DE2500897C3 - Thermal method for measuring the velocity distribution in fluid media - Google Patents

Thermal method for measuring the velocity distribution in fluid media

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DE2500897C3 DE19752500897 DE2500897A DE2500897C3 DE 2500897 C3 DE2500897 C3 DE 2500897C3 DE 19752500897 DE19752500897 DE 19752500897 DE 2500897 A DE2500897 A DE 2500897A DE 2500897 C3 DE2500897 C3 DE 2500897C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Verfahren zur Messung der Geschwindigkeitsverteilung in fluiden Medien, wobei zeitlich wechselnde thermische Änderungen mit einer bestimmten konstanten Frequenz erfolgen und an den anderen Stellen Änderungen der Eigenschaften des thermischen Wechselfeldes gemessen werden.The invention relates to a thermal method for measuring the speed distribution in fluid media, with temporally changing thermal changes with a certain constant frequency take place and at the other places changes in the properties of the alternating thermal field be measured.

Bisher wurden zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten Staudruckverfahren, Drosselverfahren, Schwebekörperverfahren, Zählerverfahren, Anemo- so meterverfahren, Induktionsverfahren und Ultraschallverfahren eingesetzt Neben diesen Verfahren wird auch die Wirbelfrequenz hinter einem angeströmten zylindrischen Körper als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit genutzt Außer dem thermischen Anemometerverfahren ist ein Wärmeeinleitverfahren bekannt, bei dem unter definierten Bedingungen eine bestimmte Wärmemenge in das zu untersuchende Medium eingebracht wird. Aus der vom vorbeiströmenden Medium aufgenommenen Wärmemenge kann auf die t>o Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden.So far, dynamic pressure methods, throttle methods, Float method, counter method, anemometer method, induction method and ultrasonic method In addition to these methods, the vortex frequency behind a flow is also used cylindrical body used as a measure of the flow velocity. Except for the thermal anemometer method a heat transfer process is known in which, under defined conditions, a certain Amount of heat is introduced into the medium to be examined. From the from flowing past The amount of heat absorbed by the medium can be deduced from the t> o flow velocity.

Bei allen angeführten Verfahren hängt die Meßanzeige auch von störenden Parametern des strömenden Mediums ab, die eine Kalibrierung erschweren.In all of the procedures listed, the measurement display also depends on the disturbing parameters of the flowing Medium that make calibration more difficult.

Es ist auch eine Anordnung zur Messung der n"> Wirbelfrequenz in einer Wirbelstraße an der Rückseite eines angeströmten Drahtes auf thermische Weise bekanntgeworden. Hierbei wird jedoch nur der Empfängerdraht elektrisch erwärmt und die periodische Widerstandsänderung durch unterschiedliche Abkfihlungsraten infolge des rhythmischen Auftreffens der Teilwirbel als Meßgröße zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit benutzt Bei Verwendung feiner, hoch empfindlicher Thermoelemente (z. B. 0,1 mm Fe-Konst) ist es zumindest sehr schwierig, die Wirbelfrequenz bei geringen Geschwindigkeiten aus Temperaturunterschieden zu messen.There is also an arrangement for measuring the n "> Vortex frequency in a vortex street at the rear of a wire in a thermal manner known. Here, however, only the receiver wire is heated electrically and the periodic one Change in resistance due to different cooling rates as a result of the rhythmic impact of the Partial vortices as a measured variable to determine the flow velocity used When using fine, highly sensitive thermocouples (e.g. 0.1 mm Fe-Konst) it is at least very difficult to determine the vortex frequency at low speeds Measure temperature differences.

Schließlich ist aus »Journal of Fluid Mechanics«, VoL 49 Pt 4 (1971) Seiten 657 bis 691 zur Messung der Geschwindigkeitsverteilung in fluiden Medien ein Verfahren bekannt bei dem mittels eines entsprechend angeregten Hitzdrahtes Wärmeimpulse erzeugt werden und mittels zu beiden Seiten des Hitzdrahtes und senkrecht dazu angeordneter Sensordrähte das durch die Strömung des fluiden Mediums bedingte zeitlich verzögerte Eintreffen dieser Impulse registriert wird. Die Geschwindigkeit des fluiden Mediums kann dann aus dem bekannten Verhältnis Weg/Zeit ermittelt werden.Finally, from "Journal of Fluid Mechanics", VoL 49 Pt 4 (1971) pages 657 to 691 on the measurement the speed distribution in fluid media a method known in which by means of a corresponding excited hot wire heat pulses are generated and means on both sides of the Hot wire and sensor wires arranged perpendicular to it, through the flow of the fluid medium conditional delayed arrival of these impulses is registered. The speed of the fluid The medium can then be determined from the known distance / time ratio.

Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe besteht darin, ein thermisch wirkendes Meßverfahren und eine zugehönge Anordnung zu schaffen, die insbesondere für die Messung der Geschwindigkeitsverteilung in Medien mit geringer Strömungsgeschwindigkeit geeignet istThe object to be solved with the invention is to provide a thermally acting measuring method and a to create associated arrangement, in particular for the measurement of the velocity distribution in media with low flow velocity is suitable

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens nach dem Anspruch 1 gelöst Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 2. Weiterbildungen dieser Anordnung sind in den Ansprüchen 3 bis 5 enthalten.This object is achieved by the features of the method according to claim 1. An arrangement to carry out the method is the subject of claim 2. Further developments of this arrangement are contained in claims 3 to 5.

Die Vorteile von Geräten, die nach dem erfindungsgemäßen Meßverfahren arbeiten gegenüber bekannten Geräten bestehen in ihrer leichten Kalibrierbarkeit und Nichtanfälligkeit gegenüber Änderungen der äußeren Meßbedingungen, wie z.B. Druck und Temperatur. Außerdem sind sie besonders vorteilhaft zur Messung geringer Strömungsgeschwindigkeiten einzusetzen. Infolge der geringen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Temperaturwellen ergeben sich nämlich bei Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit große Frequenzverschiebungen bzw. Phasenänderungen. Geringe Strömungsgeschwindigkeiten unter etwa 2 m/s können besonders gut vermessen werden.The advantages of devices that work according to the measuring method according to the invention over known ones Devices are easy to calibrate and are not susceptible to changes in the external Measurement conditions such as pressure and temperature. They are also particularly useful for measurement to use lower flow velocities. As a result the slow propagation speed of temperature waves result from changes the flow velocity large frequency shifts or phase changes. Low flow velocities below about 2 m / s can be measured particularly well.

Die Erwärmung des in der Strömung angebrachten, wirbelauslösenden Drahtes, läßt ein quasi periodisches Temperaturwechselfeld mit meßtechnisch ausreichend hohen Temperaturamplituden entstehen.The warming of the vortex-releasing wire attached to the flow leaves a quasi periodic one Alternating temperature fields with temperature amplitudes that are sufficiently high in terms of measurement technology arise.

Das so entstandene Feld wirkt auf Temperatursensoren wie ein reines Temperaturwechselfeld, wenn es sich auch strömungstechnisch als Wirbelstraße darstellt Es wird daher von thermischen Wechselfeldern gesprochen. Für diese Wellenfelder spezifische Parameter sind Frequenz-, Phasen- und Amplitudenverteilung der im Wellenfeld enthaltenen Teilwellen.The field created in this way acts on temperature sensors like a pure temperature alternating field when it is also represents fluidically as a vortex street. It is therefore spoken of thermal alternating fields. For these wave fields specific parameters are frequency, phase and amplitude distribution of the im Wave field contained partial waves.

Die Erfindung ist für die Messung der Geschwindigkeitsverteilung in strömenden Medien insofern von praktischer Bedeutung, als sich aus der Strömungsgeschwindigkeit bei kalibriertem Querschnitt die Durchflußmenge ermitteln läßt, was besonders in der chemischen Industrie von großem Interesse istThe invention is for the measurement of the velocity distribution in flowing media in so far of of practical importance than the flow rate with a calibrated cross-section allows to determine what is of great interest especially in the chemical industry

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutertThe invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments

In F i g. 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit angegeben. Hierbei werden ein gespannter Heizdraht 1 als Sender für Temperaturwellen und ein in einigem Abstand und senkrecht zum Heizdraht angebrachtes ThermoelementIn Fig. 1 a device for measuring the flow velocity is indicated schematically. Here are a tensioned heating wire 1 as a transmitter for temperature waves and one at a distance and Thermocouple attached perpendicular to the heating wire

2 als Empfänger verwendet Der schematische Aufbau der Vorrichtung in F i g. 1 ist in F i g. 2 oben angegeben. Die in Fig. 1 enthaltene Vorrichtung läßt sich — in abgewandelter Form — auch zur Verifizierung der in F i g. 2,3,4,5 angegebenen Prinzipskizzen verwenden.2 used as a receiver. The schematic structure of the device in FIG. 1 is in FIG. 2 given above. The device contained in Fig. 1 can - in modified form - also to verify the in F i g. 2,3,4,5 use the schematic diagrams given.

In Fig.2 sind schematisch drei Anordnungen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit angegeben. Hierbei werden Heizdrähte als Sender und Thermoelemente als Empfänger von Temperaturwellen verwendet Im Hinblick auf die gegenseitige Justierung von Sender und Empfänger bieten WidersUindsdrähte als Temperatursensoren gegenüber Theirmoelementen Vorteile. Das von den Sendern 1,4,7 in das strömende Medium emittierte thermische Wellenfeld wird von den Empfängern 2, 5, 6, 8 registriert Die letztgenannte Anordnung mit dem Sender 7 und den Empfängern 6,8 wird vorteilhaft dann eingesetzt wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Temperaturwellen vn größer afc die Strömungsgeschwindigkeit v, istIn Figure 2, three arrangements for measuring the flow velocity are shown schematically. Here, heating wires are used as transmitters and thermocouples as receivers of temperature waves. With regard to the mutual adjustment of transmitter and receiver, opposing wires as temperature sensors offer advantages over thermocouples. The thermal wave field emitted by the transmitters 1, 4, 7 into the flowing medium is registered by the receivers 2, 5, 6, 8. The latter arrangement with the transmitter 7 and the receivers 6, 8 is advantageously used when the propagation speed of the temperature waves vn greater afc is the flow velocity v i

Infolge der Wirksamkeit des Dopplereffektes registrieren die Empfänger 2,5, S nicht die Frequenz vo des von den Sendern 1, 3, 7 erzeugten thermischen Wellenfeldes, sondern eine davon unterschiedliche Frequenz v. Die Strömungsgeschwindigkeit V1 wird — bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der Temperaturwellen Vn — aus der Differenz der Frequenzen v— Vo ermitteltAs a result of the effectiveness of the Doppler effect, the receivers 2, 5, S do not register the frequency v o of the thermal wave field generated by the transmitters 1, 3, 7, but a different frequency v. The flow velocity V 1 is determined from the difference between the frequencies v-Vo , if the speed of propagation of the temperature waves Vn is known

Da in der Meßstrecke zwischen Sender 7 und Empfänger 6 Strömungsgeschwindigkeit V1 und Ausbreitungsgeschwindigkeit der Temperaturwellen vn einander entgegengerichtet sind, registriert Empfänger 6 eine im Vergleich zu Empfänger 8 andere Frequenz v'. Aus den gemessenen Frequenzen v, v' wird — ohne Kenntnis von vn — die Strömungsgeschwindigkeit vs bestimmt Since the flow velocity V 1 and the propagation velocity of the temperature waves vn in the measuring section between the transmitter 7 and the receiver 6 are opposite to one another, the receiver 6 registers a frequency v 'which is different from that of the receiver 8. From the measured frequencies v, v ' - without knowledge of vn - the flow velocity v s is determined

Mit den in F i g. 2 schematisch aufgeführten Meßanordnungen läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit jeweils zwischen Sender 1 und Empfänger 2 bzw. Sender 4 und Empfänger 5 ermitteln. Aus Phasenmessungen zwischen den Sender 7 und den Empfängern 6,8 wird die Strömungsgeschwindigkeit vs <· vn direkt — ohne Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Temperaturwellen v-n, — bestimmtWith the in F i g. 2 schematically listed measuring arrangements, the flow velocity between transmitter 1 and receiver 2 or transmitter 4 and receiver 5 can be determined. The flow velocity v s <· vn is determined directly from phase measurements between the transmitter 7 and the receivers 6, 8 - without knowledge of the propagation velocity of the temperature waves vn

Mit Hilfe der in Fig.2 schematisch aufgeführten Meßanordnungen läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit vs auch aus Temperaturamplitudenmessungen bestimmen. Die Amplituden der von den Sendern 1 bzw.With the aid of the measuring arrangements shown schematically in FIG. 2, the flow velocity v s can also be determined from temperature amplitude measurements. The amplitudes of the transmitters 1 resp.

4 emittierten TemperaturweUen werden dabei jeweils von den Empfängern 2 bzw. 5 gemessen. Die weiterhin aufgeführte Meßanordnung mit dem Sender 7 und den Empfängern 6,8 bietet den Vorteil, daß die Strömungsgeschwindigkeit vs < vn ohne Kenntnis der Geschwindigkeit vn direkt aus den von den Empfängern 6, 8 registrierten Amplituden der Temperaturwellen ermittelt wird.4 emitted temperature values are measured by the receivers 2 and 5 respectively. The measuring arrangement with the transmitter 7 and the receivers 6, 8 also mentioned offers the advantage that the flow velocity v s < vn is determined without knowledge of the velocity vn directly from the amplitudes of the temperature waves registered by the receivers 6, 8.

In F i g. 3 sind schematisch drei Meßstrecken mit dem gemeinsamen Sender 9 und den Empfängern 10,11,12 dargestellt Hierbei werden beispielhaft ein Heizdraht als Sender und Thermoelemente als Empfänger verwendet Die Empfänger 10, 11, 12 sind dabei kreisförmig um den Sender 9 im Abstand 5 angeordnet Mit der Meßstrecke — Sender 9, Empfänger 11 — die parallel zur Hauptströmungsrichtung verläuft, wird die velctorielle Strömungsgeschwindigkeit vs gemessen. Die Empfänger 10,12 messen die Strömungskomponenten.In Fig. 3 schematically shows three measuring sections with the common transmitter 9 and the receivers 10,11,12. Here, a heating wire is used as a transmitter and thermocouples as a receiver the measuring section - transmitter 9, receiver 11 - which runs parallel to the main flow direction, the velctorial flow velocity v s is measured. The receivers 10, 12 measure the flow components.

Eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung von thermischen Wechselfeldern bieten Hitzdrähte. Mit Wechselstrom gespeisten 20 μιτι dicken Konstantdrähten lassen sich Temperaturwellen mit Frequenzen über 100 Hz erzeugen.Hot wires offer a simple way of generating alternating thermal fields. With alternating current fed 20 μιτι thick constant wires temperature waves with frequencies above 100 Hz can be generated.

In Fig.4 ist schematisch ein gleichstromgespeister Hitzdraht 13 dargestellt Das von dem Hitzdraht erzeugte statische Temperaturfeld wird durch ein zusätzlich erzeugtes Dichtefeld 14 in der Strömung — mit der Geschwindigkeit vs — moduliert so daß ein thermisches Wechselfeld 15 entstehtIn Figure 4, a DC-powered hot wire 13 is shown schematically The static temperature field produced by the hot wire is additionally generated by a field density 14 in the flow - with the velocity v s - modulated so that a thermal exchange box 15 is formed

In einer weiteren Anordnung ist schematisch ein gleichstromgespeister Hitzdraht 16 dargestellt Das von dem Hitzdraht erzeugte statische Temperaturfeld wird durch das Strömungsfeld 17 — mit der Geschwindigkeit Vj — selbst moduliert Der schematisch als Thermoelement dargestellte Empfänger 18 registriert ein thermisches WechselfeldIn a further arrangement, a direct current fed hot wire 16 is shown schematically The static temperature field generated by the hot wire is generated by the flow field 17 - with the velocity Vj - self-modulated The schematically as a thermocouple Receiver 18 shown registers an alternating thermal field

In Fig.5 ist schematisch eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit vs unter Verwendung einer Vergleichsmeßstrecke im ruhenden Medium mit vs = 0 angegeben. Als Sender 19, 21 werden wechselstromgespeiste Hitzdrähte, als Empfänger 20, 22 Thermoelemente verwendet. Aus Frequenz-, Phasen- oder Amplitudenmessungen mit den Empfängern 20 und 22 wird die Strömungsgeschwindigkeit V5 direkt ermittelt Der Einfluß der Ausbreitungsgeschwindigkeit vn der von den Sendern 19, 21 emittierten Temperaturwellen entfälltIn FIG. 5, a device for measuring the flow velocity v s using a comparative measuring section in the stationary medium with v s = 0 is shown schematically. AC-fed hot wires are used as transmitters 19, 21, and thermocouples are used as receivers 20, 22. The flow velocity V 5 is determined directly from frequency, phase or amplitude measurements with the receivers 20 and 22. The influence of the propagation velocity vn of the temperature waves emitted by the transmitters 19, 21 is eliminated

Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings

Claims (5)

25 OO Patentansprüche:25 OO claims: 1. Thermisches Verfahren zur Messung der Geschwindigkeitsverteilung in fluiden Medien, wobei im fließenden Medium an einer oder mehreren Stellen zeitlich wechselnde thermische Änderungen erzeugt werden und an anderen Stellen strömungsbedingte Veränderungen der Eigenschaften dieser Änderungen gemessen werden, dadurch to gekennzeichnet, daß die zeitlich wechselnden thermischen Änderungen mit einer bestimmten konstanten Frequenz erfolgen und an den anderen Stellen Frequenz-, Phasen- oder Amplitudenänderungen der mit dieser Frequenz erzeugten thermischen Wechselfelder gemessen werden.1. Thermal method for measuring the velocity distribution in fluid media, with one or more in the flowing medium Places temporally changing thermal changes are generated and flow-related changes in other places Changes in the properties of these changes are measured, thereby to characterized in that the time-varying thermal changes with a certain constant frequency and at the other points frequency, phase or amplitude changes the alternating thermal fields generated at this frequency can be measured. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Meßstrecken, bestehend jeweils aus einem thermischen Sender und einem thermischen Empfänger im Medium parallel zur zu messenden. Strömungskomponente angeordnet sind.2. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that a or several measuring sections, each consisting of a thermal transmitter and a thermal Receiver in the medium parallel to the one to be measured. Flow component are arranged. 3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet: durch wechselstromgespeiste Hitzdrähte zur direkten Erzeugung der thermischen Wechselfelder. 3. Arrangement according to claim 2, characterized: by AC-fed hot wires for the direct generation of the alternating thermal fields. 4. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Vorrichtungen zur Modulation eines oder mehrerer statischer Temperaturfelder durch ein oder mehrere Felder anderer physikalischer Natur zur indirekten Erzeugung der thermischen Wechsel · felder.4. Arrangement according to claim 2, characterized by devices for modulating one or several static temperature fields through one or more fields of a different physical nature for the indirect generation of thermal alternating fields. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehren; gleiche Meßstrecken im strömenden Medium und zusätzlich eine Vergleichsmeßstrecke im ruhenden Medium angeordnet sind.5. Arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that one or more; the same measuring sections in the flowing medium and an additional comparative measuring section in the stationary Medium are arranged.
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