DE2714519A1

DE2714519A1 - Einrichtung zum messen der geschwindigkeit eines in einem waermeabsorbierenden medium bewegten fahrzeugs, insbesondere eines wasserfahrzeugs

Info

Publication number: DE2714519A1
Application number: DE19772714519
Authority: DE
Inventors: Heinz Pudelko; Manfred Stein
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1977-04-01
Filing date: 1977-04-01
Publication date: 1978-10-05
Also published as: FR2386041A1; GB1593904A; FR2386041B3

Description

VDO f PRAWKFURT/MAIN 90

ADOLF SCHINDLING AG GRÄFSTRASSE 103

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Einrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines in einem wärmeabsorbierenden Medium bewegten Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines in einem wärmeabsorbierenden Medium bewegten Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, mit einem Messgeber, der ein der Relativgeschwindigkeit zwischen Medium und Fahrzeug entsprechendes elektrisches Signal erzeugt.

Eine derartige bekannte Einrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines Wasserfahrzeugs weist einen veränderbaren Widerstand auf, der durch einen Hebel durch den Staudru <k des strömenden Wassers entgegen der Kraft einer Feder variiert werden kann. Die Auslenkung des Hebels und somit der Widerstand entspricht der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fühler und dem Medium. Ein der Auslenkung des Fühlers entsprechendes elektrisches Signal ist von dem veränderbaren Widerstand abnehmbar, um mit einem Messwerk angezeigt zu werden. - Bei dieser Einrichtung besteht die Gefahr, dass der Hebel bzw. der Fühler beispielsweise durch Grundberührung beschädigt wird. Ausserdem erfordert die Herstellung dieses Fühlers, wenn dieser zugleich robust sein und genau arbeiten soll, einen nennenswerten Aufwand.

Die Nachteile der bekannten Einrichtung sollen durch die Erfindung beseitigt werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines in einem Medium bewegten Fahrzeugs zu schaffen, die möglichst robust ist und die sich trotz genügender Genauigkeit durch einen verhältnismässig geringen Herstellaufwand auszeichnet. Die robuste zuverlässige Arbeitsweise soll durch möglichst weitgehenden Verzicht auf bewegte Teile erreicht werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der eingangs beschriebenen Einrichtung dadurch gelöst, dass der Messgeber zur Erzeugung

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eines Signals, welches der mit dem Medium abgeführten Wärmeleistung entspricht, einen fremdbeheizten, dem Medium ausgesetzten Temperaturfühler aufweist, der in einer Brückenschaltung angeordnet ist, dass ferner in der Brückenschaltung ein unbeheizter temperaturabhängiger Widerstand angeordnet ist, der ebenfalls dem Medium ausgesetzt ist, dass eine Diagonale der Brückenschaltung mit einem Eingang einer Regelschaltungsanordnung verbunden ist, deren Ausgang mit einem mit dem fremdbeheizten Temperaturfühler thermisch gekuppelten Heizwiderstand verbunden ist und das der Geschwindigkeit entsprechende elektrische Signal erzeugt.

Diese Einrichtung setzt also zur Erzeugung des der Geschwindigkeit entsprechenden elektrischen Signals ein wärmeabsorbierendes Medium voraus, in dem das Fahrzeug bewegt wird. Diese Voraussetzung ist aber insbesondere für Wasserfahrzeuge regelmässig erfüllt. Die Einrichtung arbeitet nach dem Prinzip, dass dem fremdbeheizten Temperaturfühler durch das wärmeabsorbierende Medium Wärmeleistung entzogen wird, und zwar in einem Maße, welches der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Medium und dem Temperaturfühler direkt proportional ist . Durch die Regelschaltungsanordnung wird diese Wärmeleistung dem Temperaturfühler wieder zugeführt. Somit ist die zugeführte Wärmeleistung ein Maß für die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Meßfühler, nämlich dem Temperaturfühler, und dem umströmenden Medium. Anstelle der Leistung kann,wie noch gezeigt wird, auch eine andere Ausgangsgrösse zur Anzeige der Geschwindigkeit verwertet werden.

Die erfindungsgemässe Einrichtung ist ausserordentlich robust, da sie keine bewegten Teile aufweist. Dies gilt insbesondere für den Messfühler, der, um Beschädigungen mit noch grösserer Sicherheit auszuschliessen, elastisch an dem Fahrzeug befestigt sein kann. Die gesamte Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit ist auch deswegen verhältnismässig wenig aufwendig, weil es auf die genaue Einhaltung bestimmter Kennlinien

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der verwendeten Bauelemente in der Regel nicht ankommt. Insbesondere gilt dies für den Temperaturfühler, da infolge des Regelvorgangs die Temperatur des Temperaturfühlers nur geringfügig um einen vorgegebenen Sollwert schwankt. Die Auswertung der Messung bzw. die Anzeige ist in dem Fall besonders genau, indem die dem Temperaturfühler bzw. dem mit dem Temperaturfühler thermisch gekoppelten Heizwiderstand zugeführte Wärmeleistung ausgewertet wird. Es besteht nämlich in weiten Grenzen ein linearer Zusammenhang zwischen der Abkühlung des Temperaturfühlers durch das Medium und der zugeführten Leistung.

Die Einrichtung eignet sich besonders zur Messung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs gegenüber einem Medium. Sie kann aber auch bei geeigneter Dimensionierung des Messfühlers zur Messung der Windgeschwindigkeit herangezogen werden. Ein anderer möglicher Einsatz der Einrichtung ist bei entsprechender Dimensionierung zur Messung des Kraftstoffverbrauchs eines Fahrzeugs oder zur Messung eines Kühlmitteldurchflusses realisierbar.

Das bei der vorliegenden Erfindung angewendete Messprinzip, die ■it dem Medium von dem Temperaturfühler abgeführte Wärmeleistung zu messen, erfordert für eine brauchbare Messung eine Berücksichtigung der Temperatur, die das dem Messfühler zufliessende Medium aufweist. Hierzu ist in der Brückenschaltung ein unbeheizter,temperaturabhängiger Widerstand angeordnet, der die Brücke zum Ausgleich des Temperatureinflusses abstimmt.

Eine weitere die Messung beeinflussende Grosse besteht in der Wärmeleitfähigkeit des Mediums, in dem sich der Messfühler bewegt. Soweit es sich nicht stets um das gleiche Medium mit identischer Wärmeleitfähigkeit handelt, empfiehlt sich daher eine Ausgestaltung der Einrichtung mit dem Merkmal, dass die Brückenschaltung einen veränderbaren Widerstand umfasst, der die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit des Mediums berücksichtigt. Dieser Widerstand kann in einfachster Weise aus

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einem oder mehreren Widerständen bestehen, die in einem Brükkenzweig entsprechend dem jeweils vorliegenden Medium zuschaltbar sind. Zur Messung der Geschwindigkeit eines Boots genügt eine einzige Umschaltmöglichkeit, um die Geschwindigkeit des Bootes in Salzwasser und Süsswasser exakt zu bestimmen.

In weiterer zweckmässiger Weise ist die Einrichtung mit dem Merkmal ausgestaltet, dass in der Brückenschaltung eine Diode zur Festlegung des Arbeitsbereichs der Regelschaltungsanordnung des Temperaturbereichs, auf den das Heizelement aufheizbar ist, angeordnet ist. Dadurch wird vermieden, dass der Heizwiderstand unter ungünstigen Bedingungen auf zu hohe Temperaturen erhitzt wird, vielmehr wird durch die Diode die maximale Temperatur des Heizwiderstands begrenzt.

Im einzelnen ist die Einrichtung in zweckmässiger Weise so ausgeführt, dass die Brücker.schaltung in der Art einer Wheatstone-Briicke mit vier Zweigen ausgebildet ist, dass in dem ersten Zweig der temperaturabhängige, unbeheizte Widerstand angeordnet ist, dass im zweiten Zweig der beheizte Temperaturfühler angeordnet ist, dass in dem dritten, mit dem ersten Zweig in Reihe liegenden Zweig der entsprechend der Wärmeleitfähigkeit veränderbare Widerstand angeordnet ist, zu dem die Diode parallel geschaltet ist, dass in dem vierten, mit dem zweiten Zweig in Reihe liegenden Zweig ein abgleichbarer Widerstand zur Justierung des Sollwerts der Temperatur des Temperaturfühlers angeordnet ist und dass der Eingang der Regelschaltungsanordnung an die Brückendiagonale zwischen dem ersten und dritten Zweig sowie dem zweiten und vierten Zweig angeschlossen ist. Mit.dieser Schaltungsanordnung werden in besonders übersichtlicher Weise sämtliche, die Messung beeinflussenden Parameter - ursprüngliche Temperatur des Mediums, Wärmeleitfähigkeit des Mediums berücksichtigt und der Arbeitspunkt - Temperatur des Heizwiderstands und des Temperaturfühlers - einstellbar.

Vorteilhaft zeichnet sich die Einrichtung dadurch aus, dass der beheizte Temperaturfühler, das Heizelement und der unbe-

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heizte, temperaturabhängige Widerstand gegenüber dem Heizviderstand isoliert in einem Dickschichtschaltkreis zusammengefasst sind, der als Messfühler dient. Dieser Messfühler ist besonders kompakt und robust. Er lässt ausserdem eine zuverlässige Arbeitsweise erwarten, da die gegenseitige Lage der drei Elemente - Temperaturfühler, Heizwiderstand und temperaturabhängiger Widerstand - bei der Herstellung festgelegt sind.

Eine besonders zweckmässige Variante der Einrichtung zeichnet sich dadurch aus,dass die Regelschaltungsanordnung als Zweipunktregler ausgebildet ist und ausgangsseitig mit einem digitalen Messgerät in Verbindung steht. Bei dieser Variante wird davon ausgegangen, dass die Frequenz, mit der der Zweipunktregler arbeitet, von der Wärmeabfuhr von dem Temperaturfühler und damit van der dem Heizwiderstand zuzuführenden Leistung abhängt. Als digitales Messwerk kann beispielsweise ein Tachometerwerk dienen.

In einer anderen Variante ist die Regelschaltungsanordnung als stetiger, proportional-wirkender Regler ausgebildet. In diesem Fall ist das Ausgangssignal eine Gleichspannung.

Zur Anzeige der Geschwindigkeit kann mit dem Ausgang der Regelschaltungsanordnung ein Drehspulmessinstrument in Verbindung stehen. Dies gilt ohne weiteres bei der Verwendung eines stetigen, proportional-wirkenden Reglers, aber auch bei einem Zweipunktregler, da sich bei einer Veränderung der Geschwindigkeit nicht nur die Frequenz, mit der der Zweipunktregler arbeitet, ändert, sondern auch das Tastverhältnis.

In zweckmässiger Weise umfasst die als Zweipunktregler ausgebildete Regelschaltungsanordnung einen einstellbaren Gegenkopplungswiderstand, mit dem die Schalthysterese des Zweipunktreglers einstellbar ist. Damit kann die Frequenz, mit der der Regler arbeitet, für eine vorgegebene Geschwindigkeit

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des Mediums eingestellt werden.

In besonders zweckmässiger Weise ist die Einrichtung mit dem Merkmal ausgeführt, dass in der Endstufe der Regelschaltungsanordnung zwei komplementäre Transistoren direkt miteinander gekoppelt sind, dass die gemeinsame Kopplungsstelle beider Transistoren als Ausgang für das Messgerät dient und dass als Arbeitswiderstand der letzten Transistorstufe der Heizwiderstand vorgesehen ist. In diesem Fall wird eine besonders gleichmassige Belastung der Transistoren und der Betriebsspannungsquelle bei verhältnismässig geringem Aufwand an Schaltelementen erzielt. Durch Verwendung eines Zweipunktreglers wird ausserdem die Verlustleistung in den Transistoren besonders gering gehalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung wird im folgenden anhand der Zeichnung, in der die Schaltungsanordnung dargestellt ist, beschrieben.

In dem linkm Teil der Zeichnung ist eine Brückenschaltung mit vier Zweigen erkennbar. Der erste Brückenzweig enthält einen unbeheizten, temperaturabhängigen Widerstand 1, der als NTC-Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten ausgebildet sein kann. In dem zweiten Brückenzweig ist ein Temperaturfühler 2 angeordnet. Der Temperaturfühler kann ebenfalls als NTC-Widerstand ausgeführt sein. Der Temperaturfühler 2 ist mit einem Heizwiderstand 3 thermisch gekoppelt. In dem dritten BrUckenzweig liegt eine Zenerdiode A. Parallel zu dieser Zenerdiode sind zwei Widerstände 5 und 6 angeordnet, von denen der Widerstand 6 durch einen Schalter 7 zuschaltbar ist. Die Widerstände 5 und 6 bilden zusammen mit dem Schalter 7 einen umschaltbaren Widerstand zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit des zur Geschwindigkeitsmessung herangezogenen Mediums. Im vorliegenden Fall, in dem die Schaltungsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit eines Bootes dient, sind die Widerstände 5 und 6 zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit von SUsswasser und Seewasser dimensioniert. - In dem vierten Brückenzweig liegt ein abgleichbarer Widerstand 8.

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Die Brücke wird von einer Betriebsspannungsquelle gespeist, die an die Klemmen 9 und 10 angeschlossen ist.

Der unbeheizte, temperaturabhängige Widerstand 1, der Temperaturfühler 2 und der Heizwiderstand 3 sind in einem Dickschichtschaltkreis derart zusammengefasst, dass zwar der Temperaturfühler 2 durch den Heizwiderstand 3 beheizbar ist, nicht jedoch der temperaturabhängige Widerstand 1.

An die Punkte 11 und 12, zwischen denen eine Diagonalspannung der Brückenschaltung liegt, sind zwei Eingänge einer Regelschaltungsanordnung angeschlossen.

Die Regelschaltungsanordnung ist als Zweipunktregler mit einem Verstärker 13 und zwei nachgeschalteten, miteinander direkt gekoppelten, komplementären Transistoren 14 und 15, die die Endstufe bilden, aufgebaut. In dieser Regelschaltungsanordnung ist in einem Gegenkopplungszweig des Verstärkers 13 ein Gegenkopplungswiderstand 16 vorgesehen, mit dem die Schalthysterese des Zweipunktreglers einstellbar ist. Die Widerstände 17, 18 dienen zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors 14 und zur Anpassung an den Verstärker 13. Ein Widerstand 19 zwischen dem Kollektor des Transistors 14 und einem Pol der Betriebsspannungsquelle dient als Arbeitswiderstand des Transistors 14. An ihn ist eine Ausgangskiemme 20 angeschlossen. Der in Kollektorbasisschaltung betriebene Transistor 15 hat in seiner Emitter-Ausgangsleitung den Heizwiderstand 3 eingeschaltet .

An die Ausgangsklemme 20 ist ein digitales Messgerät, beispielsweise ein Tachometerwerk, anschliessbar, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Zum Betrieb der Einrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines Bootes wird die Brückenschaltung so eingestellt, dass der Temperaturfühler 2 auf eine Temperatur mit dem Heizwideretand 3 aufgeheizt wird, die über der Temperatur des Mediums

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liegt, den der Temperaturfühler 2 und der temperaturabhängige Widerstand 1 ausgesetzt sind. Der Widerstand 6 wird zugeschaltet, je nachdem, ob das Boot in Seewasser oder Süsswasser fährt.

Bei der Bewegung des aus den Widerständen 1,2 und 3 gebildeten Messfühlers in dem Medium, in dem das Boot fährt, wird dem Temperaturfühler 2 Wärme entzogen. Die entzogene Wärme bewirkt eine Abkühlung des Widerstandes, wodurch die Brücke verstimmt wird und sich die Diagonalspannung zwischen den Anschlusspunkten 11 und 12 entsprechend ändert. Diese Spannung bewirkt als Eingangsspannung der Regelschaltungsanordnung eine Änderung der Frequenz und des Tastverhältnisses des Zweipunktreglers. Diese Grossen werden derart geändert, dass dem Heizwiderstand über den Transistor 15 ein so grosser Strommittelwert zugeführt wird, dass die dem Temperaturfühler 2 durch das Medium entzogene Wärmeleistung diesem Temperaturfühler wieder zugeführt wird. Es besteht dabei in weiten Grenzen ein linearer Zusammenhang zwischen der Abkühlung durch das Medium und der zugeführten Leistung. Ein elektrisches Signal, das der dem Heizwiderstand 3 zugeführten getakteten Leistung entspricht, kann von der Ausgangsklemme 20 abgenommen werden. An diese Ausgangsklemme kann ein digitales Messgerät zur Bestimmung der Frequenz, mit der der Zweipunktregler arbeitet, angeschlossen sein,oder aber ein Drehspulmesswerk, mit dem der Mittelwert des getakteten Ausgangssignals messbar ist.

Die Arbeitsfrequenz des Zweipunktreglers kann mit dem Gegenkopplungswiderstand 16-dadurch eingestellt werden, dass die Schalthysterese des Zweipunktreglers verändert wird. - Die Zenerdiode 4 dient dazu, den Potentialbereich an der Klemme 11 festzulegen, um ein Hochheizen des Messfühlers 2 bei ungünstigen Bedingungen, insbesondere bei zu tiefer Temperatur des zur Messung herangezogenen Mediums, zu vermeiden.

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Patentansprüche

1. Einrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines in einem wärmeabsorbierenden Medium bewegten Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, mit einem Messgeber, der ein der Relativgeschwindigkeit zwischen Medium und Fahrzeug entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Messgeber zur Erzeugung eines Signals, welches der mit dem Medium abgeführten Wärmeleistung entspricht, einen fremdbeheizten, dem Medium ausgesetzten Temperaturfühler (2) aufweist, der in einer Brückenschaltung angeordnet ist, dass ferner in der Brückenschaltung ein unbeheizter temperaturabhängiger Widerstand (1) angeordnet ist, der ebenfalls dem Medium ausgesetzt ist, dass eine Diagonale (zwischen den Anschlusspunkten 11, 12) der Brückenschaltung mit einem Eingang einer Regelschaltungsanordnung (13 bis 19) verbunden ist, deren Ausgang mit einem mit dem fremdbeheizten Temperaturfühler (2) thermisch gekuppelten Heizwiderstand (3) verbunden ist und das der Geschwindigkeit entsprechende elektrische Signal erzeugt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die Brückenschaltung einen veränderbaren Widerstand (5, 6) umfasst, der die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit des Mediums berücksichtigt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brückenschaltung eine Diode (Zenerdiode 4) zur Festlegung des Arbeitsbereichs der Regelschaltungsanordnung und des Temperaturbereichs, auf dem der Temperaturfühler (2) aufheizbar ist, angeordnet ist.

A. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung in der Art einer

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Wheatstone-Brücke mit vier Zweigen ausgebildet ist, dass in dem ersten Zweig der temperaturabhängige, unbeheizte Widerstand (1) angeordnet ist, dass in dem zweiten Zweig der beheizte Temperaturfühler (2) angeordnet ist, dass in dem dritten, mit dem ersten Zweig in Reihe liegenden Zweig der entsprechend der Wärmeleitfähigkeit veränderbare Widerstand (5, 6) angeordnet ist, zu dem die Diode (4) parallel geschaltet ist, dass in dem vierten, mit dem zweiten Zweig in Reihe liegenden Zweig ein abgleichbarer Widerstand (8) zur Justierung des Sollwertes der Temperatur des Temperaturfühlers (2) angeordnet ist und dass der Eingang der Regelschaltungsanordnung an die Brückendiagonale (zwischen den Anschlusspunkten 11 und 12) zwischen dem ersten und dritten Zweig sowie dem zweiten und vierten Zweig angeschlossen ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet. dass der beheizte Temperaturfühler (2), das Heizelement (3) und der unbeheizte temperaturabhängige

.Thermisch Widerstand (1) gegenüber dem Heizwiderstand (3y isoliert in einem Dickschichtschaltkreis zusammengefasst sind, der als Messfühler dient.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltungsanordnung als Zweipunktregler ausgebildet ist und ausgangsseitig mit einem digitalen Messgerät in Verbindung steht.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltungsanordnung als stetiger proportional-wirkender Regler ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet. dass mit dem Ausgang der Regelschaltungsanordnung ein Drehspulmessinstrument in Verbindung steht.

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9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als Zweipunktregler ausgebildete Regelschaltungsanordnung einen einstellbaren Gegenkopplungswiderstand (16) umfasst, mit dem die Schalthysterese des Zweipunktreglers einstellbar ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Endstufe der Regelschaltungsanordnung zwei komplementäre Transistoren (14, 15) direkt miteinander gekoppelt sind, dass die gemeinsame Kopplungsstelle beider Transistoren als Ausgang (Ausgangsklemme 20) für das Messgerät dient und dass als Arbeitswiderstand der letzten Transistorstufe der Heizwiderstand (3) vorgesehen ist.

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