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B e s c h r e i b u n g zu der Anmeldung Thermischer Strömungsmesser.
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Die Erfindung betrifft einen thermischen Strömungsmesser mit einer
in einer elektrischen Meßschaltung betriebenen Meßsonde, bei welcher mindestens
zwei gleiche elektrische, widerstandsbehaftete Leiter mit temperaturabhängigem Widerstand
in einer Ebene an den Rändern eines thermisch isolierenden, den Zwischenraum zwischen
den Leitern verschließenden Stützsteges angebracht sind.
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Ein derartiger thermischer Strömungsmesser ist aus der US-PS 3 677
085 bekannt. Seine Wirkung beruht darauf, daß die elektrisch erhitzten Leiter der
Meßsonde, die durch entsprechende Ausrichtung der Meßsonde in der zu untersuchenden
Strömung hintereinander angeordnet sind, von dieser unterschiedlich stark abgekühlt
werden. Die Leiter bilden Zweige einer Wheatstone'schen Brücke, mit welcher die
unterschiedliche Abkühlung als entsprechend
unterschiedlicher Widerstand
der Leiter festgestellt wird. Die Größe des Abkühlungs- oder Widerstandsunterschiedes
ist vom Betrag der Strömungsgeschwindigkeit in Verbindungsrichtung der Leiter abhängig.
Mit dem bekannten Strömungsmesser kann daher nur der Geschwindigkeitsbetrag einer
Strömung in Verbindungsrichtung der Leiter ermittelt werden. Die Messung beliebiger
Strömungsrichtungen im freien Raum ist nicht möglich. Es kann nur in einem definierten
Strömungsweg, z. B. in einer Leitung, festgestellt werden, in welcher Richtung die
Strömung fließt, indem geprüft wird, welcher Leiter am stärksten abgekühlt ist.
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Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den bekannten
Strömungsmesser so auszugestalten, daß mit ihm nicht nur der Geschwindigkeitsbetrag,
sondern auch die Richtung einer ungeführten Strömung ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Strömungsmesser
mindestens eine weitere, rechtwinkelig zur ersten Meßsonde ausgerichtete Meßsonde
umfaßt.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Ansprechverhalten
einer Meßsonde der angegebenen Art eine kosinusförmige Abhängigkeit von der Richtung
der Strömungsgeschwindigkeit relativ zur Meßsonde hat. Mit einem erfindungsgemäßen
Strömungsmesser, der zwei solche Meßsonden aufweist, kann deshalb durch Kombination
der Ausgänge bei der Meßsonden eine Strömungsgeschwindigkeit, deren Vektor in einer
definierten Ebene liegt, sowohl dem Betrage als auch der Richtung nach ermittelt
werden.
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Wenn der erfindungsgemäße Strömungsmesser drei, orthogonal zueinander
angeordnete Meßsonden aufweist, ist die Erfassung jeder beliebigen Strömungsrichtung
im freien Raum nach Betrag und Richtung möglich. Eine Anwendung für letztere Ausgestaltung
ist z. B. die Feststellung des Neigungs-, Gierungs- und Rollwinkels eines Flugzeuges.
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Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten
anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigen: Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer Meßsonde für den Strömungsmesser
nach der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 das
Schaltbild einer der Meßsonde nach Fig. 1 zugeordneten Meßschaltung, Fig. 4 das
Schaltbild einer Abwandlung. der Meßschaltung nach Fig. 3, Fig. 5 eine graphische
Darstellung des polaren Ansprechverhaltens der Meßsonde nach Fig. 1, Fig. 6 eine
Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Strömungsmessers nach der Erfindung,
Fig. 7 eine graphische Darstellung des zweiphasigen Ansprechverhaltens des Strömungsmessers
nach Fig. 6, Fig. 8 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers.
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Ein Strömungsmesser nach der Erfindung umfaßt mindestens zwei Meßsonden,
die z. B. gemäß Fig. 1 und 2 ausgebildet sind. Die Meßsonde gemäß Fig. 1 und 2 besitzt
zwei gleiche elektrische widerstandsbehaftete Leiter 1Oa und l0b, die mit gegenseitigem
Abstand parallel zueinander an zwei Rändern eines thermisch isolierenden, den Zwischenraum
zwischen den Leitern verschießenden Stützsteges 25 angebracht sind. Jeder Leiter
ist an seinen Enden mit Anschlußfahnen 14a und 15a bzw. 14b und 15b versehen.
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Die Leiter sind im Querschnitt rund und haben eine Länge, die das
mehrfache ihres Durchmessers beträgt. Die Abmessungen des Stützsteges sind in Bezug
auf die Querschnittsabmessungen der Leiter derart gewählt, daß die Leiter mit dem
größten Teil ihrer Oberfläche der Strömung ausgesetzt sind und mit ihrem Querschnitt
den dynamischen Strömungsquerschnitt der ganzen Sonde bestimmen. Ein typischer,
sich aus dieser Forderung ergebender Querschnitt der Meßsonde ist in Fig. 2 dargestellt.
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Die Dicke des Stützsteges ist danach etwas geringer als der Durchmesser
der Leiter und seine Breite zwischen den beiden Leitern entspricht ungefähr seiner
Dicke. Wenn die Leiter in der gezeigten Weise relativ dicht nebeneinander angeordnet
sind, kann der Einfallswinkel α der auftreffenden Strömung bis nahezu +900
betragen, ohne daß die Fähigkeit der Meßsonde, die Strömungsrichtung zu unterscheiden,
verloren geht. Mit zunehmenden Abstand zwischen den Leitern verringert sich der
brauchbare Bereich des Winkels α, α, da der Zwischenraum zwischen den
Leitern gemäß der üblichen aerodynamischen Theorie als Hebekörper wirkt.
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Jeder Leiter 10a und 10b besteht aus einem rohrförmigen, elektrisch
isolierenden Substrat-Stützkörper 16, der auf der Außenseite mit einem relativ dicken
Film 17 aus elektrischem Widerstandsmaterial bedeckt ist, dessen elektrischer Widerstand
temperaturabhängig ist. Der Substrat-Stützkörper besteht z. B. aus Aluminiumsilicat,
anodisiertem Aluminium oder einem anderen keramischen Material, am besten aber aus
nicht porösem, hochdichten Aluminiumoxid. Der Film 17 besteht z. B. aus Platin oder
Rhodium; es kommen auch Wolfram, Gold oder Legierungen derselben in Frage, ferner
auch Nickel oder elektrisch leitfähige Nichtmetalle.
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Unter dem Gesichtspunkt einer einfachen Verarbeitung, guten Lebensdauer
und hoher Stabilität werden Platin und seine Gemische bevorzugt, wenn auch mit einigen
anderen Metallen noch höhere Temperaturkoeffizienten des Widerstandes erzielbar
sind.
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Der Film 17 kann auf dem keramischen Substrat-Stützkörper 16 z. B.
durch Brennen, Schmelzen oder Sintern von Edelmetall-Harz-Lösungen aufgebracht werden.
Auch eine Verdampfungsablagerung kommt in Frage.
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Die Art des Materials für den Stützsteg 25 richtet sich hauptsächlich
nach seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber den zu erwartenden Umgebungsbedingungen
und der maximalen Betriebstemperatur an der Oberfläche der Leiter 10a und l0b. Der
Stützsteg 25 kann z. B. aus einem geeigneten Hartfeuerporzellan, aus Silicongummi,
einem geeigneten Kunststoff oder einem geeigneten Kleber bestehen.
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In nicht gezeigter Weise können die Leiter auch andere als runde Querschnitte
haben und außerdem massiv aus einem elektrischen Widerstandsmaterial ausgeführt
sein. Desgleichen sind andere Querschnittsformen des Stützsteges 25 möglich. Derartige
Abwandlungen gehen z. B.-aus der US-PS 3 677 085 hervor. Es ist auch möglich an
einem einzigen Stützsteg mehr als zwei Leiter in einer gemeinsamen Ebene,z. B. drei
Leiter in einer dreieckigen Anordnung oder vier Leiter in einer quadratischen Anordnung
anzubringen.
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Die Meßsonde gemäß den Fig. 1 und 2 wird in einer Meßschaltung gemäß
Fig. 3 betrieben. Es handelt sich um eine Wheatstone'sche Brückenschaltungen, deren
einen Zweig die beiden in Serie hintereinandergeschalteten Leiter 10a und 10b bilden.
Ein weiterer Zweig, durch den der volle Meßsondenstrom fließt, ist durch einen Widerstand
26 gebildet. Im dritten, zur Meßsonde symmetrischen Zweig liegt ein Widerstand 27,
welcher der untersuchten Strömung ausgesetzt ist und als Temperaturfühler arbeitet,
wobei der Temperaturkoeffizient seines Widerstandes der gleiche wie bei der Meßsonde
ist. Der vierte Zweig umfaßt den Widerstand 28,
dessen Wert so festgelegt
ist, daß sich das Brückengleichgewicht bei der für den Betrieb gewünschten Überhitzungstemperatur
der Meßsonde einstellt. In der Brückendiagonale zwischen den Punkten 31 und 32 liegt
ein Verstärker 29 mit nachgeschaltetem Stromverstärker 30, dessen Ausgang auf den
Speiseanschluß der Brücke an den Punkten 33 und 34 rückgekoppelt ist und dadurch
die Brücke speist. Der Verstärker 29 erzeugt zusammen mit dem Stromverstärker 30
eine kleine Abweichspannung, wenn sich die Brücke im genauen Gleichgewicht befindet,
wodurch eine automatische Einschaltung des Rückkopplungskreises bei Zufuhr der Speisespannung
erzielt wird. Durch die erläuterte Rückkopplung wird der Gesamtwiderstand der beiden
Leiter 1Oa und 10b auf einem konstanten Wert gehalten, weshalb der größtmögliche,
der Strömungsgeschwindigkeit entsprechende Signalhub am Punkt 35 erscheint, wo die
Leiter 1Oa und 1Ob elektrisch miteinander verbunden sind.
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Wenn die Mittelpunktspannung am Punkt 35 zwischen den Leitern bei
vorhandener Strömung invariant ist, liegt die Strömungsrichtung in einer Ebene,
welche parallel zu den Achsen der Leiter und senkrecht zu einer die Achsen enthaltenden
Ebene ist.
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Für alle anderen Strömungsbedingungen ändert sich das Potential des
Punktes 35 aufgrund der Widerstandsänderung des Leiters 10a relativ zum Leiter 10b.
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Bei der aus Fig. 4 hervorgehenden Abwandlung der Meßschaltung nach
Fig. 3 wird ein Komparator 37 zum Vergleich der Widerstände der Leiter 10a und 10b
benutzt. Der Komparator hat Eingangswiderstände 36a, 36b und 36c. Sein Ausgang am
Punkt 39 wird positiv, wenn der Widerstand des Leiters 10a aufgrund einer Strömung
gegen den Leiter 10b erhöht wird; der Ausgang wird negativ, wenn die Strömung gegen
den Leiter 10a gerichtet ist.
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Fig. 5 zeigt den Ausgang, welcher mit einer Meßsonde nach Fig.
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1 in Verbindung mit einer Meßschaltung nach Fig. 3 oder 4 erzielt
werden kann, wenn der Ausgang 39 zur Umschaltung der Vorzeichenrichtung eines Verstärkers
benutzt wird, welcher zur Beeinflussung des zwischen den Punkten 31 und 33 abgenommenen
Geschwindigkeitssignales dient. Wie ersichtlich, hat jeder Lappen bzw. jede Keule
im Diagramm nach Fig. 5 ein unterschiedliches elektrisches Vorzeichen, und der Ausgang
ist, bei Betrachtung in kartesischen Coordinaten einer Kosinusfunktion in dem in
Fig. 5 dargestellten Coordinatensystem angenähert. Allgemein folgt der Ausgang dem
Ausdruck
wobei? die Umgebungsdichte, #o die Referenzdichte bei Standardbedingungen, Vw die
Strömungsgeschwindigkeit und # den Azimutwinkel des Vektors der Strömungsgeschwindigkeit
bedeuten.
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Der in Fig. 6 gezeigte Strömungsmesser nach der Erfindung umfaßt zwei
Meßsonden gemäß Fig. 1 und 2 jeweils mit zugeordneter Meßschaltung gemäß Fig. 3
oder 4. Die beiden Meßsonden sind mit 42 und 43 bezeichnet. Sie sind senkrecht bzw.
rechtwinkelig zueinander angeordnet, wobei Einzelheiten ihrer geometrischen Orientierung
aus Fig. 6 hervorgehen und können zur Bestimmung der beiden Komponenten einer auf
die Meßsonden auftreffenden Strömung 41 benutzt werden. Die Meßsonden 42 und 43
sind in Richtung der beiden dargestellten Coordinatenachsen X und Y entweder in
einer gemeinsamen Ebene oder in parallelen Ebenen ausgerichtet.
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Fig. 7 zeigt die gegenseitige Beziehung der Ausgangssignale, welche
mit dem Strömungsmesser nach Fig. 6 erhalten werden. Die beiden Ausgangssignale
haben einen kosinusförmigen und einen
sinusförmigen Verlauf und
definieren explizit die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Richtungskomponente der
Strömung. Der Kosinusverlauf ist durch die Kurve 44a und der Sinusverlauf durch
die Kurve 44b dargestellt. Das Ausgangssignal von einer der beiden Meßsonden 42
und 43 hat ein Maximum, wenn die einfallende Strömung 41 normal bzw. senkrecht zur
Meßsondenachse ausgerichtet ist.
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Bei einem anderen Strömungsmesser nach der Erfindung gemäß Fig. 8
sind drei feststehende Meßsonden 46, 47 und 48 jeweils mit der anhand der Fig. 1
und 2 beschriebenen Ausbildung vorgesehen. Die Meßsonde 46 ist auf der X-Achse,
die Meßsonde 47 auf der Z-Achse und die Meßsonde 48 auf der Y-Achse so angeordnet,
daß jede Meßsonde in einer zu den Ebenen der beiden anderen Meßsonden orthogonalen
Ebene liegt. Der Strömungsmesser gemäß Fig. 8 gestattet die dreidimensionale Strömungsmessung
ohne Zweideutigkeit im gesamten Raumwinkelbereich von 3600.
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Wie beim Strömungsmesser nach Fig. 6 ist jeder Meßsonde eine Meßschaltung
gemäß Fig. 3 oder 4 zugeordnet.
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/Patentansprüche