DE2403908C3

DE2403908C3 - Strömungsmesser

Info

Publication number: DE2403908C3
Application number: DE2403908A
Authority: DE
Inventors: Robert S. Wellesley Mass. Djorup
Original assignee: ENVIRONMENTAL INSTRUMENTS Inc NATICK MASS US
Current assignee: ENVIRONMENTAL INSTRUMENTS Inc NATICK MASS US
Priority date: 1973-02-07
Filing date: 1974-01-28
Publication date: 1986-03-27
Also published as: US3900819A; LU69198A1; IT1002728B; AU460873B2; DE2403908A1; JPS49113665A; AU6450574A; FR2216583B1; IL44066A0; BE809025A; CA1008697A; IL44066A; FR2216583A1; JPS5533550B2; GB1455591A; CH577163A5; DE2403908B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strömungsmessung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 03 147 oder auch der US-PS 36 04 261 bekannt Bei der bekannten Vorrichtung hat die Verwendung einer Strömungssonde mit zwei Widerstandselementen den Sinn, eine Strömung nicht nur dem Betrage, sondern auch der Richtung nach bestimmen zu können. Aus der Summe der an den beiden Widerstandselementen abgegebenen Wärmemengen ergibt sich der Betrag, während das Verhältnis der beiden Wärmemengen ein Maß für die Richtung ist Zur entsprechenden Auswertung sind bei dei bekannten Vorrichtung allerdings zwei Brückenschaltungen vorgesehen, deren Arbeitswiderstand jeweils von einem der beiden Widerstandselemente gebildet wird. Außerdem befinden sich die beiden Widerstandselemente sehr eng beieinander auf einem im Querschnitt kreisförmigen Tragkörper. Hierdurch entstehen gegenseitige thermische Beeinflussungen, die im Hinblick auf die angestrebte Richtungsbestimmung kompensiert werden müssen, was mit einer vergleichsweise aufwendigen Impuls-Ansteuerung der beiden Brückenschaltungen angestrebt wird.

Aus der US-PS 36 77 085 ist eine Strömungssonde mit zwei Widerstandselementen bekannt, die mit größerem Abstand voneinander an einem Tragkörper angebracht sind, der zwis:hen den Widerstandselementen als-Steg ausgebildet ist, welcher eine Strömung zwischen den

ίο Widerstandselementen verhindert Diese bekannte Strömungssonde wird in einer Auswert-Brückenschaltung mit konstanter Speisespannung derart betrieben, da 3 die beiden Widerstandselemente in je einem Zweig der Brückenschaltung beiderseits eines Mitten-Galva-

nometers liegen. Hierbei kann zwar anhand der Richtung des Ausschlags des Galvanometers auch die Richtung der Strömung bestimmt werden. Jedoch ist ts für die Genauigkeit der Anordnung zwingend, daß die beiden Widerstandselemente in Strömungsrichtung immer genau hintereinander liegen. Deshalb ist diese bekannte Strömungssonde nur für den Einsatz in einer z. B. mittels eines Rohres oder einer Leitung definiert geführten Strömung geeignet
Aus der US-PS 33 52 154 ist eine Vorrichtung zur Strömungsmessung mit einer Strömungssonde aus einem zylindrischen, keger- oder halbkugelförmigen massiven Tragkörper aus nichtleitendem Material mit 3 Widerstandselementen in Form von Widerstandsschichten bekannt Ein Widerstgadselement das für die Bestimmung des Betrags der Strömungsgeschwindigkeit dient, ist längs einer Umfangslinie des Tragkörpers auf diesem aufgebracht, während die beiden anderen Widerstandselemente zur Bestimmung des Vorzeichens der Strömung längs diametral gegenüberliegenden Mantcllinicn

.!> achsparaüe! auf dem Tragkörper angebracht sind.

Das kreisförmige Widerstandselement liegt als Arbeitswiderstand in einer ersten Brückenschaltung, die mit einem geregelten Strom derart gespeist wird, daß der Gesamtwiderstand in beiden Brückenhälften konstant gehalten wird. Aus der hierzu erforderlichen Spannung wird der Betrag der Strömungsgeschwindigkeit abgeleitet Die beiden geraden Widerstandselemente liegen in unterschiedlichen Zweigen einer zur ersten Brückenschaltung parallelgeschalteten, gegebenenfalls mit gleicher Spannung betriebenen, zweiten Briickenschaltung. Da;, Vorzeichen deren Diagonalspannung gibt das Vorzeichen der Strömung an. Abgesehen vom erforderlichen hohen Aufwand hat sich die ungenügende Genauigkeit dieser Meßanordnung als für den praktischen Einsatz hinderlich erwiesen, weil sich keine gleichmäßige Temperaturverteilung längs der Widerstandselemente auf dem massiven Tragkörper aufgrund unterschiedlicher Umströmung einstellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor-

ss richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau eine unmittelbare Bestimmung sowohl des Betrages als auch des Vorzeichens der Richtung einer Strömung an der Strömungssonde weitgehend unabhängig von der Strömungsrichtung relativ zur Strömungssonde erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 und bezüglich einer vorteilhaften Ausgestaltung im Anspruch 2 gekennzeichneten Vorrichtung gelöst.

(Λ Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die an sich bekannte Ausgestaltung der Strömungssonde eine einwandfreie thermische Trennung der beiden Widerstandselemente erreicht, was Voraussetzung für

:ine genaue Messung ist Dadurch, daß beide Wideritandselemente in Serie geschaltet den einen Arbeitsjviderstand einer einzigen, nur mit einem Regler geschalteten BrOckenschaltung bilden, ist die Vorrichtung im Aufbau einfach und ohne besonderen Wartungsaufwand betriebssicher. Gleichwohl kann der Betrag der Strömung an der Sonde unmittelbar, ohne weitere Signalverarbeitung an Hand des Spannungsabfalls am Arbeitswiderstand der Brückenschaltung ermittelt werden. Das Vorzeichen der Richtung ergibt sich unmittelbar aus dem Aoisgangssignal des !Comparators, das im Ergebnis anzeigt, welches der beiden Widerstandselemente jeweils den größeren Widerstandswert hat und damit in der Strömung vorne bzw. hinten liegt Die erfmdungsgÄinäße Ausbildung einer Vorrichtung zur Strömungsmessung bietet schließlich die Voraussetzung für die einfache Untersuchung einer Strömung mit genauer, also nicht nur vorzeichenmäßiger Angabe der Strömungsrichtung, indem zwei oder drei erfindungsgeniäSe Vorrichtungen mit orthogonal zueinander angeordneten Strömungssonden ^ir Bestimmung der zwei- oder dreidimensionalen Vektoren einer Strömung eingesetzt werden.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist es zudem möglich, in einfachster Weise den Einfluß wechselnder Temperaturen des Fluids, dessen Strömung untersucht wird, zu kompensieren.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten an Hand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine isometrische Ansicht einer Strömungssonde für eine Vorrichtung zur Strömungsmessung, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 13-13 in F i g. 1, Fig.3 und 4 zusammengenommen das elektrische Schaltbild einer Vorrichtung zur Strömungsmessung,

Fig-5 eine graphische Darstellung des polaren Ansprechverhaltens der Vorrichtung zur Strömungsmessung nach den F i g. 1 bis 4.

Die F i g. 1 und 2 zeigen eine Strömungssonde für eine «1 Vorrichtung zur Strömungsmessung. Die Strömungssonde umfaßt zwei Widerstandselemente 10a und iOb, die als rohrförmige Körper aus einem elektrisch leitenden Material mit hohem Temperaturkoeffizienten seines Widerstands bestehen. Die beiden Widerstands- ₄.s elemente sind parallel zueinander mit einem gegenseitigen Abstand an einem Tragkörper 25 aus elektrisch und thermisch isolierendem Material, z. B. Hartfeuerporzellan, Silicongummi oder Kunststoff, angebracht, der die Form eines Steges zwischen den Widerst? !selementen hat Durch d«n stegförmigen Tragkörper <j werden die beiden Widerstandselemente thermisch deutlich voneinander getrennt Der Steg verhindert eine Strömung zwischen den Widerstandselementen und erzwingt so einen deutlichen Abkühlungsunterschied beider Wider-Standselemente, weil der Sog des einen Widerstandselements das andere Widerstandselement abschattet. Der Steg 25 geht, wie es F i g. 1 zeigt in ganzer Länge der Strömungssonde durch. Diese Länge ist deutlich größer als die Abmessung der Strömungssonde in Querrichtung. _Ml An den Enden weisen die Widerstandselemente elektrische Anschlußfahmen 14a und 15a bzw. 14Z) und 15i>auf.

Bei einer alternativen, nicht näher dargestellten Ausbildung der Strömungssonde umfaßt der Tragkör- ₆<per nicht nur den mittlren Steg, sondern auch zwei rohrförmige Abschnitte beiderseits desselben, auf die Hip heiden Widerstandselemente als Filme, vorzugsweise aus Platin und dessen Legierungen, aufgebracht sind. Diese Filme können außerdem noch durch einen elektrisch isolierenden Oberzug geschützt sein.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Strömungssonde wird in einer elektrischen Schaltung betrieben, die aus den F i g. 3 und 4 hervorgeht Die Schaltung umfaßt im wesentlichen eine Wheatstone'sche Brückenschaltung mit vier Zweigen zwischen den Abgriffspunkten 31 und

32 für die Brücken- oder Fehlerspannung und den Anschlußpunkten 33 und 34 für die Brücken-Speisespannung. Zwei Zweige der Brückenschaltung zwischen dem Anschlußpunkt 34 und den beiden Abgriffspunkten 31 und 32 werden durch zwei feste Widerstände 26 und 28 gebildet Zwischen dem Abgriffspunkt 31 und dem anderen, auf Masse gelegten Anschlußpunkt 33 liegt der Arbeitswiderstand der Brückenschaltung, welcher durch die Serienschaltung der beiden Widerstandselemente 10a und 10£> der Strömungssonde gebildet ist Zwischen dem anderen Abgriffspunkt 32 und dem Anschlußpunkt

33 liegt ein Widerstandselement 27 einer wie die Strömungssonde dem zu untersuchenden Fluid ausgesetzten Temperatursonde. Der elektrische Widerstandswert dieses Widerstandselements ist temperaturabhängig und hat den gleichen Temperaturkoeffizienten wie die Widei Standselemente der Strömungssonde.

An die Abgriffspunkte 31 und 32 ist ein elektrischer Verstärker 29 für die Brückenspannung angeschlossen, der auf einen Stromverstärker 30 arbeitet, dessen Ausgang wiederum auf den Anschlußpunkt 34 der Brückenschaltung rückgekoppelt ist Die Verstärker 29 und 30 bilden zusammen einen Regler, der durch Veränderung des Speisestromes der Brückenschaltung diese auch bei Veränderungen ihres Arbeitswiderstands, also der Serienschaltung der Widerstandselemente 10a, 10£> stets im Gleichgewicht hält Hierbei ist der Wert des Widerstandes 28 so gewählt, daß sich das Brückengleichgewicht bei einem Strom durch den Arbeitswiderstand einstellt der zu einer Erwärmung der Widerstandselemente 10a und 10t über Umgebungstemperatur fehrt

Damit die Rückkopplung über den Regler 29,30 auch nach dem Einschalten wirksam wird, erzeugt der Regler eine kleine Abweichspannung, wenn sich die Brücke im genauen Gleichgewicht befindet

Die am Arbeitswiderstand zwischen den Punkten 31 und 33 abfallende Spannung entspricht dem Betrag der Strömung an der Strömungssonde. Sie kann zur Anzeige der Größe ρ Vbzw. des Massenstromes benutzt werden. We in Q konstant ist, ist das Signal ein Geschwindigkeitssigfial. Das Signal ist nicht linear und enthält eine konstante Komponente,' welche das Erhitzungssignal bei der Strömung Null ist, eine exyonentielle Komponente, welche mit dem Exponent ¹A eine Funktion des Stromes ist, und eine Turbulenz-Komponente, welche von Schwankungen dev Strom-Komponente herrührt

Zur Bestimmung des Vorzeichens der Richtung der Strömung dient der in Fig.4 aus Gründen der Übersichtlichkeit getrennt dargestellte Teil der Schaltung. Parallel zum Arbeitswiderstand der Brücksnschaltung ist an die Punkte 31 und 33 ein Spannungsteiler aus den beiden in Serie liegenden Widerständen 36a und 36i> angeschlossen. Der Mittelpunkt des Spannungsteilers ist mit dem einen Eingang eines Komparators 37 verbunden, während der andere Eingang über einen Vorwiderstand 36c am Verbindungspunkt 35 der beiden Widerstandselemente 10a und 10b liegt. An seinem Ausgang 39 führt der Komparator 37 eine Spannung, die

bei den angegebenen Polaritäten positiv ist, wenn der Widerstandswert des Widerstandselements 10a auf Grund einer Strömung gegen das Widerstandselement iOb erhöht wird, während die Spannung negativ wird, wenn die Strömung gegen das Widerstandselement 10a gerichtet ist Das vom Komparator 37 erfaßte Potential am Punkt 35 ändert sich bei vorhandener Strömung nicht, solange die Strömungsrichtung in einer Ebene enthalten ist, welche parallel zu den Achsen der Widerstandselemente 10a und 10b ist und senkrecht zu w einer ihre Achsen enthaltenden Ebene. Für alle anderen Strömungsbedingungen bewegt sich das Potential am Punkt 35 relativ zum Potential am Mittelpunkt des Spannungsteilers 36a, 36b entsprechend der unterschiedlichen Änderung der Widerstandswerte der Widerstandselemente 10a und 106 auf Grund des an den beiden Widerstandselementen unterschiedlichen Wärmeverlustes.

F i g. 5 zeigt das Ausgangs-Signal, welches mit der Vorrichtung zur Strömungsmessung nach den F i g. 1 bis 2» 4 erzielt wird, wenn der Ausgang 39 des !Comparators 37 zur Umschaltung der Vorzeichenrichtung eines Verstärkers für das zwischen den Punkten 31 und 33 abgenommene Betrag-Signal dient. Ersichtlich hat jeder Lappen bzw. jede Keule des Ansprech-Diagrammes ein unterschiedliches elektrisches Vorzeichen und das Signal, bei Betrachtung in kartesischen Koordinaten, ist mit dem in Fig.5 benutzten Koordinatensystem einer Kosinusfunktion angenähert Allgemein folgt das Meß-Signal der Beziehung .tu

-Z- V.. Cos Θ .
Po

wobei ρ die Umgebungsdichte, Q₀ die Referenzdichie bei Standardbedingungen, V* die Strömungsgeschwindigkeit und θ den Azimutwinkel des Vektors der Strömungsgeschwindigkeit bedeuten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

L Vorrichtung zur Strömungsmessung mit einer Strömungssonde, weiche zwei benachbarte, längliche Widerstandselemente aufweist, die sich in Längsrichtung der Sonde parallel zueinander beiderseits eines elektrisch isolierenden Tragkörpers erstrecken und jeweils als Arbeitswiderstand in einem Zweig einer elektrischen Brfickenschaltung liegen, deren Strom im Zweig des Arbeitswiderstandes zu einer Erwärmung des Widerstandselementes über Umgebungstemperatur führt und an deren Ausgang ein auf den Speisestrom der Brückenschaltung einwirkender Regler angeschlossen ist, welcher den Widerstandswert des Arbeitswiderstands der Brückenschaltung für konstante Umgebungstemperatur konstant hält, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der Tragkörper (25) als ein eine Strömung zwischen den Widerstandselementen (10a, 10b) verhindernder Steg ausgebildet ist,

b) daß die Widerstandselemente (10a, 106; in Serie geschaltet sind und so gemeinsam den einen, im Widerstandswert konstant gehaltenen Arbeitswiderstand einer einzigen Brückenschaltung bilden, und

c) daß an den Verbindungspunkt (35) der Widerstandselemente (10a, 10b) einerseits und den Mittelpunkt eines zur Serienschaltung der Widerstandselemente parallelen Spannungsteilers (36a, 36b) andererseits ein Komparator (37) angeschlossen ist, dessen Auspang das Vorzeichen der Strömungsrichtung an der Sonde angibt
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Temperatursonde für die Umgebungstemperatur mit einem Widerstandselement (27) vorgesehen ist, dessen elektrischer Widerstand temperaturabhängig ist und das in einem anderen Zweig der Brückenschaltung derart liegt, daß der Regler (29, 30) bei Änderungen der Umgebungstemperatur zur Kompensation derselben den Speisestrom verstellt