DE2605195C3 - Thermische Sonde zum Messen der Richtung und des Betrages der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums - Google Patents
Thermische Sonde zum Messen der Richtung und des Betrages der Geschwindigkeit eines strömenden MediumsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Geschwindigkeitsmesser ι« 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 52 154 bzw. DD-PS 89 030
vorgestellt werden, weisen hinsichtlich der Umströmung keinen richtungsunabhängigen Aufbau auf.
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 Anströ-
Ji) mung) 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
F> 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. Temperaturfüh-
4") lern (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.
jo 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).
Ti 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
U) 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
br) Gestehungskosten. Eine Schwierigkeit bei der Anwendung
derartiger Sonden besteht in der Empfindlichkeit der Temperaturfühler, die ohne mechanischen Schutz
direkt an der Kugclobcrflächc 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 ausgeführt 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 erfor- ι ο
derliche Leistung wird zur Geschwindigkeitsermittlung verwendet
Um die Strömungsgeschwindigkeit nach Größe und Richtung bestimmen zu können, sind mindestens 4
Segmente, d. h. 4 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 Aufwertungen
erforderlich. Bei einer Erhöhung der Segmentzahl 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 jo
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 ji 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 im 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 Te»nperaturfeld
gemessen wird.
Sol! 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 t>o
Umströmungsverhältnisse zu erhalten, muß die Reynolds-Zahl
Re = <d
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 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
F i g. 1 den schematisch dargestellten Aufbau der thermischen Kugelsonde,
Fig.4 die Empfindlichkeit der Richtungsanzeige —
hier der x-Richtung bei Anströmung in der x—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 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 mil der Meßgröße des
Temperaturfühlers 10 verglichen, der sich in der Metallhalterung 9 befindet und die Temperatur des
Mediums mißt. Die Differenz7 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 die Brücke 12 von einem Kompensationsthermistor 1! über
einen Kompensationsverstärker versorgt
Die schematisch dargestellten Kurven (Fig. 4) wurden im Zuge der Eichung der thermischen
Kugelsonde ermittelt
Wie aus der F i g. 4 ersichtlich, ist nur bei einer bestimmten Dicke der äußeren Metallschicht 7 eine
cosinus-Abhängigkeit gegeben. Diese optimale Metallschichtdicke wurde experimentell ermittelt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
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 angeordnet
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 wärmeleitenden 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. 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.
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
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