DE2711281A1

DE2711281A1 - Richtungsempfindlicher heissfilm- anemometer-wandler

Info

Publication number: DE2711281A1
Application number: DE19772711281
Authority: DE
Inventors: Robert S Djorup
Original assignee: KYMA CORP
Current assignee: KYMA CORP
Priority date: 1976-06-11
Filing date: 1977-03-15
Publication date: 1977-12-15
Also published as: CA1057528A; BE852881A; CH613524A5; DE2711281C3; DE2711281B2; US4024761A; GB1579581A

Description

betreffend
Richtungsempfj ndlicher Heissfilm-Anemometer-Wandler

Die Erfindung betrifft einen richtungsempfindlichen Heissfilm-Anemometer-Wandler.

Die Erfindung bezieht sich insgesamt auf Anemometerbzw. Windmessfühlvorrichtungen zum Feststellen der Bewegung eines Fluides relativ zur Vorrichtung, und etwas genauer auf eine Wandlervorrichtung, die elektrisch selbst aufgeheizte Leiter verwendet, um die Geschwindigkeit, die Massenströmung und die Richtung der Bewegung des Fluids, in das der Wandler eintaucht, zu bestimmen.

Zum Messen klassischer Fluid^strömungsparameter sind verschiedene Arten von thermisch arbeitenden Anemometersensoren entwickelt wurden. Beispiele solcher Sensoren und zugehörige Schaltungen sind in den US-PSen 3 138 025, 3 333 470, 3 352 154, 3 640 261 und insbesondere in der US-PS 3 900 819 beschrieben. Die Erfindung behebt einige»bei dem in der letztgenannten US-PS beschriebenen Wandler auftretende Schwierigkeiten und Nachteile.

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Mit zwei Elementen arbeitende Wandler, die entsprechend der Lehre der US-PS 3 900 819 aufgebaut sind, stellen zwar eine merkliche Verbesserung gegenüber der Verwendung eines heissen Drahtes und anderer mechanisch sehr empfindlicher Fühlelemente dar; es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Verwendung von Metallfilmen, die auf hohlen, zylindrischen Keramikgrundkörpern getragen sind, besonders empfänglich für die Beschädigung durch leichte Stösse mit

Graupelteilchen, Hagelkörner, Kies- bzw. Sandkörnchen, Pinseln -und sogar sorgfältigen Fingern ist. Wenn diese Einheiten auf hohen, isolierten Türmen, entfernt von der Erde und von Leuten, angebracht sind, haben sie sich als einigermassen verlässlich herausgestellt mit der Ausnahme, dass sie gefrorenen Niederschlägen ausgesetzt sind. Es wurde desweiteren beobachtet, dass das gemessene Kosinusansprechverhalten der Wandleranordnung in keiner Weise nahe dem idealen Verhalten ist. Es scheint so, dass maximale Fehler in der Winkelmessung durch Paare konjugierter Wandler an oder nahe den 45°-Stellen zwischen den Kardinalpunkten von 0°, 90°, 180°, 270° und 360° auftreten.

Im Hinblick auf das Gesagte besteht eine wesentliche, der Erfindung ztagrundeliegende Aufgabe darin, einen richtungsempfindlichen Keissfilm-Anemometer-Wandlerzu schaffen, der die genannten Nachteile bisheriger Fluidströmungssensoren nicht aufweist und einwandfrei funktionstüchtig ist.

der diese Aufgabe löst, Ein richtungsempfindlicher Heissfilm-Anemometer-Wandler,J

ist im Anspruch 1 und mit vorteilhaften Ausgestaltungen in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäss wird ein Anemometer-Wandler geschaffen, der keine beweglichen Teile hat, einen breiten dynamischen Betriebsbereich aufweist und der einem extrem grossen Bereich extremer Umwelteinflüsse ausgesetzt werden kann einschliesslich der andauernden Aussetzung gefrorenen Niederschläge! wie es bei Wetterstationen in den Bergen oder in nördlichen Bereichen der Fall ist, ohne dass die Notwendig-

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keit für eine teure mechanische korbartige schützende Umhüllung oder eine zusätzliche enteisende Aufheizung der

mit der schützenden Schicht besteht, indem esvschützenden Struktur selbst weggetan wird.

Erfindungsgemässe mehrelementige Widerstandswandler enthalten ein Paar zylindrischer Anemometer-Fühlelemente, die selbst vor einem zentralen oder dritten Tragteil getragen werden. Das dritte Tragteil selbst ändert das Messungsansprechverhalten des Paars Fühlelemente nicht nachteilig; bei speziellen Anwendungen kann das dritte Tragteil dazu verwendet werden, das Paar von Anemoraeter-Fühlelementen thermisch vorzuspannen, um dadurch in Übereinstimmung mit dem Kosinusgesetz zu verbessern, wenn sie als Richtungsfühlvorrichtungen verwendet werden. Jedes der drei grösseren Konstruktionselemente oder Bauteile hat zylindrischen Querschnitt; die äuEseren beiden Elemente können aktiv sein, wobei das zentrale Tragteil als passives mechanisches Tragteil dient oder das zentrale Tragseil auch als ein drittes aktives Element dienen kann, wodurch die Widerstandsverteilung und die Temperaturverteilung selektiv geändert werden können, um das räumliche Ansprechverhalten des primären Fühlelementpaars auf einfallende Wind- oder Fluidströmung zu verändern. Die getragene, paarige Bauteilekonstruktion eignet sich besonders gut zur Verwendung als Wandler zum Messen der Geschwindigkeit und Richtung einer ozeanischen Strömung, weil sie eine grosse mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber schwimmender und untergetauchter Materie hat. Eine einzeln endende Ausbildungsform des Wandlers, die später als ein freitragender Wandler bezeichnet wird, kann mit einem kleinen Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis konstruiert werden, wobei absichtlich die Kosinus-Charakteristik gestört wird und eine Sinuskomponente kleiner Grösse zuaddiert wird, die einen senkrecht orientierten Wandler relativ unempfindlich gegenüber Änderungen des Kippwinkels macht, aber das Vermögen des Wandlers, das Vorzeichen der Richtung einer Windströmung in den beiden waagerechten 180°-Sektoren zu bestimmen, nicht nachteilig beeinflusst.

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Zusammenfassend schafft die Erfindung einen richtungsempfindlichen Heissfilm-Anemometer-Wandler zum Feststellen der Geschwindigkeit und der Richtung eines Fluidgeschwindigkeitsvektors, der die Bewegung des Fluids, in das der Wandler eintaucht, beschreibt. Der Wandler ist aus zwei zylindrischen, widerstandsbehafteten elektrischen Leitern konstruiert, die auf jeder Seite eines dritten zylindrischen Bauteils angebracht sind, das zur mechanischen Halterung verwendet wird und das auch als ein vorgeheizter, widerstandbehafteter elektrischer Leiter verwendet werden kann, um das räumliche Richtungsansprechverhalten des drei element igen V/andlers zu verbessern. Die drei zylindrischen Elemente sind so gehalten, dass ihre Achsen innerhalb einer Sbene liegen, und sind mittels einer Uberbrückungseinrichtung verbunden, die zwischen den Leitern eine gewisse thermische Isolierung schafft, um die Bestimmung der augenblicklichen Fluidströmungsrichtung zu unterstützen. Die ÜberbrUckungseinrichtung dient primär dazu, einen aerodynamischen Weg zwischen den Leitern zu verschliessen, so dass die Wandleranordnung als ein einziges Element mit konstanter Temperatur funktioniert, wenn sie mittels eines Konstant-Temperatur-Anemometer-Elektronik-Steuersystems erregt ist, das elektronisch mit jedem Leiter der Wandleranordnung verbunden ist. Die elektrischen Leiter können metallische oder Widerstands-Filme sein, die auf einem zylindrischen Grund- bzw. Drahtkörper abgeschieden sind. Jeder Leiter, der innerhalb des Wandlers aktiv verwendet wird, besteht aus einem Material, dessen elektrischer Widerstand sich als eine Funktion der Temperatur ändert. An jedem Ende jedes Leiters sind elektrische Anschlüsse vorgesehen, damit jeder Leiter getrennt durch seinen eigenen elektrischen Strom aufgeheizt werden kann. Die Leiter der Wandleranordnung können in Form einer freitragenden oder mit einem Ende ausgebildeten Baugruppe hergestellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es stellen dar:

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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines richtungsempfindlichen Heissfilm-Anemometer-Wandlers;

Fig. 2 eine Querschnitt^ansicht des Wandlers gemäss Fig. 1 geschnitten längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform eines Wandlers, bei der das zentrale tragende Element ein gerader Stab ist;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren abgeänderten Ausführungsform eines Wandlers, bei der das zentrale tragende Element etwa die gleiche Länge wie die beiden seitlichen getragenen Leiterelernente hat;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines freitragend oder mit einem Ende ausgebildeten Wandler, bei dem die elektrischen Anschlüsse an einem Ende vorgesehen sind;

Fig. 6 eine Schnittansicht des Wandlers gemäss Fig. 5, geschnitten längs der Linie 6-6 von Fig. 5;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Wandlers, bei dem drei parallel gehaltene elektrische Widerstandsfühlelemente verwendet werden;

Fig. 8 eine Schnittansicht des Wandlers gemäss Fig. 7, geschnitten längs der Linie 8-8 in Fig. 7;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer gegenüber Fig. 7 abgeänderten Ausführungsform, bei der der widerstandebehaftete Leiter des zentralen Tragelements in einem begrenzten Bereich des zentralen Elements angeordnet ist;

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Temperaturverteilung axial längs des Wandlers gemäss Fig. 9;

Fig. 11 ein Beispiel einer Schaltung, v/ie sie für die Wandler gemäss Fig. 1, 3, 4, 5, 7 und 9 verwendet werden kann;

Fig. 12 das polare Ansprechverhalten, das mit einem Wandler erzielbar ist, wenn die von der Schaltung gemäss Fig. 11 abgeleiteten Ausgangssignale entsprechend verarbeitet, linearisiert und kombiniert werden.

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Bezugnehmend auf Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 insgesamt einen richtungsempfindlichen Heissfilm-Anemometer-Wandler. Der Wandler 10 enthält ein Paar zylindrischer Bauteile oder Elemente 11a und 11b, die widerstandsbehaftete Fühlelemente sind, deren Länge "L" gewöhnlich grosser ist als ihr Durchmesser "D". Beide Fühlelemente 11a und 11b sind symmetrisch längs eines zentralen, zylindrischen ments oder Tragteils 15 angeordnet, an dem sie mechanisch

einer

mittels eines Klebers oderVÜberbrückungseinrichtung 12a und 12b befestigt sind. Die Körper der Fühlelemente 11a und 11b weisen an jedem Ende eine Anschlusseinrichtung auf, die an einem Ende durch eine Endanschlusseinrichtung 13a und 13b und elektrische Anschlussdrähte 17a und 17b und am anderen Ende durch Endajischlusseinrichtungen 14a und 14b und Anschlussdrähte 16a und 16b gebildet ist. Das Tragteil 15 ist als ein starrer, geformter Draht ausgebildet, der aus Stahl oder Edelstahl bestehen kann und der gesamten Wandleranordnung mechanische Steifigkeit und Stossfestigkeit verleiht. Die Körper der Fühlelemente 11a und 11b haben einen gleichmässigen Widerstand und die Anschlusseinrichtungen 13a» 13b» 14a und 14b bestehen aus ähnlichem Material, um für den gesamten Wandler das höchstmögliche Signal/Rauschverhältnis zu erreichen. Die Anschlussleitungsdrähte 16a, 16b, 17a und 17b bestehen ebenfalls aus einem Material, das ähnlich dem für die Endanschlusseinrichtungen 13a, 13b, 14a und 14b verwendeten ist, um unerwünschtes, falsches elektrisches Rauschen zu vermeiden. Das normalerweise verwendete Material ist getempertes Platin, das extrem verformbar ist und eine geringe tragende Festigkeit hat, wenn es in Form von Leitungsdrähten mit kleinem Durchmesser verwendet wird; das zentrale zylindrische Tragteil 15 erhöht daher die Steifigkeit des Wandlers und verringert seine Empfindlichkeit gegenüber Stossbeschädigungen durch Finger, Pinsel» , Graupel, Hagelkörner, Sand und ähnliche Fremdobjekte. Andere Materialien, die für die Fühlelemente 11a und 11b und die zugehörigen elektrischen Anschlüsse verwendet werden können, sind in den US-PSen 2 252 154 und 3 900819 beschrieben.

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Fig. 2 zeigt einen typischen Querschnitt eines Wandlers 10 der in Fig. 1 dargestellten Art. Die Fühlelemente 11a und 11b sind an jeweils einer Seite eines starren Tragteils 15 gehalten, das aus Stahl oder Edelstahl bestehen kann, wenn es gemäss Fig. 1 gebogen werden soll, um das Anbringen des Wandlers derart zu erleichtern, dass eine aerodynamische Beeinflussung von der Haltevorrichtung her möglichst weitgehend vermieden wird, oder es kann aus anderem Material, wie hochtemperaturfestem Keramikmaterial oder Kunststoff bestehen.

Das Fühlelement 11a besteht aus einem hohlen, rohrförmigen, hochtemperaturfesten Grundzylinder 18a aus Aluminiumoxid, auf dessen Oberfläche gleichmässig durch Brenne©, Sintern, Bedampfen oder mittels einer anderen Abscheideeinrichtung eine dünne Beschichtung aus Platiruneta.il 19a niedergeschlagen ist, die eine weitere Schicht 20a aus schmelzgeformtem Siliciumoxid, Aluminiumoxid oder einem anderen schützenden Beschichtungsmaterial aufweist, das einen Abrasions- und Verschleißschutz für den Platinfilm 19a bildet. Typische Abmessungen des Substrats 18a sind ein Zylinderdurchmesser von 6 min mit einem Bohrungsdurchmesser von 3 mm und einer Länge von 25,^ mm.

Ein grosses Längen(L)-zu-Durchmesser(D)-Verhältnis bewirkt eine grössere Winkelempfindlichkeit für eine Luftströmung in der Ebene, die die Achsen der Zylinder 11a, 15 und 11b enthält. Eine Strömung aus der Ebene, wie durch den Strömungswinkel<%. dargestellt, kann in ihrer Richtung durch das Fühlelementpaar 11a und 11b über einen 36O°-Winkelbereich festgestellt v/erden. Das Vorzeichen der Richtung kann durch elektrische Feststellung des Widerstandes jedes Fühlelements 11a und 11b bestimmt werden, indem die Widerstände mittels einer elektrischen Schaltung, wie sie in der US-PS 3 900 819 beschrieben ist, miteinander verglichen werden. Bezüglich einer Beschreibung der Funktion der beiden Fühlelemente als richtungsempfindlicher Strömungsmesswandler

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wird ausdrücklich auf die US-PS 3 900 819 Bezug genommen. Das Fühlelement 11b ist ähnlich dem Fühlelement 11a aufgebaut.

Die Überbrückungseinrichtungen 12a und 12b können aus einem halbflexiblen, thermisch isolierenden adhäsiven Material, beispielsweise bei Raumtemperatur vulkanisierendem Silikonkautschuk bestehen, das dazu dient, die Fühlelemente 11a und 11b am zentralen Tragteil 15 festzuhalten und zu befestigen. JSs können auch andere Materialien verwendet werden, sie sollten jedoch nicht mehr als 180° des Umfangs jedes Fühlelements 11a oder 11b bedecken, damit sie das räumliche Ansprechverhalten des Wandlers auf die auftreffende Strömung nicht nachteilig beeinflussen. Andererseits kann eine fast infinitesimale Menge adhäsivem Materials 12a und 12b verwendet werden, um den aerodynamischen Spalt zwischen den Fühlelementen 11a und 11b und dem Tragteil 15 gerade zu verschliessen.

In der Praxis sollte das zentrale Tragteil 15 in seinem Durchmesser nicht viel grosser sein als die Fühlelemente 11a und 11b, damit das Entstehen eines grossen Staubereiches vor den Fühlelementen 11a und 11b vermieden wird, welcher Bereich durch die Geometrie des zentralen Tragelements 15 bestimmt oder erzeugt wird und nicht durch die Geometrie der Fühlelemente selbst. Damit der Wandler eine wirksame Richtungsabhängigkeit zeigt, muss in erster Linie die Elementengeometrie das lokale Strömungsfeld um die Wandleranordnung bestimmen.

Eine typische Dicke des Platinfilms 19a und 19b liegt im Bereich zv/ischen 2500 bis 5000 S; ein 25,4 mm langes Fühlelement 11a oder 11b mit einem Durchmesser des Substrats 18a oder 18b von 6,1 mm hat einen Widerstand von etwa 3 bis 5 0hm bei Raumtemperatur. Die Schutzbeschichtung 20a oder 20b ist etwa 0,01 bis 0,02 mm dick. Wenn Aluminiumoxidbeschichtungen verwendet werden, liegt die Schichtdicke bei etwa 0,05 bis 0,1 mm, um Gasdichtigkeit zu gewährleisten.

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Fig. 3 zeigt einen richtungsempfindlichen Ileissfilm-Anemometer-Wandler 10a, der insgesamt dem anhand der Fig.

beschriebenen ähnlich ist, der aber ein gerades, zylindri-

oder sches Tragteil 15 verwendet, das aus MetallvKeramikmaterial bestehen kann, v/eil es nicht gebogen ist. Die Wandlermontage geschieht durch Halten jedes Endes des zylindrischen TragteilS 15.

Fig. 4 zeigt einen Wandler 10b, der ähnlich dem in Fig. 1 und 3 beschriebenen ist und ein zentrales, zylindrisches Tragteil 15 vollendet, das die gleiche Länge hat wie die Fühlelemente 11a und 11b. In der Aueführungsform gemäss Fig. 4 geschieht die Wandlerhalterung mittels der elektrischen Anschlussleitungsdrähte 16a, 16b, 17a und 17b selbst. Das zentrale Tragteil 15 liefert einen festen Halt für die zerbrechlichen zylindrischen Substrate 18a und 18b gemäss Fig. ?., wenn kleine Abmessungen verwendet werden. Eine Querschnittsansicht der Ausführungsformen gemäss Fig. 3 und 4 wäre mit der Querschnittsansicht gemäss Fig. 2 identisch.

Fig. 5 zeigt eine freitragende Ausfuhrungsform 10c eines Wandlers, v/ie er in Fig. 1 und 3 dargestellt ist, der an einem Ende gehalten werden kann, ohne daß es zu aerodynamischen Beeinflussungen mit den Bauteilen des Wandlers selbst kommt. Das zentrale Tragteil 15a ist in diesem Falle ein hohles, rohrförmiges zylindrisches Bauteil, durch das der äussere elektrische Leitungsdraht 21 hindurchgeführt ist, der an einer Verbindungsstelle 22 mit Verteilerleitungsdrähten 16a und I6b verbunden ist, die an den Endanschlusseinrichtungen 14a und 14b befestigt sind, wodurch für die äusseren Enden der Fühlelemente 11a und 11b ein gemeinsamer elektrischer Anschluss geschaffen ist. Das innere oder getragene Ende des freitragenden Wandlers weist Leitungsdrähte 17a und 17b auf, die über die Endendanschlüsse 13a und 13b mit den Fühlelementen 11a und 11b verbunden sind. Wenn das zentrale Tragteil 15a aus Metall besteht, muss der

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Leitungsdraht 21 elektrisch isoliert sein, oder das zentrale Tragteil 15a kann bei bestimmten V/andleranwendungen selbst der elektrische Leiter sein.

Fig. 6 stellt den Querschnitt des Wandlers 10c gemäss Fig. 5 dar und zeigt die Lage des durch die Bohrung des zentralen Tragteils 15a hindurchgefühlten Leitungsdrahtes Das zentrale Tragteil 15a kann aus dem gleichen Material bestehen wie die Grundkörper bzw. Substrate 18a und 18b.

Fig. 7 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform 10 d des Wandlers gemäss Fig. 1, bei der das zentrale Tragte.il 15b als ein aktives Heissfilm-Fühlelement, ähnlich den Fühlelementen 11a und 11b verwendet wird, und eine Vorheizung des zentralen Bereiches der axialen Wandleranordnung bildet. Es wurde festgestellt, dass mittels einer solchen Heizungsvergrosserung bei kleiner zusätzlicher Leistung eine Erhöhung der Empfindlichkeit von zweielementigen Sensoren der Art, wie sie in der US-PS 3 900 819 beschrieben sind, erreicht werden kann, weil das dritte Element auf der thermischen Leeseite der Fühlelemente 11a und 11b liegt. Mit anderen Worten absorbiert das leewärtige Fühlelement, das vom einfallenden Wind abliegt, nun keine Leistung von dem Sensor am vorausliegenden Rand, der vom einfallenden Wind abgekühlt wird. Die Endanschlüsse 13c und 14c werden verwendet, um die Leitungsdrähte 17c und 16c am zentralen Tragteil 15b zu befestigen; die mechanische Halterung des Wandlers 1Od geschieht durch die Leitungsdrähte 16a, 16b, 16c und 17a, 17b und 17c.

Fig. 8 zeigt den Querschnitt des Wandlers 1Od der Fig. 7, wonach ersichtlich ist, dass das zentrale Tragteil 15b ähnlich den Fühlelementen 11a und 11b ist, wobei das keramische Substrat 18c ähnlich den Substraten 18a und 18b ist, die Wjderstandsfilme 19a, 19b und 19c und die schützenden Beschichtungen 20a, 20b und 20b ähnlich ausgebildet sind. -

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Fig. 9 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform 1Oe des Wandlers der Fig. 7, bei der der fühlende Film 19c in zwei Segmente 19c¹ und 19c" unterteilt ist, so dass er sich nahe den Enden des zentralen, fühlenden Tragteils 15c befindet. Beispielsweise sind die Zonen A und A¹ im wesentlichen ei-

gleich nem Segment 19c "■ mit niederem Widerstand, der Zone B,vdargestellt, die eine elektrische Verbindung zwischen den Enden der Segmente 19C und 19c" schafft, wo sie amzentralen Halteteil 15c liegen. Diese unbeheizte Zone B, die durch den Leiter 19c"! gebildet ist, verläuft vollständig um das zentrale, fühlende Tragteil 15c herum. Die Endkappen 13c und 14c bilden eine Anschliasseinrichtung für die elektrische Befestigung von Leitungsdrähten 17c und 16c an den äusseren Enden der Filme 19C und 19c". Der Querschnittsaufbau des Wandlers der Fig. 9 ist der gleiche wie der in Fig. 8 dargestellte.

Fig. 10 zeigt die Art, in der die Temperaturverteilung längs der Länge der Wandleranordnung der Fig. 9 an eine gerade Linie angenähert verbessert werden kann, wobei das Bezugszeichen 22 die ungefähre Form der Temperaturverteilung des nicht-vorgeheizten oder unkompensierten Wandlers der Fig. 1 zeigt. Die Kurven 23a und 23b zeigen die Verbesserung, die durch die Aufheizung der Fühlelementbereiche 19c· und 19c" der Fig. 9 erzielbar ist. Die Enden des Wandlers neigen dazu, wegen WärmeIeitungsverlust durch einen Schaft und den Leitungsdraht sowie dadurch, dass die Endkappenanschlüsse, die als Wärmeabsorber oder Senken wirken, nicht zur Aufheizung beitragen, etwa die Umgebungstemperatur anzunehmen. Für ein ideales räumliches oder richtungsabhängiges Ansprechverhalten ist eine gleichmässige Temperaturverteilung längs der Länge ¹¹L" des Wandlers vorteilhaft.

Fig. 11 zeigt eine Brücke innerhalb einer vierarmigen Wheatstone-Brücke, die zum Betreiben der Wandleranordnung der Fig. 1, 3, 4, 5, 7 und 9 verwendet v/erden kann. Gemäss Fig. 11 bilden Widerstände 24, 25 und 26 drei Arme der

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Wheatstone-Brücke. Der vierte Arm ist durch Widerstände 27 und 28 zusammen mit den Fühlelementen 11a und 11b gebildet, die zusammen eine Brücke innerhalb einer Brücke bilden. Das Element 15c, das Vorheizelement der Fig. 7 und 9,ist als wahlfreies Element dargestellt. Durch diese Schaltung wird der Gesamtwiderstand der Reihen/Parallelschaltung der Elemente 11a, 11b und 15c mittels einer Rückkopplungsschaltung auf einen konstanten Wert gehalten, die durch einn Verstärker 29 zusammen mit einem Stromnachverstärker 30, dessen Ausgang mit der Wheatstone-Brücke an der Stelle 31 verbunden ist, gebildet. Das Brückenfehlersignal wird an der Brücke zwischen den Stellen 32 und 33 erzeugt, die mit dem invertierenden und dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 29 verbunden sind. Die Brücke ist bei 34 auf Masse bzw. Erde gelegt. Alle die Brücke bildenden Widerstände mit

Ausnahme der Fühlelemente 11a und 11b sowie des Elements 15c, falls es verwendet wird, sollten kleine Widerstandstemperaturkoeffizienten haben. Die Fühlelemente müssen einen V/iderstandskoeffizienten ungleich Null haben, der wesentlich grosser als der der in den Bezugsarmen verwendeten Brückenwiderstände ist. Der Widerstand 35 kann als Temperaturfühler verwendet v/erden, der zur Temperaturkompensation der Heissfilm-Geschwindigkeitsfühlelemente 11a, 11b und 15c verwendet wird. Der anemometrische oder Windgeschwindigkeitsausgang ist durch einen Trennverstärker 36 gebildet, der einen Ausgang 37 mit niederer Impedanz erzeugt, welcher Ausgang dem zwischen Masse 34 und der Stelle 32 erzeugten Wandlersignal folgt. Der Ausgang 37 ist nicht linear und ändert sich etwa mit der vierten Wurzel aus der Windgeschwindigkeit; er enthält auch einen Gleichspannungs- oder konstanten Term, der durch den Aufheizzustand bei fehlendem Wind gegeben ist. Der Ausgang enthält auch Wirbel- bzw. Turbulenzkomponenten. Eine Literaturstelle, die die Verarbeitung und die Verwendung dieser Signale beschreibt, ist "Resistance Temperature Transducers" von Virgil A. Sandborn, Colorado State University, 1972, Metrology Press, Fort Collins, Colorado, USA.

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Zur Bestimmung des Vorzeichens der Richtung ist ein Verstärker 38 mit den Verbindungsstellen 39 und 40 der Richtungsfühlbrücke innerhalb der Wheatstone-Brücke verbunden; der Vorzeichenfühlausgang 41 v/echselt sein Vorzeichen je nachdem welches Fühlelement 11a oder 11b in Richtung der Windrichtung ist, vorausgesetzt, dass die Brücke 11a, 11b, 27 und 28 statisch bei fehlendem Wind abgeglichen ist. Die Ausgangssignale 41 und 37 können mittels eines Analog- oder Digitalcomputers miteinander kombiniert v/erden, um ein einziges Signal zu erhalten, das die Windgeschwindigkeit mal Kosinus des einfallenden Windvektors angibt.

Fig. 12 zeigt eine polare Darstellung des Wandleransprechverhaltens bei Aufsicht auf den V/andler 1Oe. Die Fühlelemente 11a und 11b sind in ihrer geometrischen Lage relativ zu der erwünschten polaren Darstellung der Kosinusfunktion 42 in Form einer idealen Ziffer 8 gezeigt. Es ist schwierig, ein ideales Fühlelementenpa^r zu konstruieren; das gemessene Ansprechverhalten ist daher gewöhnlich etwa "bohnenartig¹¹ wie durch die Kurve 43 gezeigt. Diese Kurve 43 kann näherungsweise als eine Kosinus- plus eine Sinus-Funktion beschrieben werden; sie stellt jedoch keinen einfachen Ausdruck dar. Die Hinzunahme des Fühlelements 15c mit zonenweisem Heizen, wie anhand Fig. 9 und 10 beschrieben, v/irkt in eine Richtung, in der die Kurve 43 der idealen Kosinus-Funktion 42 angenähert wird. Die Erfahrung zeigt, dass dies in einer vorhersehbaren Weise getan werden kann. Das gesamte, aus der Darstellung ersichtliche Ansprechverhalten ist nahezu omni-direktional, mit einer Trennungsebene längs der senkrechten 90°-270°-Achse. Eine dreidernensionale Darstellung hat die Gestalt eines Toroid mit einem Ausgang einer Polarität auf der rechten Hälfte und der entgegengesetzten Polarität auf der linken Hälfte.

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4 Leerseite

Claims

Ansprüche

1J Richtungsempfindlicher Heissfilm-Anemometer-Wandler, gekennzeichnet durch

a) wenigstens zwei thermisch und physisch voneinander getrennte ,widerstandsbehaftete elektrische Leiter (11a, 11b),

b) von denen Jeder eine Länge hat, die zumindest gleich der grössten Querschnittsabmessung des Leiters ist und

c) jeder der elektrischen Leiter einenhohlen, elektrisch nicht leitenden, hochtemperaturfesten, zylindrischen, tragenden Grundkörper (18a, 18b) aufweist, der sich längs der Achse des Leiters erstreckt und an dessen äusserer Oberfläche über die Länge des Grundkörpers ein leitender Widerstandsfilm (19a, 19b) mit einem Widerstandstemperaturkoeffizienten ungleich Null haftet, über dessen äusserer Oberfläche sich über die gesamte Länge des Widerstandsfilms eine Schutzbeschichtung

(20a, 20b) erstreckt,

I5b;15o)

d) ein zylindrisches Tragteil (15; 15a;,Vdas zentral zwischen

den beiden Leitern angeordnet ist,

e) eine zwischenangeordnete, thermisch isolierende Überbrükkungseinrichtung (12a, 12b), die den Spalt zwischen den Leitern und dem zylindrischen Tragteil über die Länge der Leiter verschliesst, wodurch eine verbundene Strömung um einen Leiter herum unabhängig vom anderen Leiter und dem Tragteil verhindert ist und die Gesamtgestalt des Wandlers die Form dreier verbundener, sich fast berührender und mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildeter Bauteile hat, die mit ihren drei zugehörigen Achsen zueinander parallel und in einer Ebene liegen, wobei die Leiter wenigstens am grösseren Teil

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ORIGINAL INSPECTED

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ihrer Oberfläche für einen Luftzug freiliegen und der Leiterquerschnitt selbst zum Bilden eines fluiddynamischen

verwendet
Querschnittsvlst, der der Fluidströmung ausgesetzt ist, so dass der entstehende lokale Staubereich, der durch das Auftreffen der Strömung an ihrer Trennstelle auf einen äusseren elektrischen Leiter verursacht ist, relativ zum Leiterquerschnitt klein ist, und wobei jeder Leiter eine Änderung des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt, und

f) wobei jeder Leiter mit einer elektrischen Anschlusseinrichtung (13a, 13b, 14a, 14b) versehen ist, mittels der er durch Hindurchleiten eines Stroms elektrisch aufheizbar ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Tragteil (15) massiven Querschnitt hat.
3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Tragteil (15) eine mechanische Abstützung bildet und so geformt ist, dass es die Halterung und Abstützung des Wandlers ermöglicht.
4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Tragteil (15) eine mechanische Abstützung bildet und verlängert ist, um die Halterung und Anordnung des Wandlers zu ermöglichen.
5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Tragteil (15) eine mechanische Abstützung bildet und die gleiche Länge hat wie die beiden widerstandsbehafteten elektrischen Leiter (11a, 11b).
6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gpke η η ζ e i c h-

15 Dj 15o) net, dass das zentrale Tragteil (15a;Vein hohles, rohr-

⁵ fcfefcft"

«Vein hohl« förmiges, zylindrisches Bauteil ist,

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7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Tragteil (15a) am inneren Ende verlängert ist, um einen freitragenden Wandler zu schaffen, und dass die elektrische Anschlusseinrichtung (14a, 14b) am äusseren Ende jedes elektrischen Wandlers (11a, 11b) an ei nen elektrischen Draht (I6a, 16b, 21) angeschlossen ist, der sich durch das hohle Tragteil hindurch erstreckt und einen elektrischen Anschluss für die äusseren Enden der elektrischen Leiter bildet.
8. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich-

15c) net, dass das zentrale Tragteil (15b;yeinen Substrat- Grundkörper ^18,fc) „i^r einen dritten, leitenden Widerstandsfilm (19c;Vmir einem Widerstandstemperaturkoeffizienten un gleich Null und eine schützende Beschichtung (20c) aufweist, die sich über die gesamte Aussenfläche des leitenden Widerstandsf line erstreckt, so dass ein dritter, widerstandsbehafteter elektrischer Leiter geschaffen ist.
9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, dass sich der dritte leitende Widerstandsfilm (19c) über die gesamte Länge des dritten Grundkörpers (18c) erstreckt.
10. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte, leitende Widerstandsfilm auf den dritten Grundkörper in einem Paar axial voneinander entfern ter Zonensegmente (19C, 19c") aufgebracht ist, die über ein zwischenliegendes Segment (19c¹¹¹) mit kleinem Widerstand elektrisch miteinander verbunden sind.
11. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekenn ze ich n e t , dass der dritte, leitende Widerstandsfilm auf den dritten Grundkörper in einer Mehrzahl axial voneinander ent fernter Zonensegmente aufgebracht ist, die elektrisch mitein ander verbunden sind.

7098ΗΠ/067?

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12. Wandler nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet, dass

a) die beiden zylindrischen,Widerstandsbehafteten elektrisch leitenden Fühlelemente (11a, 11b) in Reihe geschaltet sind und dass parallel zu dieser Reihenschaltung ein Paar in Reihe geschalteter Abgleichwiderstände (40, 42) liegt, so dass ein Arm einer vierarmigen rückkopplungsgesteuerten Wheatstone-Brücke (24, 25, 25, 11a, 11b, 40, 28) gebildet ist,

b) dass die Wheatstone-Brücke an einen Differential Fehlerverstärker (29) und einen Stromnachverstärker (30) angeschlossen ist, dessen Ausgang negativ zur Spitze (31) der Wheatstone-Brücke rückgekoppelt ist, wodurch die Brückenerregung und der daraus resultierende Betrieb des richtungsempfindlichen Anemometer-Wandlers als Konstant-Temperaturanemometer gebildet ist, wobei die beiden Fühlelemente in Reihe betrieben werden und ihr mittiger elektrischer Bindungspunkt (39) mit dem entsprechenden mittigen Verbindungspunkt (40) des Paars in Reihe geschalteter Abgleichwiderstände verglichen wird,

c) dass zwischen die mittigen elektrischen Verbindungspunkte eine elektrische Komperatoreinrichtung (38) zum Durchführen des Vergleichs geschaltet ist, dessen Ausgangssignal eine Anzeige für das Richtungsvorzeichen der auf die Reihenschaltung der Fühlelemente auftreffenden Fluidströmung ist,

d) dass die beiden Fühlelemente und das Paar Abgleichwiderstände auf einem konstanten äquivalenten Widerstand gehalten v/erden, so dass sie als ein Arm der Rückkopplungs-Wheatstone-Brücke betrieben sind, welcher Arm ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das die an der durch die beiden elektrischen Fühlelemente und die beiden Abgleichwiderstände innerhalb der Rückkopplungs-Wheatstone-Brücke gebildete Brücke entstehende Spannung ist, und dass

e) mit der Rückkopplungs-Wheatstone-Brücke ein Differentialverstärker (36) verbunden ist, um die Spannung auf einen zur weiteren Verarbeitung geeigneten Wert zu verstärken.

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13. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass die drei zylindrischen, widerstandsbehafteten, elektrisch leitenden Fühlelemente (11a, 11b, 15c) in einer Reihen-Parallel-Schaltung geschaltet sind, dass zu der Reihen-Parallel -Schaltung der Fühlelemente ein Paar in Reihe geschalteter Abgleichwiderstände (27, 28) parallelgeschaltet ist, so dass ein Arm einer vierarmigen rückkopplungsgesteuerten Wheatstone-Brücke (24, 25, 35, 11a, 11b, 15c) gebildet ist,

b) dass die Wheatstone-Brücke an einen Differential Fehlerverstärker (29) und einen Stromnachverstärker (30) angeschlossen ist, dessen Ausgang negativ zur Spitze (31) der Wheatstone-Brücke rückgekoppelt ist, wodurch die Brückenerregung und der daraus resultierende Betrieb des richtungsempfindlichen Anemometer-Wandlers als Konstant-Temperaturanemometer gebildet ist, wobei die beiden Fühlelemente in Reihe betrieben werden und ihr mittiger elektrischer Bindungspunkt (39) mit dem entsprechenden mittigen Verbindungspunkt (40) des Paars in Reihe geschalteter Abgleichwiderstände verglichen wird,

c) dass zwischen die mittigen elektrischen Verbindungspunkte eine elektrische Komperatoreinrichtung (38) zum Durchführen des Vergleichs geschaltet ist, dessen Ausgangssignal eine Anzeige der auf die bei den äussersten_f- in Reihe geschalteten Fühlelemente auffallenden Strömung ist, deren Endpunkte über das dritte Fühlelement miteinander verbunden sind,

d) dass die drei Fühlelemente und das Paar Abgleichwiderstände auf einem konstanten äquivalenten Widerstand gehalten werden, so dass sie als ein Arm der Rückkopplungs-Wheatstone-Brücke arbeiten, welcher Arm ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das die an der durch die drei elektrischen Fühlelemente und die beiden Abgleichwiderstände innerhalb der Rückkopplungs-Wheatstone-Brücke gebildeten Brücke ist entstehende Spannung ist, und dass

e) ein Differentialverstärker (36) mit der Rückkopplungs-Wheatstone-Brücke verbunden ist, um die Spannung auf einen zur weiteren Verarbeitung geeigneten Wert zu verstärken.

709850/0672