DE2711281C3

DE2711281C3 - Heißfilm-Anemometer

Info

Publication number: DE2711281C3
Application number: DE2711281A
Authority: DE
Inventors: Robert S. Wellesley Mass. Djorup (V.St.A.)
Original assignee: Kyma Corp Wellesley Hills Mass (vsta)
Current assignee: Kyma Corp Wellesley Hills Mass (vsta)
Priority date: 1976-06-11
Filing date: 1977-03-15
Publication date: 1980-10-09
Also published as: CA1057528A; GB1579581A; DE2711281A1; US4024761A; BE852881A; CH613524A5; DE2711281B2

Description

Die Erfindung betrifft ein HeiBfilm-Anemomclcr zur Bestimmung der Geschwindigkeit, Massenströmung und Slrömungsrichtung eines Fluidcs, in das das Anemomeler eintaucht, wie es aus der DEOS 24 03 908 b/w. US-PS 39 00 819 bekannt ist. Ähnliche richtungsempfindliche Heißfilm-Anemometer sind aus der. US-PS 3138 025. 33 33 470. 33 52 154 und 36 04 261 bekannt Obwohl derartige Anemometer vergleichsweise verläßlich sind, zeigen sich gewisse Ungenauigkeiten bei ihrem Einsatz zur Windmessung, wenn sich gefrorene Niederschläge an ihnen gebildet haben. Außerdem ist das Kosinus-Ansprechverhalten noch nicht zufriedenstellend. Es scheint so, daß maximale Fehler in der Winkelmessung durch Paare konjugierter Anemometer an oder nahe den 45"-Stellen zwischen den Kardinalpunkten von 0°, 90°, 180°, 270° und 360°

ίο auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Heißfilm-Anemometer dahingehend zu verbessern, daß der Richtungsfehler vermindert ist
Ein diese Aufgabe lösendes richtungsempfindliches

!5 Heißfilm-Anemometer ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Dieses ist in einem breiten Betriebsbereich und bei extrem stark unterschiedlichen Umwelteinflüssen genau und auch gegen dauerhafte gefrorene Niederschläge, wie sie bei Wetterstationen in den Bergen oder in den nördlichen Breiten auftreten, unempfindlich, ohne daß die Notwendigkeit für eine teure mechanische korbartige schützende Umhüllung oder eine zusätzliche enteisende Aufheizung der schützenden Umhüllung besteht

Dadurch, daß das Mittelteil ebenfalls als Widerstandskörper mit einem Widerstandsfilm ausgebildet ist, werden die äußeren Widerstandskörper thermisch vorgespannt, wodurch die Obereinstimmung mit dem

jo Kosinusgesetz für die Richtungsmessung verbessert wird.

Die Verwendung von drei Widerstandskörpern an den Kanten eines isolierenden dreieckförmigen Tragkörpers ist aus der DE-OS 24 03 908 (Fig. 29) bekannt, doch sind hier deren Widerstandsfilme elektrisch hintereinander geschaltet und erfolgt keine mittige Heizung.

Durch den mittleren Widerstandskörper wird die Temperaturverteilung zu den Enden hin verbessert, weil sie selektiv beeinflußbar ist. Dies ist insbes. bei der in den Ansprüchen 3 bis 5 angegebenen Ausgestaltung leicht möglich. Dadurch ist das räumliche Ansprechverhalten deir beiden äußeren als Fühlerelemente dienenden Widerstandskörper auf einfallende Wind- oder Fluid-

strömung verbessert. Das erfindungsgemäße Anemometer eignet sich besonders gut zur Verwendung als Fühler zur Messung der Geschwindigkeit und Richtung, insbes. bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2, einer ozeanischen Strömung, weil sie eine große mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber schwimmenden und untergetauchten Teilen aufweist.

Die einzelnen Widerstandskörper können mit einem kleinen Länge : Durchmesser-Verhältnis ausgebildet werden, wobei absichtlich die Kosinus-Charakteristik gestört wird und eine kleine Sinus-Komponente zuiiddiert wird, die einen senkrecht orientierten Wandler relativ unempfindlich gegenüber Änderungen des; Kippwinkels macht, aber das Vermögen, das Vorzeichen der Richtung einer Strömung in den beiden

M) waagerechten 180"-Sektoren zu bestimmen, nicht nachteilig beeinflußt.

Die drei Widerstandskörper sind so thermisch gegeneinander isoliert miteinander verbunden, daß keine Strömung zwischen ihnen möglich ist. D«s

h^r> Anemometer arbeitet mit konstanter Temperatur, wozu die Konstant-Tempcratur-Steuerung vorgesehen ist.

2'.wei Ausführungsbeispiclc der Erfindung werden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

in der zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausbildungsform eines Anemometer-Fühlers mit drei parallelen Widerstandskörpern,

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1,

Fig.3 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Anemometer-Fühlers mit drei parallelen Widerstandskörpern,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Temperaturverteilung läng·: des Fühlers gemäß F i g. 3, ι ο

F i g. 5 eine elektrische Schaltung des Anemometers, und

Fig.C das Polardiagramm des Ansprechverhaltens bei Verwendung der Schaltung gemäß F i g. 5.

Der Fühler 10 des Anemometers weist drei parallel zueinander angeordnete hohle elektrisch nichtleitende und hochtemperaturbeständige zylindrische Grundkörper 18a, 186 und 18c auf, die jeweils mit einem Widerstandsfilm 19a, 196 und 19c versehen sind, beispielsweise durch Aufdampfen. Ober den Wider-Standsfilmen aus beispielsweise Platin befindet sich eine Schutzbeschichtung 20a, 206 bzw. 20c, die ebenso wie der Grundkörper aus Aluminiumoxyd, aber auch aus Siliciumoxyd oder dergl. Verschleißschutz bietenden Material bestehen kann. Die Länge L der so gebildeten äußeren Widerstandskörper Ha und 116 sowie des mittleren Widerstandskörpers 15 ist gewöhnlich größer als der Durchmesser D. Bei einer praktischen Ausführungsform beträgt der Außendurchmesser 6 mm, der Innendurchmesser 3 r.itn und die Länge 25,4 mm. Die Widerstandskörper sind mechanisch mittels einer Klebverbindung 12a bzw. 126 thermisch gegeneinander isoliert miteinander verbunden. Die Widerstandskörper tragen an ihren Enden Anschlußkappen 13a, 136, 13c bzw. 14a, 146 und 14c, zu denen die Zuführungs- bzw. Anschlußdrähte 17a, 176 und 17cbzw. 16a, 166 und 16c geführt sind. Diese bestehen beispiesweise aus getempertem Platin. Sowohl die Grundkörper als auch die Klebeverbindungen zwischen den Widerstandskörpera können aus hochtemperaturfestem Keramikmaterial bestehen.

Die typische Dicke eines Platinfilms 19a, 196 bzw. 19c liegt im Bereich zwischen 2,5 und 5,0 μπι. Ein 25,4 mm langer und 6,1 mm Durchmesser messender Widerstandsfilm hat bei der genannten Dicke einen Widerstand von etwa 3 bis 5 Ohm bei Raumtemperatur. Die Schutzbeschichtung 20a, 206 oder 2Cc ist etwa 0,01 bis 0,02 mm dick. Wenn Aluminiumoxyd-Beschichtungen verwendet werden, liegt die Schichtdicke bei etwa 0,05 bis 0,1 mm, um Gasdichtigkeit zu gewährleisten.

Der mittlere Widerstaudsheizkörper liegt jeweils auf der thermischen Lee-Seite. Der leewärtige Widerstandskörper, der vom einfallenden Wind abliegt, absorbiert nun keinerlei Leistung des Fühlers an luvwärtigem Rand, der vom einfallenden Wind abgekühlt wird.

F i g. 3 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Fühlers 10, bei welchem der Widerstandsfüm 19c des mittleren Widerstandskörpers in zwei Segmente 19c' und 19c" unterteilt ist, die sich nur in den Endbereichen e>o des Widerstandskörpers 15 befinden. Diese sind durch ein mittleres Widerstandssegment 19c'" mit niedrigerem Widerstand verbunden, so daß rwischen den beiden beheizbaren Zonen A und A' eine im wesentlichen unbeheizte Zone B, die dem Widerstandsfüm 19c'" t/i entspricht, liegt.

F i g. 4 zeigt den Temperaturverlauf längs des Fühlers der Ausführungsform ηεί',ι V i g. 9. Man erkennt, daß der Temperaturverlauf insbes. in den Endbereichen weiter gerade verläuft als bei einer Ausführungsform, bei welcher der mittlere Grundkörper keinen Widerstands· film aufweist und daher nicht aufgeheizt werden kann. Dieser Temperaturverlauf wird durch die untere Kurve dargestellt, für die das Bezugszeichen 22 gilt Die Kurvenabschnitte 23a und 236 in den beiden äußeren Bereichen zeigen die Verbesserung, die durch die Aufheizung mit den mittleren Widerstandsfilmsegmenten 19c'und 19c"der F i g. 3 erzielbar ist Die Enden des Fühlers neigen dazu, wegen Wärmeleitungsverlust durch einen Schaft und die Anschlußdrähte sowie durch die Anschlußkappen, die als Wärmeabsorber oder Senken wirken und nicht zur Aufheizung beitragen, etwa die Umgebungstemperatur anzunehmen. Für ein ideales räumliches oder richtungsabhängiges Ansprechverhalten ist eine gleichmäßige Temperaturverteilung längs der Länge L des Wandlers vorteilhaft.

F i g. 5 zeigt eine Brücke innerhalb einer vierarmigen Wheatstone-Brückc, die zum Betreiben des Fühlers nach den F i g. 1 und 3 verwendet w? den kann. Gemäß F i g. 5 bilden Festwiderstände 24,25 und 35 drei Zweige einer Wheatstone-Brücke, deren vierter Zweig durch die elektrisch hintereinandergeschalteten Widerstandsfilme 19a und 196 der Widerstandskörper 11a und 116, den diesen parallel geschalteten Widerstandsfilm 19c des mittleren Widerstandskörpers 15 und parallel zu diesen in Serie geschalteten Festwiderstände 27 und 28, die zusammen mit den Widerstandskörpern 11a und 116 wiederum eine Wheatstone-Brücke gebildet ist Zur Stromversorgung der Widerstandsfilme der Widerstandskörper ist eine Stromversorgung mit einer Regelbzw. Rückkopplungsschaltung vorgesehen, mit welcher der Gesamtwiderstand des vierten Brückenzweigs bei konstanter Umgebungstemperatur konstant gehalten wird. Hierzu dient ein Differentialverstärker 29 zusammen mit einem Stromnachverstärker 30, dessen Ausgang mit dem Verbindungspunkt 31 der beiden Festwiderstände 24 und 25 verbunden ist. Das Brückenfehlersignal wird an dem jeweils anderen Ende 32 bzw. 33 der Festwiderstände 24 und 25 abgegriffen un-i auf den invertierenden und nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 29 gegeben. Die Brücke ist bei 34, dem Diagonalpunkt zum Verbindungspunkt 31 auf Masse gelegt Alle Festwiderstände sollten sehr kleine Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweisen. Der Widerstandskoeffizient des vierten Brückenzweigs sollte möglichst groß sein. Der Festwiderstand 35 kann als Temperaturfühler verwendet werden, der zur Temperaturkompensation der Heißfilm-Geschwindigkeitsfühl-Widerstandskörper 11a, 116 und 15c verwendet wird. Der Gescüwindigkeitsausgang ist durch einen Trennverstärker 36 gebildet, der einen Ausgang 37 mit niederer Impedanz erzeugt, welcher dem zwischen Masse 34 und der Verbindungsstelle 32 erzeugten Wandlersignal folg*. Der Ausgang 34 des ^rennverstärkers 36 ist nicht linear und ändert sich etwa mit der vierten Wurzel aus der Windgeschwindigkeit; er enthält auch einen Gleichspannungsanteil, der durch den Aufheizzustand b'ji fehlender Anströmung gegeben ist. Der Ausgang enthält auch Wirbel- bzw. Turbulenzkomponenten.

Zur Bestimmung des Vorzeichens der S'.römungsrichtung ist ein Differentialverstärker 38 mit den gemeinsamen Verbindungsstellen der Widerstandsfilme 19a und 196 bzw. der zu dicssn parallelen Festwiderständen 27 und 28 innerhalb der Wheatstone-Brücke verbunden. Der das Vorzeichen angebende Ausgang 41 wechselt

sein Vorzeichen je nachdem welcher Widerstandskörper Ha oder i\b in Richtung der Windrichtung steht, vorausgesetzt, daß die innere Wheatstone-Brücke mit den Widerstandsfilmen 19a und 19b und den Festwiderständen 27 und 28 statisch bei fehlender Anströmung abgeglichen ist. Die an den Ausgängen 37 und 41 anstehenden Ausgangssignale können mittels eines Analog- oder Digitalrechners miteinander vereinigt werden, um ein einziges, die Windgeschwindigkeit mal Kosinus des einfallenden Windsektors angebendes Signal zu erhallen.

Fig.6 zeigt das Polardiagramm des Wandleransprechverhaltens bei Aufsicht auf diesen. Die Widerstandskörper JIa und 116 sind ihrer geometrischen Lage relaiiv im der erwünschten polaren Darstellung der Kosinus-Funktion 42 in Form einer idealen Ziffer 8 darstellt. Es ist schwierig, einen idealen Fühler zu konstruieren. Das gemessene Ansprechverhalten hai eine doppclnierenförmige Kurve 43, die näherungswei se r's eine Kosinus- plus eine Sinus-Funktion beschrie ben werden kann, jedoch keinen einfachen Ausdruck > darstellt. Durch Hinzunahme des mittleren Widerstandskörpers 15 mit zonenweiser Aufheizung, wie sie anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben ist, wirkt in eine Richtung, in der die Kurve 43 der idealen Kosinus-Funktion 42 angenähert wird. Die Erfahrung zeigt, daß dies in

in einer vorhersehbaren Weise getan werden kann. Das gesamte, aus der Darstellung ersichtliche Ansprechverhalten ist nahezu omni-direklional. mit einer Trennungsebene längs der senkrechten 90°—270"-Achse. Eine dreidimensionale Darstellung hat die Gestalt eines

Ii Toroid mit einem Ausgang einer Polarität auf der rechten Hälfte und der entgegengesetzten Polarität aul der linken Hälfte.

Claims

Patentansprüche:

1. Heißfilm-Anemometer mit zwei parallel zueinander angeordneten, elektrisch nichtleitenden und hochtemperaturfesten zylindrischen Rundkörpern als Träger für einen Widerstandsfilm, der seinerseits mit einer Schutzbeschichtung versehen ist, und mit einem zwischen Grundkörpern angeordneten und mit diesen thermisch isoliert verbundenen, elektrisch nichtleitenden und hochtemperaturfesten Tragteil, der zusammen mit den beiden anderen Grundkörpern bzw. Widerstandskörpern den fluiddynamischen Querschnitt so festlegt, daß der entstehende, durch das Auftreffen der Strömung verursachte lokale Staubereich relativ zum Querschnitt klein ist, wobei jeder Widerstandsfilm eine Änderung des elektrischen Widerstandes in Abhänigkeit von der Temperatur zeigt, mit einer Wheatstoneschen Briickenschaltung mit jeweils einem Festwiderstand in drei Brückenzweigen und mit den elektrisch in Serie geschalteten Widerstandsfilmen im vierten Brückenzweig, einer Stromversorgung für die WiderstandsfTlme und einer Stromregelschaltung zur Konstanthaltung des Gesamtwiderstandes des vierten Brückenzweigs bei konstanter Umgebungstemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß der mittige Tragteil (15) als zylindrischer Grundkörper (18c/ mit einem von einer Schutzbeschichtung (20c) überzogenen dritten Widerstandsfilm (19c/ ausgebildet ist, und daß der dritte Widerstandsfilm (19c/ elektrisch parallel zu den beiden in Serie geschalteten anderen Widerstandsfilmen (19a, i9b) geschaltet ist

2. Heißfüm-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, adü parallel zu den beiden in Serie geschalteten Widerstan sfilmen (19a, 19b) zwei in Serie geschaltete Festwiderstände (27,28) zu einer weiteren Wheatstoneschen Brücke geschaltet sind und daß an die jeweiligen Verbindungspunkte (39, 40) dieser beiden Widerstandspaare ein Vergleichsverstärker (38) zur Gewinnung eines Windrichtungssignals angeschlossen ist.

3. Heißfilm-Anemometer nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der dritte Widerstandsfilm (19c/ über die gesamte Länge des dritten Grundkörpers (Ιβς/erstreckt.

4. Heißfilm-Anemometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Widerstandsfilm (19c/in eine Mehrzahl axial voneinander getrennter, elektrisch miteinander verbundener Widerstandsfilmsegmente unterteilt ist.

5. Heißfilm-Anemometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Widerstandsfilm (19c/ in zwei äußere Widerstandsfilmsegmente (19c', 19c'7unterleilt ist, die über ein zwischenliegendes Widerstandsfilmsegmenl (19c'",/ mit kleinem Widerstand elektrisch miteinander verbunden sind.