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Anordnung zum Messen der Geschwindigkeit und Richtung
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eines Gasstromes, insbesondere zum Ermitteln der Vertikalgeschwindigkeit
von Luftfahrzeugen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen der
Geschwindigkeit und Richtung eines Gasstromes, insbesondere zum Ermitteln der Vertikalgeschwindigkeit
von Luftfahrzeugen, bei der der Gasstrom über zwei im Gas strom hintereinander liegende
Thermistoren geleitet wird, die je von einem elektrischen Strom durchflossen sind,
wobei aus dem Vergleich der beiden Ströme ein Meßwert abgeleitet wird, der eine
Funktion der Strömungsgeschwindigkeit und deren Richtung ist Man hat derartige Anordnungen
bisher in Form einer Brückenschaltung aufgebaut (siehe Fig. 1), bei der die beiden
Thermistoren je in einem Zweig der Brücke liegen, aus deren Differentialspannung
dann ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit und deren Richtung abgeleitet werden
kann. Wenn nun eine derartige Anordnung unterschiedlichen Außentemperaturen ausgesetzt
wird, so ändern sich die TemperatuPen der Thermi6toren. Da jedoch im allgemeinen
sowohl die Wärmeableitfaktoren, als auch die Kennlinien des elektrischen Widerstandes
über der Temperatur iür beide Thermistoren unterschiedlich
Bind,
diese Werte aber ihre Wärmebilanz bestimmen, ändern sich ihre Temperaturen, sowohl
als auch ihre eltrischen Widerstände nicht um jeweils gleiche Beträge. Die Folge
davon ist eine Verschiebung des Nullpunktes der Anordnung und damit ein Meßfehler.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese TemperaturabhSnglgkeit
zu beseitigen. Gelöst wird das Problem bei einer Schaltung der eingangs genannten
Art dadurch, daß die Ströme von individuellen Rückkopplungsschaltungen erzeugt werden,
die im Vergleich mit je einem Normalwiderstand die Ströme so einregeln, daß die
Thermistoren auf gleiche Temperaturen aufgeheizt werden, bei denen ihr Widerstandswert
gleich dem des betreffenden Normalwiderstandes ist, und daß den Rückkopplungsschqtungen
den Strömen proportionale elektrische Signale entnommen und einer Vergleichsschaltung
zugeführt werden, deren Ausgangssignal den Meßwert darstellt, wobei mindestens einem
der Eingänge der Vergleichsschaltung ein Signalumsetzer mit variablem Ubersetzungsfaktor
vorgeschaltet ist.
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Durch die Regelungsfunktion der Rückkopplungsschaltung erzeugt diese
jeweils einen von der Außentemperatur abhängigen Strom, bei dem der betreffende
Thermistor so aufgeheizt wird, daß sein Widerstandswert demjenigen des Normalwiderstandes
gleicht. Diese Festhaltung des Widerstandswertes jedes Thermistors bedeutet, daß
damit auch seine Temperatur festgehalten wird. Bei schwankender Außentemperatur
regelt die Rückkopplungsschaltung den durch den betreffenden Thermistor fließenden
Strom entsprechend nach, so daß die AuBentemperatur keinen Einfluß mehr auf die
Temperatur der Thermistoren hat. Wird nun ein Gasstrom über die Thermistoren geleitet,
so wird in bekannter Weise dem von dem Gas strom zuerst beaufschlagten Thermistor
mehr Warme entzogen als dem folgenden Thermistor, was durch die erfindungsgemäe
Anordnung durch eine entsprechende Stromlleferung aus der betreffenden Rückkopplungsschaltung
ausgeglichen wird. Die Differenz der von den beiden Rückkopplung.-schaltungen
geliefeten
Striime gibt damit ein Kriterium für den unterschiedlichen Wärmeentzug bei den beiden
Transistoren und damit für die Geschwindigkeit des Gasstromes. Maßgebend für die
Richtung des Gasstromes ist dann bekanntlich, welchem Thermistor mehr Wärme entzogen
wird.
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Jede Rtekkopplungaschaltung liefert ein dem betreffenden Strom proportionales
eletrisches Signal. Aufgrund der ZufUhrung dieser elektrischen Signale zu der Vergleichsschaltung
ergibt sich ein Ausgangssignal, das den gewünschten Meßwert darstellt. Dieses Ausgangssignal
ist nämlich proportional der Geschwindigkeit des Gasstromes, sein Vorzeichen gibt
die Richtung des Gasstromes an.
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Da nun die beiden Thermistoren bei streng konstanter Temperatur arbeiten,
ist der Einfluß der Unterschiedlichkeit ihrer Widerstands-Temperaturkennlinien eliminiert.
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Es bleibt nun nur noch der Einfluß des Unterschieds der zwei NErmeableitfaktoren
zu berücksichtigen, was einfach ist, da es sich im Gegensatz zum obigen Problem
der Widerstands-Temperaturkennlinien nicht um eine im Prinzip unendliche Anzah-l
von Wertepaaren handelt, sondern nur um ein einziges.
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Zur Lösung dieser zweiten Aufgabe wird nun zusätzlich noch mindestens
einem der Eingänge der Vergleichs schaltung der einen variablen Übersetzungsfaktor
besitzende Signalumsetzer vorgeschaltet, mit dem im Ruhestand, also bei stillstehendem
Gas, das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung auf Null eingestellt werden kann.
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Die Nullstellung des Ausgangssignals bewirkt dabei gleichzeitig das
Verschwinden der Nullpunktdrift, so daß die Ausgangs spannung -bei Strömungsgeschwindigkeit
Null - nicht nur bei der gerade herrschenden Temperatur Null ist, sondern daß sie
durch im gesamten Gebrauchs-Temperaturbereich immer Null bleibt. Dieser wichtige
Effekt würde durch einfache Addition eines konstanten Korrektursignale nicht erreicht.
Beim vorgeschlagenen Verfahren ist dieses nämlich, über die Abhängigkeit der Sondenspannung
von der Temperatur, letztlich eine Funktion der Gehäusetemperatur; außerdem hat
es genau die gewollte Temperaturabhängigkeit.
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Zum Beweis der Stabilisierung des Nullpunkts, genügt est die Wärmebilanz
der beiden Thermistorsonden bei der Strömungsgeschwindigkeit Null zu betrachten:
Für die folgende Analyse sei deshalb # = Q vorausgesetzt.
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Figur 2 zeigt schematisch die Anordnung und definiert die verwendeten
Symbole.
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Der Wärmeverlust einer Sonde ist gegeben durch das Produkt aus ihrem
Wärmeableitfaktor und dem Temperaturgefälle zwischen Sonde und Gehäuse: N1 = K1
(T1 - TG) ) 1 N2 =K2(T2 - TG) Die elektrische Heizleistung einer Sonde ist im stationären
Temperaturgleichgewicht gleich dem Wärmeverlust:
2 in 1 eingesetzt gibt: (ul)2 Rl.K1.(Tl - TG) 2 (U2)² = R2.K2.(T2 - TG) oder
Durch Differentiation der Gleichungen 3 ist leicht zu beweisen, dass eine Temperaturunabhängigkeit
der Differenz Ul, -U2, d.h. des Nullpunkts des Ausgangssignals, nur moglich ist,
wenn T1 =T2. Es wird daher gefordert: T1 = T2 = TS 4 damit wird aus 3
durch Division:
Die Diskussion der Gleichung 5 enthüllt folgendes: 1. Die rechte
Seite von 5 ist eine Konstante (kl und K2 sind konstante Faktoren, R1 und R2 sind
es auch, weil nur von der konstanten Sondentemperatur abhängig). Wegen der Fertigungstoleranzen
in den Kennwerten R1, K1, R2, K2 der Thermistorsonden wird ihr Wert im allgemeine
leicht von 1 abweichen.
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2. Das Verhältnis der beiden Sondenspannungen ist konstant, im allgemeinen
ungleich 1 und von der Gehausetemperatur unabhängig.
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3. Die Differenz (U1 - U2) = UD ist im allgemeinen eine Funktion der
Gehäuse temperatur, da U1/U2 f 1 und U1 von TG abhängt (Gl. 3).
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Aus 3. folgt, dass die Differenz der beiden Sondenspannungen noch
kein gutes Mass fur den Gasstrom ist, weil noch mit einer Temperaturabhängigkeit
behaftet.
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Setzt man nun: U1 = G1.UI 6 U2 = G2.U2 dann wird:
Aus der Differenz der beiden transformierten Spannungen U1 und U2 entsteht nun das
Ausgangssignal UD' = U1' - U2' Dieses Signal wird durch Verstellen des Faktors G1,
z.B. mit Hilfe eines Potentiometers, auf Null gebracht, so dass: 1 t t UD U1 - U2
= oder L
Mit der Nullstellung wurde nun gleichzeitig auch der Faktor G1
so eingestellt, daß
Dies folgt aus Gleichung 7 und 8 9 und 6 in 3' eingesetzt, ergibt: U1 = 1, unabhängig
von TG U2 oder Ul - U2 =Ce, unabhängig von TG x-x-x-x-x-xx Zur Realisierung der
Anordnung gestaltet man die Rückkopplungsschaltung zweckmäßigerweise als Brückenschaltung,
in deren einem Zweig der Thermistor und sein Vergleichswiderstand und in deren anderem
zweig zwei gleiche Widerstände liegen und deren Diagonal spannungen je über einen
Verstärker in Rückkopplung die betreffende Brückenschaltung speisen. Die Schaltung
hat also das Bestreben, stets die Diagonalspannung Null aufrechtzuerhalten, was
sie dadurch bewerkstelligt, daß sie den über den Thermistor geleiteten Strom entsprechend
nachregelt, bis dieser wieder in Folge entsprechender Erwärmung einen dem Vergleichswiderstand
entsprechenden Widerstandswert einnimmt.
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Die Ausgangsspannungen der beiden Verstärker kann man je über einen
Spannungsteiler einem als Vergleichs schaltungen dienenden Differenzverstärker zuführen,
wobei der eine Spannungsteiler einstellbar ist. Mit der Einstellung dieses Spannungsteilers
findet dann die obenLerwähnte Einstellung des Nullpunktes statt. Es ist natürlich
auch möglich, beide Spannungsteiler einstellbar zu gestalten,
jedoch
reicht im allgemeinen die Einstellbarkeit eines Spannungsteilers, um auch größere
Nullpunktsabweichungen kompensieren zu können.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3 dargestellt. In dem GehAuse
G sind die beiden Thermistoren S1 und S2 untergebracht.
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Das Gehäuse G wird in bekannter Weise von einem Gasstrom entsprechend
der eingezeichneten Pfeilrichtung durchströmt. Dabei kann die Richtung je nach der
Ausbildung des Druckes zu beiden Seiten des Gehäuses G natürlich auch umgekehrt
sein. Die beiden Thermistoren SA und SB gehören je zu einer Brückenschaltung A und
B, wobei sie jeweils in einem Brückenzweig in Reihe mit den Normalwiderständen RVA
und RVB liegen. Der andere Brückenzweig wird durch die Widerstände R1A und R2A bzw.
R1B und R2B gebildet.
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Die Diagonalspannung der beiden Brückenschaltungen A und B wird an
den Punkten P1A und P2A bzw. P1B und P2B abgegriffen und jeweils einem Verstärker
VA bzw. VB zugeführt. Der Verstärker VA bzw. VB liefert die der Brücke A bzw. B
zugeführte Brückenspannung. Es liegt damit eine Rückkopplungsschaltung vor, bei
der in Abhängigkeit von der Eingangsspannung des Verstärkers VA bzw.
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VB der Brückenschaltung A bzw. B eine solche Spannung zugeführt wird,
daß sich wieder am Eingang des Verstärkers VA bzw. VB die Spannung Null ergibt.
In diesem Falle fließt durch die Thermistoren SA und SB jeweils ein solcher Strom,
daß deren Temperatur konstant und auf gleicher Höhe gehalten wird. Sinkt nun die
Außentemperatur beispielsweise ab, so verlieren die Thermistoren SA und SB mehr
Wärme, was zu einer entsprechenden Verschiebung des Gleichgewichts der Brückenschaltung
A bzw. B führt. Hierauf reagiert der Verstärker VA bzw. VB, indem er durch entsprechende
Nachlieferung der der betreffenden Brücke zugeführten Spannung dafür sorgt, daß
das Brückengleichgewicht wieder hergestellt ist, wobei dann die Thermistoren SA
und SB wieder ihre alte Temperatur einnehmen.
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Die den VerstErkern VA und VB an den Punkten P3A bzw. P3B entnehmbare
Ausgangsspannung
U3A bzw. U3B fällt jeweils über ein Potentiometer ab, bestehend aus den Widerständen
R3A und R4A bzw. R3B und R4B.
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An den Punkten P4A und P4B wird eine Teilspannung abgenommen, wobei
die beiden Teilspannungen dem Differenzverstärker V3 zugeführt werden, der an seinem
Ausgang ein Ausgangs signal liefert, das den gewünschten Meßwert darstellt. Das
aus den ent Widerständen R3A und R4A bestehende Poiometer ist regelbar ausgebildet,
d.h. sein Abgriff P4A kann verschoben werden. Hierdurch ergibt sich die oben beschriebene
Möglichkeit der Einregelung des Nullwertes der Anordnung. Es wird dabei der Abgriff
P4A so eingestellt, daß bei stehendem Gas im Gehäuse G am Ausgang des Differenzverstärkers
V3 die Spannung Null abgegeben wird.
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wird nun durch das Gehäuse G beispielsweise in Richtung des eingezeichneten
Pfeiles ein Gasstrom geleitet, 8o wird dem Thermistor SA zunächst mehr Wärme entzogen
als dem Thermistor SB, da der Gasstrom durch den Thermistor SA etwas aufgeheizt
wird, so daß der Thermistor SB einen Gasstrom etwas höherer Temperatur erhält als
der Thermistor SA. Dies ist eine auch bei der oben beschriebenen bekannten Schaltung
ausgenutzte Funktion. Die Folge dieses größeren Wärmeentzuges bei dem Thermistor
SA ist, daß die Brücken schaltung A aus dem Verstärker VA einen größeren Strom erhält,
wodurch die Temperatur des Thermistors SA wieder an diejenige des Thermistors SB
angeglichen wird. Dabei entsteht jedoch an dem aus den Widerständen R3A und R4A
bestehenden Potentiometer ein größerer Spannungsabtall, der über den Abgritf P4A
dem betreffenden Eingang des Differenzverstärkers V3 zugeführt wird und zur Abgabe
einer entsprechenden Differenzspannung führt. Diese Ditterenzspannung ist dann hinsichtlich
Höhe und Vorzeichen ein Maß für die Geschwindigkeit des durch das Gehäuse G fließenden
Gasstromes. Dies kann man in bekannter Weise dazu benutzen, die Vertikalgeschwindigkeit
eines Luftfahrzeuges anzuzeigen.