung der Strömung strömender Medien, bei welchem ein
Meßsignal eines von mindestens einem Heizelement und dem vorbeiströmenden Me
dium beeinflußten Temperaturmeßelements überwacht und beim Über- oder Unter
schreiten eines Schaltpunktes durch das Meßsignal des Temperaturmeßelements ein
Ausgangssignal - "Strömungsstillstand" oder "Strömung vorhanden" - erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall des Ausgangssignals "Strömungsstill
stand" die Heizleistung gesenkt und/oder die Lage des Schaltpunktes hin zu höheren
Werten verändert wird und für den Fall des Ausgangssignals "Strömung vorhanden"
die Heizleistung erhöht und/oder die Lage des Schaltpunktes hin zu niedrigeren Wer
ten verändert wird, jedoch nur in einem solchen Maße, daß sich dadurch das jeweilige
Ausgangssignal nicht ändert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der
Heizleistung des Heizelementes mit einer vorgegebenen Verzögerung nach einer Än
derung des Ausgangssignals erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung
des Heizelementes stetig erhöht bzw. stetig gesenkt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Heizleistung des Heizelementes rampenförmig verändert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Veränderung der Heizleistung des Heizelementes abhängig von der Temperatur am
Temperaturmeßelement geregelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der
Heizleistung des Heizelementes abhängig vom Ausgangssignal nur in einer Richtung
erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung
der Heizleistung des Heizelementes für einen im wesentlichen gleichbleibenden Ab
stand zwischen Schaltpunkt und Meßsignal sorgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Veränderung der Heizleistung des Heizelementes innerhalb vorgegebener Grenzen
erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Änderung
der Heizleistung des Heizelementes umso geringer wird, je geringer die erwarteten
relativen Strömungsdifferenzen sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Veränderung der Lage des Schaltpunktes mit einer vorgegebenen Verzögerung nach
der Änderung des Ausgangssignals erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Schalt
punktes stetig hin zu niedrigeren Werten bzw. stetig hin zu höheren Werten verän
dert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verände
rung der Lage des Schaltpunktes abhängig von der Temperatur am Temperaturmeß
element geregelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der
Lage des Schaltpunktes abhängig vom Ausgangssignal nur in einer Richtung erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verände
rung der Lage des Schaltpunktes für einen im wesentlichen gleichbleibenden Ab
stand zwischen Schaltpunkt und Meßsignal sorgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die
Veränderung der Lage des Schaltpunktes innerhalb vorgegebener Grenzen erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei
einem einen vorgegebenen Wertebereich unter- oder überschreitenden Abstand zwi
schen dem Meßsignal und dem Schaltpunkt ein Störsignal - "unsicherer Bereich" -
ausgegeben wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine vorgegebene
Zeitdauer nicht überschreitendes Störsignal - "unsicherer Bereich" - nicht ausgege
ben wird.
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