DE2605195B2 - Thermische Sonde zum Messen der Richtung und des Betrages der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Geschwindigkeitsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, und zwar eine thermische Sonde, mit der in einem strömenden Medium für jede Komponente des Geschwindigkeitsvektors in einem kartesischen Koordinatensystem je ein Signal erzeugt wird, wodurch die Geschwindigkeit nach Größe und Richtung erfaßt wird.

Thermische Sonden zur Messung der Geschwindigkeit (Größe und Richtung) sind grundsätzlich bereits bekannt (vgL Druckschriften US-PS 33 52 154, DD-PS 89 030, US-PS 33 59 794, US-PS 36 04 261).

Thermische Sonden, wie sie beispielsweise in den Druckschriften US-PS 33 52154 bzw. DD-PS 89 030 vorgestellt werden, weisen hinsichtlich der Umströmung keinen richtungsunabhängigen Aufbau auf.

Die Sende gemäß der Druckschrift US-PS 33 52 154 ist zusammengebaut aus 3 Zylindern, die jeweils in den positiven Achsen des Koordinatensystems angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird die Meßgröße z. B. des Zylinders χ für die Richtung χ bei Anströmung zwischen den Koordinatenachsen (schräge Anströmung) von den benachbarten Zylindern (y- und bzw. oder z-Zylinder) beeinflußt je nach Größe und Richtung der Anströmgeschwindigkeit, was zur Verfälschung der Meßgröße führt Dies kann nur durch erhöhten Korrekturaufwand bei der Auswertung (Aufstellung zahlreicher Eichkurven für verschiedene Geschwindigkeitsbereiche) berücksichtigt werden.

Bei der Sonde entsprechend der Druckschrift DD-PS 89 030, die eine an und für sich isotrope (richtungsunabhängige) Wärmequelle besitzt, wird die Richtungsunabhängigkeit durch die Anordnung und Befestigung der Temperaturfühler (begrenzte Zahl von diskreten Punkten auf einer gedachten Kugeloberfläche) gestört Außerdem wird bei Anströmung in einer Richtung zwischen den Koordinatenachsen bzw. Temperaturfühlern (schräge Anströmung) die Wärme durch den Medienstrom selbst zwischen zwei sich gegenüberliegenden Fühlern wegtransportiert Dies kann dazu führen, daß diese beiden Fühler nicht mehr erwärmt werden und verfälschte Meßgrößen liefern.

Grundsätzlich sind auch bereits thermische Sonden bekannt, die hinsichtlich der Umströmung einen richtungsunabhängigen Aufbau aufweisen (US-PS 33 59 794, US-PS 36 04 261).

Bei der aus der Druckschrift US-PS 33 59 794 bekannten Kugelsonde (richtungsunabhängige Umströmung) werden eine Vielzahl von Fühlern gleichzeitig als direkte Heizquellen an der Kugeloberfläche und als Temperaturfühler verwendet Durch die Umströmung der Kugel wird jeder Fühler mehr oder minder abgekühlt Die Auflösung wird durch die Anzahl der Fühler bestimmt Für die Geschwindigkeitsermittlung ist es erforderlich, die Meßgrößen jedes einzelnen Fühlers auszuwerten; derartige Auswertungen erfordern einen hohen Aufwand (Rechner) und erhöhen die Gestehungskosten. Eine Schwierigkeit bei der Anwendung derartiger Sonden besteht in der Empfindlichkeit der Temperaturfühler, die ohne mechanischen Schutz direkt an der Kugeloberfläche angeordnet sind.

Eine andere thermische Kugelsonde nach der Druckschrift US-PS 36 04 261 verwendet zur Geschwindigkeitsermittlung vier oder mehr Segmente an der Kugeloberfläche. Jedes dieser Segmente ist als Heizquelle und Temperaturfühler ausgeführ* und wird auf konstanter Temperatur gehalten. Je nach Größe und Richtung der Strömungsgeschwindigkeit werden den einzelnen Segmenten unterschiedliche Wärmemengen entzogen. Die zur Konstanthaltung der Temperaturdifferenz zwischen Medium und Kugeloberfläche erforderliche Leistung wird zur Geschwindigkeitsermittlung verwendet

Um die Strömungsgeschwindigkeit nach Größe und Richtung bestimmen zu können, sind mindestens 4 Segmente, d. h. t Temperaturfühler, 4 Heizquellen und 4 Regelkreise erforderlich. Soll die Strömungsgeschwindigkeit bei diesem 4-Segment-System durch ihre Vektoren in einem kartesischen Koordinatensystem ermittelt werden, sind hierzu aufwendige Auswertungen erforderlich. Bei einer Erhöhung der Sepnentzahl auf acht ist es gegebenenfalls möglich, die Segmente so anzuordnen, daß sie einem kartesischen Koordinatensystem zugeordnet werden können, wodurch die Auswertung zwar vereinfacht wird, sich durch die größere Anzahl der Segmente die Gestehungskosten aber erhöhen (8 Temperaturfühler, Heizungen und Regelkreise).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine thermische Kugelsonde so zu gestalten, daß die erwünschte Temperaturverteilung auf der Oberfläche gewährleistet ist, die direkt den Komponenten des Geschwindigkeitsvektors entspricht, wenn sich die Temperaturfühler auf den Achsen eines zugeordneten Koordinatensystems befinden. Außerdem sollte berücksichtigt werden, daß gegebenenfalls im zu messenden Medium vorhandene Partikelchen (z.B. Schwebstoffe im Abwasser) keine Verfälschung der Meßgrößen herbeiführen.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre nach den Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst, vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet

Dadurch erhält man eine Kugelsonde, die ini nicht angeströmten Zustand auf der ganzen Oberfläche die gleiche Temperatur aufweist, deren Temperaturverteilung sich durch die Strömung derart einstellt, daß die Temperaturfühler ein Signal erzeugen, das sinus- bzw. cosinusförmig von der Anströmungsrichtung abhängt, und die eine gleichmäßige Empfindlichkeit der Meßanzeige in allen Richtungen gewährleistet mit möglichst wenigen Temperaturfühlern. Entscheidend hierfür sind die isotrope Heizquelle im Kugelinneren und die dünne äußere, gut wärmeleitende Schicht, deren Temperaturfeld gemessen wird.

Soll die Kugel brauchbar sein, so muß sie noch einer weiteren Bedingung genügen: Es muß beim Wärmetransport von der Anströmseite zur Leeseite ein Abreißen der Strömung verhindert werden. Daraus folgt, daß die Umströmung der thermischen Sonde laminar vor sich gehen muß. Um möglichst laminare Umströmungsverhältnisse zu erhalten, muß die Reynolds-Zahl

klein sein. Da sowohl die Geschwindigkeit im Abwasserbecken als auch die Viskosität der Flüssigkeit vorgegeben sind, muß die charakteristische Länge möglichst klein gehalten werden- Der derzeit geringste Durchmesser, bei dem die Kugel herstellbar ist, beträgt 25 mm.

Es ist nunmehr die Möglichkeit gegeben, die Strömungsgeschwindigkeit jedes fließenden Mediums, welches sich in einem vertretbaren Temperaturbereich befindet, durch Eintauchen der Kugel und Ablesen der sich einstellenden Zeigerausschläge an den Meßskalen

ι ο des Gerätes nach Größe und Richtung festzustellen.

Das Gerät schließt eine echte Lücke in der Meßtechnik, da es vornehmlich für kleine Geschwindigkeiten entwickelt und dafür auch optimal geeignet ist Es sind dies Geschwindigkeiten, wie sie insbesondere in der Klärtechnik auftreten. Das Gerät arbeitet optimal bei Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 2 mm/s und 15 mm/s. Es wird somit gerade jeder Bereich erfaßt, der bei Nachklärbecken vorherrscht

Die Erfindung wird in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 den schematisch dargestellten Aufbau der thermischen Kugelsonde,

F i g. 2 die Anordnung der Richtungsthermistoren, F i g. 3 die Blockschaltung des Strömungsmeßgerätes, Fig.4 die Empfindlichkeit der Richtungsanzeige — hier der x-Richtung bei Anströmung in der χ — y-Ebene — bei unterschiedlich dicken äußeren Metallschichten.

Die thermische Kugelsonde (Fig. 1) ist innen hohl, um die Empfindlichkeit des Gerätes zu steigern und damit dem Idealfall einer punktförmigen Heizquelle nahezukommen (Vermeidung der Aufheizung einer zu großen Masse). Bei massivem Innenkern würde sich dieser erwärmen und eine zu große Zeitverzögerung bei der Anzeige der Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen Kugel 3.7 und Medium bewirken. Die innerste Schicht der Kugel 3.7 besteht aus gewickeltem Heizdraht und stellt die Heizquelle dar 4. Auf diese Schicht folgt eine Zwischenschicht mit begrenzter Wärmeleitfähigkeit 3, an deren Oberfläche die Richtungsthermistoren 6 eingebettet sind.

Die darauffolgende Schicht besteht aus Kupfer 7. Den Abschluß bildet eine dünne Goldschicht

In der Heizschicht 4 ist ein Temperaturfühler 5 eingebaut, der die Temperatur der Heizung mißt In der Metallhülse 9 der Kugelhalterung 8 befindet sich ein weiterer Temperaturfühler 10 zur Messung der noch unbeeinflußten Temperatur des Mediums und ein Temperaturfühler 11 zur Kompensation der temperaturabhängigen Empfindlichkeit der Brückenschaltung

so der Richtungsthermistoren 6 bei unterschiedlicher Temperatur des Mediums.

Die Richtungsthermistoren 6 sind in einem räumlichen rechtwinkeligen Achsenkreuz paarweise angeordnet (F i g. 2). Sie sind in die Oberfläche der Zwischenschicht mit begrenzter Leitfähigkeit 3 eingebettet

In der Blockschaltung (F i g. 3) ist das Zusammenwirken der thermischen Kugelsonde und der sich darin befindlichen Fühler mit den Regel- und Anzeigeeinheiten dargestellt, die sich im Meßkasten befinden. Die Meßgröße des Temperaturfühlers 5, der die Temperatur der geheizten Metallkugel 4 mißt, wird im Temperaturvergleicher und in der Regelstufe mit der Meßgröße des Temperaturfühlers 10 verglichen, der sich in der Matallhalterung 9 befindet und die Temperatur des Mediums mißt. Die Differenz dieser Meßgrößen steuert die Leistungsstufe der Heizung. Falls eine Abweichung von der vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen Kugel und Medium erfolgt, wird über die Leistungsstufe

die Heizung nachreguliert. Die Temperaturfühler 6 für die richtungsabhängige Anzeige sind paarweise für die 3 Koordinatenachsen je in einer Brücke 12 zusammengeschaltet Dies führt zur Erhöhung der Empfindlichkeit und ermöglicht einen einfachen Null-Abgleich der Kugel 3.7. Die Differenzsignale, die in der Brücke 12 bei Anströmung der Kugel entstehen, werden für die 3 Richtungen in getrennten, hochohmigen Differenzverstärkern verstärkt und an den Meßskalen des Gerätes angezeigt. Zur Kompensation der temperaturabhängigen Empfindlichkeit der Temperaturfühler 6 wird di( Brücke 12 von einem Kompensationsthermistor 11 übe: einen Kompensationsverstärker versorgt.

Die schematisch dargestellten Kurven (Fig. 4 wurden im Zuge der Eichung der thermischei Kugelsonde ermittelt.

Wie aus der Fig.4 ersichtlich, ist nur bei eine bestimmten Dicke der äußeren Metallschicht 7 eim cosinus-Abhängigkeit gegeben. Diese optimale Metall schichtdicke wurde experimentell ermittelt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Thermische Sonde zum Messen der Richtung und des Betrages der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums mit mindestens sechs an der Oberfläche einer Kugel angeordneten Temperaturfühlern, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern der Kugel (3.7) eine isotrope Heizquelle (4) angeordnet ist, die auf einer um einen konstanten Betrag über der Eigentemperatur des Mediums liegenden Temperatur gehalten wird, daß zwischen der Heizquelle (4) und einer relativ dünnen äußeren Schicht (7) hoher Wärmeleitfähigkeit eine Zwischenschicht (3) geringerer Wärmeleitfähigkeit angeord- is net ist, die über die gesamte Oberfläche eine isotrope Wärmeverteilung ermöglicht, und daß je zwei gegenüberliegende Temperaturfühler (6) auf den drei senkrecht zueinander stehenden Koordinatenachsen vorgesehen sind, die die Temperatur der äußeren Schicht messen.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (3.7) hohl ist und an der Innenseite der Zwischenschicht (3) eine Heizschicht (4) angebracht ist, in welcher sich ein Temperaturfühler (5) für die Temperatur der Heizschicht befindet, daß die Temperaturfühler (6) an der Innenseite der äußeren Schicht (7) angebracht sind, die aus einer oder mehreren Metallschichten besteht, daß die Hohlkugel (3.7) mit einer wenig wärmelei- jo tenden Halterung (8) verbunden ist, in welcher die elektrischen Leitungen für die Heizschicht (4) und die Temperaturfühler (5, 6) angeordnet sind, und welche an einem weiteren Metallrohr (9) befestigt ist, das mit der x—y und der z— y-Ebene des Koordinatensystems je einen Winkel von 45° einschließt, und daß ein weiterer Temperaturfühler (10) zum Messen der Temperatur des Mediums im Metallrohr (9) eingebaut ist

3. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler für die Richtungsanzeige (6) elektrisch so geschaltet sind, daß sie jeweils einen Zweig einer Brückenschaltung (12) bilden, die dadurch bei Anströmung Größe und Richtung der Strömung anzeigt 4 >

4. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) aus begrenzt wärmeleitendem Material im üblichen Temperaturbereich elektrisch nicht leitend ist (z. B. Epoxydharz).

5. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (7) aus einer Silber-, Kupfer- und Goldschicht besteht, die über die gesamte Oberfläche eine isotrope Wärmeverteilung ermöglicht

6. Meßsonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (7) aus einer 0,001mm starken Silberschicht, einer 0,120 mm starken Kupferschicht und einer 0,020 mm starken Goldschicht besteht

7. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler (5, 10) für die Heizquelle und das Medium Halbleiterdioden sind.

8. Meßsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler (6) für die Richtungsanzeige Thermistoren sind. b5

9. Meßsonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der temperaturabhängigen Empfindlichkeit der Thermistoren in der Brückenschaltung (12) ein weiterer Thermistor (11) zur Messung der Eigentemperatur des Mediums im Metallrohr (9) eingebaut ist