NL1008665C1 - Mediumstroommeter. - Google Patents

Description

t

MEDIUMSTROOMMETER

Inleiding 5 De gepresenteerde uitvinding heeft betrekking op gas en/of vloeistof flow meettechnieken die gebruik maken van thermische effecten. Convectie speelt hierbij een rol: een zich bewegend medium voert warmte (energie) mee via de eigen warmtecapaciteit.

10 Een bekende sensor, waarbij van deze eigenschap gebruik gemaakt wordt, is de anemometer. De uitvoeringsvorm van een dergelijke meetinrichting bestaat veelal uit één of meerdere objecten die met een bepaald gedissipeerd vermogen verwarmd worden en waarbij de flow de 15 resulterende temperatuur van dat object beïnvloedt. Deze resulterende temperatuur is een maat voor de flow. Deze uitvoeringsvorm en methode noemt men de "Constant Power Anemometry" of kortweg CPA methode. Ook kan men de genoemde objecten op een constant temperatuurverschil 20 houden ten opzichte van een referentie-temperatuur en meten welk te dissiperen vermogen daarvoor benodigd is. Deze uitvoeringsvorm en methode noemt men de "Constant Temperature Anemometry" of kortweg CTA methode.

Daarnaast kan men de op thermische effecten gebaseerde 25 meetinrichtingen (mechanisch of fluid-technisch) onderverdelen in een drietal typen: (l) inrichtingen waarin het object geheel door het medium omsloten wordt zoals beschreven in US patent nr. 4651564 [Ri, 1987] en in [R2, 1993] ; 30 (2) inrichtingen waarbij het object niet alom in aanraking is met het medium zoals uitgebreid behandeld in [R3, 1995] en (3) inrichtingen, waarbij het object het medium, -tegenstelling tot (1)- juist omsluit (het medium stroomt door een buisvormige inrichting; het 35 object) zoals beschreven in US patent nr. 5036701 [R4, 1990] .

De bekende "Hot-wire anemometrie" meetinrichtingen zijn van het type (1), [R5,1995].

1008665 2

Een voorbeeld van dit type is ook'de werkwijze en inrichting zoals beschreven in [Rl,1993], waarbij het vermogen dat gedissipeerd wordt in het object constant gehouden wordt (CPA) en waarbij dan gekeken wordt naar de 5 temperatuur(verdeling) rondom het eerdergenoemde object.

Warmtebalans van een ob~ïect

De uitvinding heeft betrekking op het beheer van de 10 temperatuur van objecten welke in een termische interaktie met de omgeving zijn. Als ondersteuning bij de beschrijving van de uitvinding wordt eerst ingegaan op zogenoemde warmtebalans van een object.

Het gedrag van een object (met daarop bijvoorbeeld een 15 temperatuursensor en/of een verwarmingselement) in een thermische interaktie met de omgeving kan bestudeerd worden door te kijken naar de warmte balans van dat object.

De warmtebalans refereert naar het gegeven dat de toename 20 van de warmte Q (dimensie energie) welke opgeslagen is in het object gelijk is aan de warmte welke er naar toe getransporteerd is (Pin) of binnen het object gegenereerd is (Pgen) > minus de warmte welke afgevoerd is (Puit) en welke binnen het object geabsorbeerd (Pabs) is: 25 £x£iL=p. + p - p _ p (Fl) d t

Voor de duidelijkheid van de verdere beschrijving gaan we ervan uit dat de interne warmteabsorptie (bijvoorbeeld zoals via een interne chemische reactie of een fase-30 overgang) gelijk is aan nul (Pa±is=0) ·

De warmtecapaciteit van het object (C0bj) bepaalt de relatie tussen de opgeslagen warmte (energie) en de temperatuur van dat object (TDbj) : ?;«=— (F2) obj p '“'obj 35 De warmtebalans van een object wordt dan: 1008665 3 d(?obj _ p p _ p _ ^s«n + ^>nuil p. . _ p.

,, - v+ 'out — - ~- met ^inuit - n

d ' d' cobJ

Puit ; (P3) deze laatste formule of differentiaalvergelijking voor Tobj kunnen we in een integraalvorm schrijven: 5 r„bJ = -i-ƒ + ^„„)d i <F4) tobj

Een object is in evenwicht met de omgeving als geldt r0bj = constant (niet meer afhankelijk van de tijd). Dus voor dat object geldt dan: Pgen + Pinuit = 0 ofwel Pgen = -Pinuit·

Hieruit is duidelijk dat voor een situatie waarin de temperatuur van het object (T0bj) constant is er een balans is tussen het intern gegenereerd vermogen Pgen en 15 het in- en uitgaand vermogen Pinuit·

Temperatuur van een object

De temperatuur van een object dat in thermische 20 interaktie is met de omgeving met een stromend medium heeft in evenwicht een temperatuur die als volgt wordt weergegeven: τ*-τ-=-γΈτπ (F5) A + BJ\v\ T0bj is de object temperatuur, Tm is de medium en 25 omgevingstemperatuur, Pgen is de binnen het object gegenereerde warmte, A een constante om de warmtegeleiding van het object naar de omgeving weer te geven, B een constante om de invloed van de convectie van het medium op de objecttemperatuur weer te geven en v de 30 stromingssnelheid van het medium.

We zien hier vier van belang zijnde zaken: 1- Bij gegeven en vaste Pgen» A, B en v is de (absolute)temperatuur van het object recht evenredig met de mediumtemperatuur Tm.

1008665 4 2- Bij gegeven en vaste A, B en'v is het temperatuurverschil Tobj-rm evenredig met de intern gegenereerde warmte Pgen. Tobi - Tm = Constante· Pgai 3- De evenredigheidsconstante noemen we de 5 'flowgevoeligheid' van het object: 4- Alleen de grootte van de flow is van invloed op de temperatuur en niet het teken (positieve of negatieve richting).

10

Korte beschrijving van de figuren

In figuur 1 is een doorsnede gegeven van een meetinrichting voor flow. Het medium stroomt door een 15 buisvormige inrichting (l-l). Het te beschouwen object 01 (1-2) is omgeven door het medium.

In figuur 2 is de lokale (medium)temperatuur rond het object (ten opzichte van Tm=mediumomgevingsternperatuur) als functie van de plaats gegeven. Het object bevond zich 20 op plaats x=0. Het gedissipeerde vermogen (Pgen) in het object is constant (CPA methode).

In figuur 3 is de objecttemperatuur ten opzichte van medium Tm gegeven als een functie van de flow met een inrichting zoals weergegeven in figuur 1. In figuur 3 is 25 zichtbaar dat met een object in CTA mode geen richting van de flow gemeten kan worden.

In figuur 4 is de lokale temperatuur rond het object als functie van de plaats gegeven voor een inrichting zoals geschetst in figuur 6. Het gedissipeerde vermogen (Pgen) 30 in het object wordt zo geregeld dat het temperatuurverschil tussen het object en de mediumtemperatuur constant is (CTA methode). Om dit te kunnen bewerkstelligen is het nodig 'de mediumtemperatuur te meten met een additionele temperatuursensor (zie 35 hiervoor figuur 6) .

In figuur 5 is het vermogen Pgen gegeven dat nodig om het object op een vaste temperatuur ten opzichte van het medium te regelen. Bij een vaste absolute 1008ββϊ 5 objecttemperatuur is Pgen een functie van de mediumtemperatuur. De meetinrichting is geschetst in figuur 6.

In figuur 6 is een doorsnede gegeven van een 5 meetinrichting voor flow. Het medium stroomt door een buisvormige inrichting (6-1) . Het te beschouwen object 01 (6-2) is omgeven door het medium. De mediumtemperatuur wordt gemeten met een sensor S2 (6-3) .

In figuur 7 is een doorsnede gegeven van een 10 meetinrichting voor flow met twee objecten. Het medium stroom door een buisvormige inrichting (7-1). Twee objecten 01 (7-2) en 02 (7-3) worden omgeven door het medium.

In figuur 8 is de verschiltemperatuur van de twee 15 objecten 01 (7-2) en 02 (7-3) uit figuur 7 geschetst als functie van de flow van het medium.

In figuur 9 is een doorsnede gegeven van een meetinrichting voor flow. Het medium stroomt door een buisvormige inrichting (9-1). In de buis zijn drie 20 objecten 01 (9-2), 02 (9-4) en 03 (9-3) omgeven door het medium.

In figuur 10 is de temperatuur van de drie objecten Tl voor 01, T2 voor 02 en T3 voor 03 (steeds ten opzichte van de mediumtemperatuur) gegeven als functie van de flow 25 van het medium. De meetinrichting is gegeven in figuur 9. Het object 01 (9-2) wordt verwarmd met een constant vermogen Pgen. Object 02 (9-4) en object 03 (9-3) worden niet verwarmd.

In figuur 11 is de verschiltemperatuur van de objecten 02 30 (met T2) en 03 (met Γ3) gegeven als functie van de flow van het medium. Object 01 wordt met een constant vermogen aangestuurd (object 01 in CPA mode).

In figuur 12 is de temperatuur aangegeven van drie objecten in een meetinrichting zoals geschetst in figuur 35 9. Het object 01 (9-2) wordt verwarmd met een zodanig vermogen Pgen dat de temperatuur Tl van het object 01 (9-2) op een constante waarde boven die van het medium geregeld wordt. We hebben hier weer een additionele sensor nodig , welke niet in de figuur weergegeven is.

1008665 6

Objecten 02 (9-4) en object 03 (9-3) worden niet rechtstreeks verwarmd.

In figuur 13 is het temperatuurverschil van de twee objecten 02 (9-4) en 03 (9-3) weergegeven als functie van 5 de flow van het medium.

In figuur 14 is een blokschema weergegeven van de eigenlijke uitvinding. De uitvinding wordt in de verdere beschrijving uitgebreid behandeld.

In figuur 15 wordt een doorsnede gegeven van een 10 meetinrichting voor flow met twee objecten. Het medium stroom door een buisvormige inrichting (15-1). Twee objecten 01 (15-2) en 02 (15-3) worden omgeven door het medium. De mediumtemperatuur kan gemeten worden met een sensor S4 (15-4).

15 In figuur 16 is de temperatuurverdeling van als functie van de plaats gegeven voor een meetinrichting zoals weergegeven in figuur 15. De temperatuurverdeling is gegeven voor een viertal waarden van de flow (Flow=0, Flow=vl, Flow=v2, Flow=v3). De temperatuur van de twee 20 objecten 01 (15-2) en 02 (15-3) wordt met een regelaar op een temperatuurverschil Τχ-Τ2 = 0 geregeld.

In figuur 17 is de temperatuurverdeling van als functie van de plaats gegeven voor een meetinrichting zoals weergegeven in figuur 15. De temperatuurverdeling is 25 gegeven voor een viertal waarden van de flow (Flow=0; Flow=vl, Flow=v2, Flow=v3). De temperatuur van de twee objecten 01 (15-2) en 02 (15-3) wordt met een regelaar op een temperatuurverschil Ti~T2 = 0 geregeld. Daarnaast wordt de temperatuur van beide objecten ook op een 30 constante temperatuur ten opzichte van het medium gehouden met behulp van een sensor S3 (15-4) en een regelaar.

In figuur 18 is de verhouding Ρλ/ (Ρχ+Ρ2) van de vermogens Pi ( Pgen van object 1) en ?2 (Pgen van object 2) geschetst 35 die door de regelaar aangeboden worden om het temperatuurverschil Ti~T2 nul te regelen.

In figuur 19 is de verhouding (P1-P2) / (P1+P2) van vermogens Pi (Pgen van object 1) en P2 (Pgen van object 2) 1008665 7 geschetst die door de regelaar aangeboden worden om het temperatuurverschil Ti~T2 nul te regelen.

In figuur 20 is een meetinrichting geschetst met twee objecten in het medium. R1-R2 vormen samen object 01 en 5 R3-R4 vormen samen object 02. Ook is een elektronische schakeling geschetst, welke als regelaar functioneert om het temperatuurverschil T1-T2 naar nul te regelen (zoals geschetst in figuur 14). De figuur wordt verderop in de beschrijving uitgebreid behandeld.

10 in figuur 21 is een tweede uitvoering gegeven van de elektrische schakeling. Ook deze figuur wordt verderop in de beschrijving uitgebreid behandeld.

In figuur 22 is een derde uitvoering gegeven van de elektrische schakeling. Ook deze figuur wordt verderop in 15 de beschrijving uitgebreid behandeld.

In figuur 23 is een vierde uitvoering gegeven van de elektrische schakeling. Deze bevat een inrichting om de offset zoals aangegeven in figuur 14 door een controller weg te regelen. Ook deze figuur wordt verderop in de 20 beschrijving uitgebreid behandeld.

In figuur 24 is een vijfde uitvoering gegeven van de elektrische schakeling. Ook deze figuur wordt verderop in de beschrijving uitgebreid behandeld.

In figuur 25 is een meetinrichting gegeven met twee 25 objecten, waar het medium nu door de objecten stroomt. De objecten bestaan ieder uit een temperatuurafhankelijke weerstand, welke het object-vermogen Pgen kan dissiperen en welke tegelijkertijd als een temperatuursensor van het betreffende object functioneert. Deze figuur wordt 30 verderop in de beschrijving uitgebreid behandeld.

In figuur 26 is een meetinrichting gegeven met twee objecten, waar het medium nu door de objecten stroomt. De objecten bestaan ieder uit een weerstand, welke het object-vermogen Pgen kan dissiperen. Het 35 temperatuurverschil van de twee objecten wordt gemeten met behulp van een serie thermokoppels of thermozuil.

Deze figuur wordt verderop in de beschrijving uitgebreid behandeld.

1008665 8

In figuur 27 is een bijzondere uitvoering gegeven van de meetinrichting zoals weergegeven in figuur 25.

In figuur 28 is een bijzondere uitvoering gegeven van de uitvinding met meerdere objecten. Voordeel is de 5 ingebouwde redundantie. Als een van de dissipatoren en/of temperatuursensoren faalt, kan de regelaar dit constateren en de betreffende objecten 'afschakelen'.

In figuur 29 is een uitvoeringsvorm van een meetinrichting gegeven, waar het medium door het object 10 stroomt.

In figuur 30 is een uitvoeringsvorm van een meetinrichting gegeven op basis van de uitvinding, waar een het medium door twee objecten stroomt.

In figuur 31 is een uitvoeringsvorm van een 15 meetinrichting gegeven op basis van de uitvinding, waar een het medium door een buisvormige constructie stroomt waarin zich de twee eerdergenoemde objecten bevinden.

In figuur 32 is een uitvoeringsvorm van een meetinrichting gegeven op basis van de uitvinding, waar 20 een het medium door een buisvormige constructie stroomt waarin zich de twee eerdergenoemde objecten bevinden, welke als een 1 probe' de buisvormige constructie insteken.

In figuur 33, 34 en 35 een uitvoeringsvorm gegeven van 25 een meetinrichting op basis van deze uitvinding, waar de twee objecten gescheiden worden van het medium met behulp van een dunne wand. De objecten hebben een thermische interaktie met het medium.

In figuur 36 (dwarsdoorsnede) en figuur 37 30 (bovenaanzicht) is een uitvoeringsvorm gegeven van een stroommeter op basis van deze uitvinding bestaande uit een halfgeleider structuur.

Figuur 38 toont een dwarsdoorsnede door een kunststof drager met daarop twee objecten, ieder omvattende twee 35 weerstandselementen.

Figuur 39a toont een foto van een uitvoering met twee objecten met ieder twee weerstandselementen, conform de figuren 36 en 37.

1008665 9

Figuur 39b toont een foto van een' uitvoering met drie objecten met elk één weerstandselement.

Achtergrond van de uitvinding 5

- Stroommeters type: X

Een basisschets van dit type mediumstroommeetinrichtingen is weergegeven in figuur 1.

Ze bestaan uit een object dat in evenwicht is met de 10 omgeving. Men gebruikt bij deze types zowel de CPA methode (figuur 3) als de CTA methode (figuur 5).

In CPA modus is de mediumtemperatuur rechtstreeks van invloed op de objecttemperatuur

In CTA modus is de mediumtemperatuur rechtstreeks van 15 invloed op de Pgen om de absolute objecttemperatuur constant te regelen.

In beide modi is uit het uitgangssignaal van de meetinrichting niet meer de richting (positief of negatief) van de flow te halen.

20 Dit zijn een bekende nadelen van dit type stroommeetinrichtingen.

- Stroometers type: XX

Een basisschets van dit type mediumstroommeetinrichtingen is weergegeven in figuur 6. Door met een additionele 25 sensor wordt de mediumtemperatuur gemeten.

Men gebruikt bij deze types opnieuw zowel de CPA methode (figuur 3) als de CTA methode (figuur 5).

Bij type XX ondervangt men een belangrijk nadeel die stroommeters type X bezitten doordat men nu de 30 mediumtemperatuur kent.

Nog steeds is uit het uitgangssignaal van de meetinrichting niet meer de richting (positief of negatief) van de flow te halen.

Dit is een bekend nadeel van dit type 35 stroommeetinrichting.

- Stroommeters type: XXX

Een basisschets van dit type mediumstroominrichtingen is weergegeven in figuur 7. Bij dit type worden twee objecten gebruikt.

1008665 10

Men gebruikt nu beide objecten zoals eerder geschetst bij type X. Bekend is het gebruik van dit type in de CPA methode. Nu is het mogelijk om de richting van de flow te bepalen. Een bekend voorbeeld van dit type is de 5 'microflown' [R6,1995; R7, 1997]. Het uitgangssignaal is een functie van het temperatuurverschil van de twee objecten. Een bekend nadeel is dat het nulpunt van dit type meetinrichtingen sterk afhankelijk van de mediumtemperatuur. Een ander bekend nadeel is dat voor 10 hogere flow waarden de verschiltemperatuur tussen de twee objecten weer afneemt.

Men gebruikt bij dit type ook de CTA methode door object 01 (7-2) op een constant temperatuurverschil (ongelijk nul) met het andere object 02 (7-2) te houden. In dit 15 geval is een nadeel dat de meetinrichting nu werkt voor flow in één richting.

- Stroommeter type: IV

Bekend is de stroommeetinrichting met drie objecten in het medium zoals weergegeven in figuur 9. Een voorbeeld 20 van dit type is de inrichting van Lammerink [R3, 1993] . Hier maakt men gebruik van de CPA methode. De temperatuur als functie van de plaats is gegeven in figuur 10. Het temperatuurverschil van de twee objecten 02 (9-4) en 03 (9-3) is geschetst in figuur 11. Het uitgangssignaal is 25 een functie van het temperatuurverschil van twee objecten. Een bekend nadeel is dat het nulpunt van dit type meetinrichtingen sterk afhankelijk van de mediumtemperatuur. Een ander bekend nadeel is dat voor hogere flow waarden de verschiltemperatuur tussen de twee 30 objecten (zie figuur ll) weer afneemt.

Bekend is het gebruikt van object 01 (9-2) in de CTA mode. De temperatuurverdeling als functie van de plaats lijkt dan sterk op die zoals weergegeven in figuur 4. De temperaturen van de drie objecten als functie van de flow 35 is weergegeven in figuur 12. In figuur 13 is het temperatuurverschil van de objecten 02 (9-4) en 03 (9-3) weergegeven. Een bekend nadeel is dat het nulpunt van dit type meetinrichting sterk afhankelijk van de mediumtemperatuur.

1008665

II

Ook bekend is de meetinrichting zoals beschreven in US patent nr. 4651564 [01, 1987]. Bij deze inrichting maakt men gebruik van twee objecten in het medium. Er wordt gebruik gemaakt van één verwarmingselement dat 5 verdeeld is over de twee objecten. Daarnaast bezitten beide objecten een temperatuurafhankelijke weerstand als temperatuursensor. Nadeel is dat men niet het gedissipeerde vermogen in beide objecten onafhankelijk van elkaar kan regelen.

10 Bekend is de meetinrichting zoals beschreven door van Putten [R8, R9]. Met behulp van één constructie met meerdere weerstand elementen wordt flow in twee loodrecht op elkaar staande richtingen gemeten.

Een nadeel hierbij is dat het gedissipeerde vermogen in 15 de verwarmingselementen niet onafhankelijk van elkaar instelbaar is.

Bekend is de methode zoals beschreven door Huijsing [R10] om de temperatuur van een object constant te houden (CTA modus). Deze methode kan bij deze uitvinding toegepast 20 worden om de temperaturen van beide objecten te regelen en is daarmee een voorbeeld van een regelaar. Een nadeel van die methode is dat ze gekoppeld is aan een digitaal klok signaal en een zogenoemd 'synchroon' digitaal circuit is.

25

Uitvinding

Een blokschema van de voorgestelde uitvinding is weergegeven in figuur 14. Een uitvoeringsvorm voor de 30 constructie met twee objecten in een buisconstructie is weergegeven in figuur 15.

De voorgestelde uitvinding maakt gebruik van 2 objecten, welke een thermische interaktie met hun omgeving kennen, die op één of andere wijze beïnvloed wordt door de flow.

35 De objecten kennen ieder een warmtetoevoer met behulp van minstens één actuator of dissipator en de objecten kennen minstens één temperatuursensor voor het meten van de obj ecttemperatuur.

1008665 12

Ook kent de voorgestelde uitvinding een analoge of digitale (wel of niet proportionele) regelaar die ervoor zorg draagt dat via het genereren van warmte in de object dissipatoren de temperatuur van de objecten zodanig 5 aangepast wordt dat het temperatuurverschil van beide objecten gelijk wordt aan nul.

In de verdere aanvraag wordt met een dissipator een warmtebron die elektrisch vermogen omzet in warmte. Dit is een functionele naam en een functioneel begrip. De ίο functie kan verricht worden door een 'elektrische weerstand', maar ook door een 'actief element' zoals bijvoorbeeld een transistor bipolair NPN, PNP, MOST, FET, IGBT etc. of een diode, of bijvoorbeeld een peltier-element (met eigenschap van een mogelijke negatieve 15 warmtestroom; koeling) .

De objecten bezitten ieder een temperatuursensor, die gebruikt wordt om de objecttemperatuur te meten. Ook de temperatuurmeting wordt voorgesteld als een functie. Het woord 'sensor' is een functionele naam. De 20 temperatuursensor hoeft niet noodzakelijkerwijs een (temperatuurafhankelijke) weerstand te zijn, maar kan een willekeurig element zijn met die functie (bekend zijn onder meer (halfgeleider) elementen zoals weerstanden, transistoren, Bipolair, MOST, CMOST, IGBT, andere 25 meerderheids/ minderheidsladingsdrager-elementen zoals dioden, weerstanden). Ook thermokoppels kunnen dienst doen als temperatuursensor.

De detailbeschrijving van de volgt aan de hand van figuur 30 14. De regelaar genereert (elektrische) vermogens Px en P2. Deze elektrische vermogens worden door de dissipatoren omgezet in warmtestromen Pgenl en pgen2 · De objecten bezitten ieder een warmtecapaciteit door welke capaciteit de beide totale warmtestromen ((Pgeni+iinuiti) 35 en (Pgen2 + i5inuit2) ) geïntegreerd tot fysische objecttemperaturen Τχ en T2. Via de warmtestromen PinUiti en Pinuit2 hebben de objecten hun thermische interaktie met de omgeving en het te meten medium.

1008665 π

De beide objecttemperaturen worden gemeten met behulp van temperatuursensorl en temperatuursensor2_ en zetten de fysche temperaturen om in elektrische signalen. Door deze signalen van elkaar af te trekken ontstaat het 5 elektrische signaal T12. Van dit signaal wordt via een optionele calibratieoffsetschakeling het elektrische signaal Δτ gevormd. De offsetschakeling wordt verderop uitgebreid toegelicht. Voor nu stellen we Calibratieoffset=0.

10 Als gevolg van de werking van de regelaar zullen de temperaturen van beide objecten aan elkaar gelijkgeregeld worden. Dit resulteert in temperatuurverdelingen in de omgeving van de objecten als functie van de plaats zoals weergegeven in figuur 16 en in figuur 17.

15 De twee temperaturen van de twee objecten Tl en T2 zijn gelijk (of worden geregeld opdat ze gelijk worden). De warmtestromen Pgeni en pgen2 (zie (F5) ) die hiervoor benodigd zijn zijn bij een zekere flow voor beide elementen verschillend. Bij een positieve flow ondervindt 20 object2 een flow van een medium dat reeds voorverwarmd is door objectl. De asymmetrie in de beide warmtestromen is een maat voor de flow. Naast de stuurvermogens PI en P2 levert de regelaar ook een 'informatiesignaal': Juit aan de uitgang. Het uitgangssignaal Juit = P1/(P1+P2) is 25 weergegeven in figuur 18. Het uitgangssignaal JUit = (P1-P2) /(P1 + P2) is weergegeven in figuur 19.

Een voordeel van de beschreven uitvinding is dat het in figuur 18 (en in figuur 19) geschetste elektrische 30 uitgangssignaal in eerste benadering onafhankelijk is van het totale vermogen Ptot=pi+p2 dat in beide objecten samen gedissipeerd wordt.

De uitgangssignaal behorend bij een CPA (Constant Power 35 Anemometry: Ptot = P1 + P2 = constant, Δτ=0; temperatuurverdeling figuur 17) is in eerste instantie gelijk aan het uitgangssignaal behorend bij CTA (Constant 1008665 14

Temperature Anemomety T\, T2=constant, Δτ=0; temperatuurverdeling figuur 17).

Het uitgangssignaal hangt in eerste benadering niet af van de temperatuur van de objecten of van het totaal 5 gedissipeerde vermogen in de objecten, maar alleen van de stroming van dat medium.

Een ander voordeel van de uitvinding is dat in de CTA mode de gevoeligheid van de temperatuursensoren niet van 10 invloed is op het uitgangssignaal (Juit) van de regelaar.

Een bekend probleem is de systematische fout in het elektrische temperatuurverschilsignaal T12 (zie figuur 14). Deze systematische fout kan men voorkomen door 15 gebruik te maken van twee thermokoppels of een thermozuil (zie figuur 26) als temperatuur(verschil)sensor. Door de aard van de termokoppels of termozuilen kennen deze geen systematisch offsetfout.

Bij gebruik van dit type temperatuursensoren in de 20 voorgestelde uitvinding heeft men een 'natuurlijk' nulpunt voor de flowmeetinrichting verkregen, zonder een systematische fout.

- calibratiemogelijkheid 25 Het regelkriterium is om het fysieke temperatuurverschil tussen de beide objecten gelijk aan nul te regelen. Door in een calibratieprocedure de regelaar in een calibratiestand te brengen en tegelijkertijd de beide vermogens Ρλ en P2 gelijk te maken aan nul: £^=0, P2=0 30 zullen de beide objecten afkoelen en na een zekere tijd de temperatuur aannemen van het medium en de omgeving en dus van nature aan elkaar gelijk gaan worden (zonder actieve regelaar)zodat T~i=T2 . Dit zal ook plaatsvinden in een -stomend- medium.

35 Na de afkoelperiode zodat Ti=T2 kan het elektrische signaal T12 gemeten worden en kan het 'Calibratieoffset' zodanig gemaakt worden dat het elektrische signaal Δτ=0. Deze 'Calibratieoffset' waarde kan na de calibratiefase 1008665 5 15 als een compensatie van de systematische fout van de temperatuursensoren gebruikt worden.

- zelfdiagnose

Doordat de regelaar in staat is om Δτ naar nul te regelen is het ook duidelijk wanneer dit doel niet gehaald wordt. De wel of niet halen van het gestelde doel vormt io rechtstreeks een criterium voor het functioneren van de stroommeting en deze informatie is als zodanig bruikbaar.

Opgemerkt wordt, dat de uitgangssignalen zoals in figuren 18 en 19 getekend mede afhankelijk zijn van diverse met 15 het medium samenhangende parameters, zoals de dichtheid van het medium, de soortelijke warmte van het medium en de stroomsnelheid.

Uitvoeringsvormen 20

De uitvinding kent zowel verschillende uitvoeringsvormen voor wat betreft de elektrische schakeling en de regelaar als de constructie van de objecten met betrekking tot het stromende medium.

25 Allereerst worden een zevental elektrische uitvoeringsvormen van de uitvinding beschreven aan de hand van figuur 20 tot en met figuur 26.

Een generieke uitvoeringsvorm van de uitvinding is 30 weergegeven in figuur 24. Hier worden twee temperatuurafhankelijke weerstanden als objecten toegepast. De objecten bevinden zich omringt door het stromend medium. Door de elektrische stromen I\,l2 op te leggen en de resulterende spanningen VltV2 te meten kent 35 de regelaar de vermogens {Pgeni=Ii*vi) en (pgen2=J2*v2^ die in beide objecten gedissipeerd en gegenereerd worden. Ook kent de regelaar de temperatuur van beide objecten door tegelijkertijd νχ/Ιen V2/I2=R2 te bepalen.

1008665 16

In de regelaar kan met ook een kalibratieprocedure implementeren opdat gedurende die procedure de regelaar stopt, de vermogens Ρχ en P2 nul maakt en de systematisch fout detecteert en via een calibratie-offsetwaarde 5 vastlegt.

Getekend is een digitale (wel of geen proportionele) regelaar met twee Analoog-Digitaal omzetters en twee Digitaal-Analoog omzetters. De voorgestelde regelaar kan ook analoog uitgevoerd worden, waarbij de vier genoemde 10 omzetters vervallen.

In de figuur 20 tot en met figuur 23 worden uitvoeringsvormen van de uitvinding gegeven, waarbij de verschiltemperatuur geregeld wordt van twee objecten in een mediumstroom. De objecten bestaan steeds uit een 15 combinatie van twee weerstandelementen die hecht met elkaar in thermisch contact zijn. De weerstand R1 en de weerstand R2 vormen samen met hun innige thermische verbinding een object dat we beschouwen als object R1#R2 en de weerstanden R3 en R4 vormen samen een object de we 20 beschouwen als object R3#R4.

Door de aard van de uitvoering van elektrische circuits zoals weergegeven in figuur 20 tot en met 23 gaan deze circuits van nature oscilleren met hun eigen specifieke zogenoemde vrijloopfrequentie.

25 De temperatuurafhankelijke weerstanden R2 en R3 die als temperatuursensoren van de objecten Rl#R2 en objecten R3#R4 functioneren zijn steeds opgenomen in een brugschakeling. De weerstanden hebben een positieve temperatuurscoëfficient.

30 De weerstand Rl vormt de dissipator van het object R1#R2 ' en de weerstand R4 vormt de dissipator van het object R3#R4. Door een comparator wordt het uitgangssignaal van de eerdergenoemde brugschakeling geëvalueerd en wordt geconstateerd of object R1#R2 een hogere dan wel een 35 lagere temperatuur heeft dan object R3#R4. Indien object Rl#R2 een hogere temperatuur heeft dan object R3#R4 zal de uitgang van de comparator 'laag' zijn en zal via de inverter de ingang van elektronische schakelaar Q2 'hoog' zijn en opengestuurd worden. Hierdoor zal weerstand R4 1008665 17 gaan dissiperen totdat het uitgangssignaal van de brug omslaat. Op dat moment is de temperatuur van object R3#R4 hoger dan die van object R1#R2. De comparator zal dan opnieuw omslaan en de uitgang van de comparator wordt 5 'hoog'. Hierdoor zal schakelaar Q1 opengestuurd worden en zal weerstand R1 gaan dissiperen. Q2 zal dichtgestuurd worden en weerstand R4 zal stoppen met dissiperen.

Het beschreven circuit zal gaan oscilleren met een frequentie die bepaald wordt door de tijdsconstanten van 10 de objecten Rl#R2 en R3#R4. De signaalvorm op de plaats 'Info uit' in het circuit zal de in de figuur geschetste vorm hebben. Gedurende ti zal weerstand R1 dissiperen en gedurende t2 zal weerstand R4 dissiperen. Doordat beide schakelaars identiek zijn en de dissipatieweerstanden met 15 dezelfde voedingsspanning gevoed worden zal op het moment dat een weerstand dissipeerd het momentane vermogen dat gedissipeerd wordt voor beide weerstanden gelijk zijn. Hierdoor is de tijd dat de schakelaars 'aan' staan een directe maat voor het gemiddelde vermogen dat in de 20 weerstanden gedissipeerd wordt.

Hiermee is de verhouding van de tijden tl/(tl+t2) gelijk aan de vermogensverhouding P1/(P1+P2) (zie figuur 18).

Ook de verhouding (tl-t2)/(tl+t2) is gelijk aan (Pl-P2)/(P1+P2) (figuur 19).

25 In de uitvoeringsvorm zoals weergegeven in figuur 21 stuurt de comparator rechtstreeks de dissipatorweerstanden R1 en R4 en wordt het gebruik van additionele elektrische schakelaars zoals Q1 en Q2 in figuur 20 omzeild.

30 De uitvoeringsvorm van de uitvinding zoals geschetst in figuur 22 is sterk vergelijkbaar met de uitvoeringsvorm van de uitvinding zoals geschetst in figuur 20. Hier wordt het gebruik van de inverteerschakeling omzeild door de elektrische schakelaar Q1 rechtstreeks te koppelen aan 35 de uitgang van schakelaar Q2. De functionele werking van l de elektronische schakeling in deze uitvoeringsvorm is J verder gelijk aan die zoals weergegeven in figuur 20.

1008065 18

De andere uitvoeringsvorm van de Uitvinding is weergegeven in figuur 23. In deze uitvoeringsvorm is een (digitale) controller schakeling opgenomen. De controller beheert via het 'controle' signaal een Aan/uit/Inv 5 circuit.

In dit circuit zijn de twee temperatuursensoren R2 en R3 opgenomen in een (halve) brugschakeling die op de positieve ingang van een comparator geschakeld is. De andere helft van de brugschakeling wordt gevormd door de 10 weerstanden R5 en R6.

Via het aan/uit-inverter circuit kan de controller de elektrische schakelaars Ql en Q2 schakelen zoals weergegeven in figuur 20, maar kan de beide schakelaars ook tegelijkertijd 'uit' zetten.

15 In de stand van beide schakelaars 'uit' zet de controller het circuit is een calibratie-toestand. De inrichting werkt op dat moment niet meer als stroommeter. In die situatie zullen de beide objecten niet meer dissiperen en de temperatuur van het medium aan gaan aannemen. Na een 20 zekere wachttijd, waarin de objecten fysiek een gelijke temperatuur hebben gekregen kan de controller met behulp van een AD converter en een DA convertercircuit de calibratieoffset waarde bepalen en in een eigen geheugen opslaan.

25 In de calibratiefase wordt de uitgang van de comparator gemonitord door een AD converter.

De DA converter injecteert een (kleine) offset-stroom op de negatieve ingang van de comparator. De controller regelt met behulp van de DA converter de eerdergenoemde 30 offsetstroom zodanig dat de comparator juist omslaat. De waarde van de offsetstroom die hoort bij dit juist omslaan van de comparator is in de uitvinding bedoelde calibratieoffsetwaarde.

Een uitvoeringsvorm van de uitvinding is weergegeven in 35 figuur 25. Hier worden twee temperatuurafhankelijke weerstanden als objecten toegepast. Door de elektrische stromen Xi,l2 op te leggen en de resulterende spanningen νλιν2 te meten kent de regelaar de vermogens (Pgeni=Ii*vi) en (-Pgen2 = -^2*) die in beide objecten gedissipeerd en 1008665 19 gegenereerd worden. Ook kent de regelaar de temperatuur van beide objecten door tegelijkertijd V1/I1=R1 en V2/l2=R2 te bepalen.

Getekend is een digitale (eventueel proportionele) 5 regelaar met twee Analoog-Digitaal omzetters en twee Digitaal-Analoog omzetters, maar de regelaar kan natuurlijk ook analoog uitgevoerd worden, waarbij de omzetters vervallen.

Een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding is 10 weergegeven in figuur 26. De twee objecten bestaan hier uit weerstanden enerzijds en thermokoppel temperatuursensoren anderzijds.

Hier wordt net als in figuur 25 gebruik gemaakt van weerstanden als dissipatoren voor de generatie van warmte 15 in de objecten, maar wordt in tegenstelling tot de uitvoeringsvorm van figuur25 gebruik gemaakt van een termozuil als temperatuurverschilsensor van de twee obj ecten.

Het vermogen dat in beide weerstanden gedissipeerd wordt, 20 wordt op dezelfde wijze als bij de uitvoeringsvorm van figuur 25 geregeld en berekend.

De thermozuil genereert rechtstreeks een verschilsignaal evenredig met AT=Constante* T1-T2 25 Zowel bij de uitvoeringsvorm zoals weergegeven in figuur 25 als bij de uitvoeringsvorm in figuur 26 wordt gebruik gemaakt van twee objecten, waarvan het onderlinge temperatuurverschil gelijk geregeld wordt aan nul. Daarnaast is in figuur 27 een uitvoeringsvorm van de 30 mediumstroommeter gegeven waar twee paren objecten volgens de uitvinding geregeld worden.

In deze uitvoering van de stroommeetinrichting wordt zowel het temperatuurverschil van de objecten 01 en 02 naar nul geregeld als ook het temperatuurverschil van de 35 objecten 03 en 04 naar nul geregeld.

Beide paren objecten worden via de CTA methode (verdeling zoals in figuur 17) geregeld. De doeltemperatuur van beide objecten 01 en 02 ligt daarbij op een vaste waarde 1008665 20 boven de waarde van de doeltemperatuur van de objecten 03 en 04.

Met de constante temperatuur van de objecten 03 en 04 kunnen mogelijk asymmetrische invloeden van buiten op het 5 objectenpaar 01, 02 weggeregeld worden.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding zoals weergegeven in figuur 28 zijn zijn n/2 paren objecten opgenomen in een stroommeetinrichting. De temperatuur van al de objectparen wordt via de CTA methode (zie onder 10 meer figuur 17) op een constante temperatuur geregeld met even zovele regelaars die de dissipatievermogens regelen. De resulterende temperatuurverdeling als functie van de plaats voor twee verschillende flows is geschetst in figuur 28 (midden). De benodigde totaalvermogens (per 15 regelaar steeds P1+P2) zijn weergegeven in figuur 28 (onderaan). Bij deze uitvoeringsvorm is redundantie ingebouwd zodat een stroommeetsysteem bestaand uit n/2 combinaties van de uitvinding in het geval van uitval van één van de n/2 objectpaar-regelaar systemen zo ontworpen 20 is dat ze kan blijven functioneren.

In figuur 29 is aangegeven hoe een object 01 geconstrueerd kan worden dat het object volledig het 25 (stromend) medium omsluit. Ook wordt de lengte 1 van het object 01 in de richting van de buisvormige constructie zodanig gekozen dat de temperatuur van het medium ter plekke van 01 gelijk wordt aan de gemeten objecttemperatuur Tl. We maken in deze situatie gebruik 30 van een volledig ontwikkeld temperatuur profiel in de dwarsrichting van de buisconstructie.

In figuur 30 zijn twee objecten om de buisconstructie aangebracht. De lengte van de objecten is zodanig dat er een volledig ontwikkeld temperatuurprofiel ontstaat 35 (vergelijk figuur 25 en figuur 26).

In figuur 31 (boven) is een dwarsdoorsnede gegeven van twee objecten in een stromend medium. In figuur 31 onder is aangegeven op welke wijze twee buisvormige objecten 1008665 21 geconstrueerd kunnen worden in de 'dwarsrichting van een ander buisvormige constructie welke het medium omsluit.

In figuur 32 is een dwarsdoorsnede gegeven van een 5 uitvoeringsvorm, waarbij de twee objecten ieder op een soort probe-constructie geconfigureerd zijn.

In figuur 33 is uitvoeringsvorm gegeven, waarbij de beide objecten gescheiden worden van het medium door een (dunne) wand. Deze wand kan bijvoorbeeld uitgevoerd 10 worden in roestvast staal.

Deze uitvoeringsvorm van twee objecten zoals gegeven in figuur 33 kan in de zijwand van een buisvormige constructie opgenomen worden zoals gegeven in figuur 35. De uitvoeringsvorm van twee objecten zoals gegeven in 15 figuur 33 kan in de voorzijde van een 'probe' constructie opgenomen worden in een buisvormige constructie zoals gegeven in figuur 34.

In figuur 37 is een bovenaanzicht van de uitvoering 20 gegeven. De buitenafmetingen zijn 1 millimeter bij 2 millimeter. Er zijn twee objecten bestaande uit een balk, welke vrij hangen boven een uitgeëtste put. Elk object of balk draagt twee weerstanden. De lengte van de objecten in het bovenaanzicht van figuur 37 is lmm.

25 in de figuur 36 is een dwarsdoorsnede getekend van de genoemde uitvoeringsvorm van de twee objecten. De afmetingen van de twee objecten in de dwarsdoorsnede zijn 1 micrometer dik en 40 micrometer lang in de flowrichting.

30

Een dwarsdoorsnede van een uitvoeringsvorm van de uitvinding is weergegeven in figuur 38. Vier weerstandsporen op een kunstof drager vormen twee aan twee een object dat beheerd kan worden zoals eerder (bij 35 figuur 14) is uiteengezet.

De figuren 39a en 39b tonen grosso modo gelijke structuren, waarbij gebruik wordt gemaakt van een brede 1008665 5 22 put waar overheen zich balken uitstrekken. Op elke balk liggen een of meer weerstanden

Referenties [Rl] H.H. Bruun, 'Hot wire anemometry, principles and signal analysis', Oxford University press, Oxford, 1995.

10 [R2] US patent nr: 4651564, R.G.Johnson and R.E.Higashi, 'Semiconductor device' [R3] T.S.J. Lammerink et al, 'Micro-Liquid Flow Sensor', Sensors and Actuators A, 37-38, (1993), pp. 45-50.

[R4] H.J. Verhoeven, 'Smart Thermal Flow Sensors', 15 Proefschrift, 1995, Universiteit Delft.

[R5] US patent: 5036701, F. van der Graaf, 'Mass-flow meter with temperature sensors'.

[R6] H-E. de Bree et al, 'The microflown, a novel device measuring acoustical flows', Sensors and Actuators, 20 S&A54/1-3, pp. 552-557.

[R7] H-E. de Bree, 'The Microflown', Proefschrift, 1997, ISBN 9036509262, Universiteit Twente, Enschede.

[R8] A.F.P. van Putten: 'A constant voltage constant current Wheatstone bridge configuration', Sensors and 25 Actuators, 13 (1988), 103-115.

[R9] US patent: 4548077, A.F.P. van Putten, 'Ambient temperature compensated double bridge anemometer' [R10] US patent: 5064296, J.H. Huijsing and F.R. Riedijk, 'Integrated semiconductor circuit for 30 thermal measurements' 1008665

Claims (13)

1. Inrichting voor het meten van debiet van een 5 medium, bijvoorbeeld een gasvormig medium of een vloeibaar medium, welke inrichting is gebaseerd op meting en beïnvloeding van de temperatuurverdeling van een langsstromend medium, welke stroomsensor twee objecten, elk omvattende een verwarmingselement en een 10 temperatuursensor, omvat, waarbij door middel van een regellus het gemeten temperatuurverschil op de waarde nul gehouden wordt, waarbij de asymmetrie van de vermogenstoevoer aan de objecten om aan het voornoemde criterium, volgens welk het temperatuurverschil nul moet 15 zijn, te voldoen, representatief is voor de te meten waarde van het mediumdebiet, rekening houdende met met het medium samenhangende parameters zoals zijn dichtheid en soortelijke warmte.

2. Inrichting volgens conclusie 1 omvattende 20 meerdere paren objecten met voor ieder paar geregelde temperatuurverschillen nul, waarbij de verdeling van de vermogenstoevoer over object verwarmingselementen representatief is voor het debiet.

3. Inrichting volgens conclusies 1 of 2 waarbij 25 gebruik wordt gemaakt van een constante totaalsom van de obj ectvermogens.

4. Inrichting volgens conclusie l en 2 waarbij gebruik wordt gemaakt van een constante temperatuur van de genoemde objecten ten opzichte van de omgeving.

5. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies waarbij verwarmingselement en temperatuursensor in een object geïntegreerd zijn, en de sensor optioneel kan functioneren op basis van twee temperatuurafhankelijke weerstanden met negatieve of 35 positieve temperatuur coëfficiënt.

6. Inrichting volgens conclusies 5 waarbij het tegelijkertijd verwarmen van een object en het meten van 1008665 de temperatuur van die objecten kan uitgevoerd worden met behulp van de op zichzelf bekende ω —> 3Cö methode.

7. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies waarin de debietmeting voor meer dan één 5 dimensie wordt uitgevoerd.

8. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies waarin de meting van de objecttemperatuurverschillen worden uitgevoerd met een thermokoppel of thermozuil.

9. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies waarin een temperatuursensor is gebaseerd op een materiaal met een temperatuurafhankelijke weerstand, j zoals een geschikt metaal of legering, een halfgeleider, een materiaal met PTC of NTC, of dergelijke 15

10. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies waarin de inrichting is geïmplementeerd als halfgeleiderchip..

11. Inrichting volgens conclusie 10 waarin de chip op silicium is gebaseerd.

12. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies waarin de inrichting in twee richtingen gevoelig is.

13. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, omvattende zelfdiagnose-voorzieningen, 25 waarbij op basis van evaluatie van de regellus de stabiliteit van het systeem kan worden vastgesteld en een bedrijfsstoring van een temperatuursensor of dissipator kan worden gedetecteerd. 30 35 1008665