DE2943237A1 - Fluid flow velocity vector measurement - uses nulling summation of peripheral rotation vector and flow from rotating heated wire - Google Patents

Fluid flow velocity vector measurement - uses nulling summation of peripheral rotation vector and flow from rotating heated wire

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Abstract

The appts. includes a heated wire set in a circular motion with a peripheral speed vector to which the measurement flow velocity vector is added, resulting in a relative velocity. This results in a periodic electrical signal in the heated wire. The periodic electrical signal is nulled by varying the revolution rate and if necessary the inclination of the probe to the circular motion. The flow velocity vector is then fully represented by the measurable parameters of the wire peripheral velocity vector. The arrangement for calibration-free measurement of flow speed vector magnitude, direction, and sign is applicable in air conditioning and ventilation technology as well as meteorology where significant convection and stray currents occur. It differs from conventional arrangements in using an uncalibrated heated wire sensor.

Description

Rotierende Hitzdrahtvorrichtung zur eichfreien Messung von Geschwindig-Rotating hot wire device for calibration-free measurement of speed

keitsvektoren kleinen Betrages Die Erfindung bezieht sich auf eine rotierende Hitzdrahtvorrichtung, bei welcher der Hitzdraht in periodischer Wechselwirkung mit dem resultierenden Geschwindigkeitsvektor c steht, welcher sich aus dem Vektor u der Umfangsgeschwindigkeit des Hitzdrahtes und dem zu messenden Vektor v der Strömungsgeschwindigkeit zusammensetzt. Das ungeeichte periodische Hitzdrahtsignal liefert durch ein scharf und eindeutig ausgeprägtes Minimum, welches im Fall des Abgleichs u = v zu null wird, die vollständige Information über den Geschwindigkeitsvektor 4.Small amount keitsvectors The invention relates to a rotating hot wire device in which the hot wire interacts periodically with the resulting speed vector c, which is derived from the vector u the circumferential speed of the hot wire and the vector to be measured v the flow speed composed. The uncalibrated periodic hot wire signal is supplied by a sharp and clearly defined minimum, which in the case of the comparison u = v to zero becomes, the complete information about the speed vector 4.

Als Anwendungsoebiete erschließen sich diesem praktikablen Verfahren vor allem Strömungsmeßprobleme der Klima- und Lüftungstechnik sowie der Meteorologie, also solche Probleme, bei denen weitgehend stationäre Konvektions- und Schleichströmungen eine besondere Rolle spielen.This practicable process opens up as areas of application especially flow measurement problems in air conditioning and ventilation technology as well as meteorology, So those problems in which largely stationary convection and creeping currents play a special role.

Die Hitzdrahtanemometrie (HDA) ist eine in der Strömungsmeßtechnik weit verbreitete Meßmethode. Sie beruht auf der Ausnutzung des Kühleffektes eines strömenden Mediums an einem sehr feinen, elektrisch aufgeheizten Draht in Form einer sogenannten Hitzdrahtsonde. über elektronische Regelschaltungen werden entweder die Temperatur oder die Spannung am Draht konstant gehalten. Die elektrische Regel größe ist eine im allgemeinen nichtlineare Funktion der auf den Hitzdraht einwirkenden Strömungsgeschwindigkeit. Für eine bequeme und genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit wird im allgemeinen der Zusammenhang der Regelgröße mit der Geschwindigkeit durch besondere elektronische Schaltungen linearisiert und die gesamte Meßvorrichtung mittels bekannter Strömungsgeschwindigkeiten geeicht.The hot wire anemometry (HDA) is one of the flow measurement technology widely used measurement method. It is based on the use of the cooling effect of a flowing medium on a very fine, electrically heated wire in the form of a so-called hot wire probe. via electronic control circuits are either the temperature or the tension on the wire is kept constant. The electrical rule magnitude is a generally non-linear function of those acting on the hot wire Flow velocity. For a convenient and accurate measurement of the flow velocity the relationship between the controlled variable and the speed is generally determined special electronic circuits linearized and the entire measuring device calibrated by means of known flow velocities.

Die Eichung eines Hitzdrahtanemometers für kleine Strömungsgeschwindigkeiten unterhalb etwa 5 m/s bereitet, zumindest in Luft und anderen Gasen, Schwierigkeiten. Die für die Eichung notwendige Vergleichsmessung erfolgt in den meisten Fällen durch Messung des dynamischen Druckes der Strömung, beispielsweise mittels eines Prandtl-Rohres. Die bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten zu messenden Drücke sind sehr klein und nur durch aufwendige hochempfindliche Druckmeßgeräte genügend genau erfaßbar. Außerdem treten oft bei fallenden Geschwindigkeiten zunehmende Abweichungen von der der Vergleichsmessung zu Grunde gelegten Meßcharakteristik des Meßfühlers auf (Reynoldszahl-Abhängigkeit). Schließlich wächst dabei auch der fehlerhafte Einfluß von Konvektionsströmungen um den beheizten Draht.The calibration of a hot wire anemometer for low flow velocities below about 5 m / s causes difficulties, at least in air and other gases. The comparison measurement necessary for the calibration is carried out in most cases Measurement of the dynamic pressure of the Flow, for example by means of a Prandtl pipe. The pressures to be measured at these low speeds are very small and only sufficient with complex, highly sensitive pressure gauges precisely detectable. In addition, increasing deviations often occur with falling speeds the measuring characteristics of the measuring sensor on which the comparison measurement is based on (Reynolds number dependence). Ultimately, the faulty influence also grows of convection currents around the heated wire.

Die¢ Eigenschaften setzen der Anwendbarkeit der HDA auf sehr kleine Strömungsgeschwindigkeiten Grenzen. Andererseits bilden solche kleinen Strömungsgeschwindigkeiten ein wesentliches Merkmal beispielsweise der gesamten Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik. Die auf diesen Gebieten gebräuchlichen Meßtechniken lassen im allgemeinen keine sehr großen Meßgenauigkeiten zu und bieten nur selten die Möglichkeit, außer dem Betrag auch die Richtung und den Richtungssinn der Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln.The ¢ properties make the applicability of the HDA very small Flow velocities limits. On the other hand, such small flow velocities form an essential feature, for example, of the entire heating, ventilation and air conditioning technology. The measuring techniques customary in these fields are generally not applicable very high measuring accuracies and only rarely offer the possibility, besides the Amount also to determine the direction and the sense of direction of the flow velocity.

Die hier zu beschreibende Erfindung betrifft eine mit einem Hitzdraht arbeitende Vorrichtung, welche es ermöglicht, kleine Strömungsgeschwindigkeiten nach Betrag, Richtung und Richtungssinn eichfrei und in einem Meßvorgang zu messen.The invention to be described here relates to one having a hot wire working device, which enables small flow velocities To be measured in terms of amount, direction and sense of direction without calibration and in one measuring process.

Sie geht von dem Stand der Technik aus, welcher durch das Schwingungsanemometer gegeben ist, welches derzeit von einem einschlägigen MeS-gerätehersteller gefertigt und vertrieben wird (vgl. Low-Velocity-Anemometer der Firma DISA-Elektronik, Dänemark). Bei diesem Gerät wird eine ungeeichte Hitzdrahtsonde, soweit bekannt, möglichst parallel zu der zu messenden Strömungsrichtung quer zur Sondenachse in Schwingungen versetzt. Unter Beobachtung des von der Sonde gelieferten elektrischen Signals wird die Frequenz der Schwingung soweit verändert, bis die Geschwindigkeitsamplitude der Sondenschwingung gleich dem Betrag der Strömungsgeschwindigkeit ist. Im elektrischen Signal verschwindet in diesem Fall ein bei nicht vollständigem Abgleich vorhandenes Zwischenmaximum. Dieses beruht auf der Unempfindlichkeit des Hitzdrahtes gegenüber dem Vorzeichen der Relativgeschwindigkeit c und entsteht beim Nulidurchgang dieser auf den Hitzdraht einwirkenden Geschwindigkeit.It is based on the state of the art, which is provided by the vibration anemometer is given, which is currently manufactured by a relevant MeS device manufacturer and is sold (cf. Low-Velocity-Anemometer from DISA-Elektronik, Denmark). In this device, an uncalibrated hot wire probe, if known, is used if possible in oscillations parallel to the direction of flow to be measured, transversely to the probe axis offset. While observing the electrical signal supplied by the probe, becomes the frequency of the oscillation changed until the speed amplitude the probe oscillation is equal to the amount of the flow velocity. In the electric In this case, the signal disappears if the adjustment is incomplete Intermediate maximum. This is based on the insensitivity of the hot wire to the sign of the relative speed c and arises when it passes through zero speed acting on the hot wire.

Bei Kenntnis der Geschwindigkeitsamplitude der Sondenschwingung erhält man nach erfolgtem Abgleich eine Information über den Betrag der Strömungsgeschwindigkeit, jedoch keine eindeutige Information über die Strömungsrichtung, wofür eine Reihe von Messungen in verschiedenen Richtungen notwendig wird.If the velocity amplitude of the probe oscillation is known information about the amount of the Flow velocity, however, no clear information about the direction of flow, for which a number of measurements in different directions becomes necessary.

Die Erfindung bezieht sich auf eine gegenüber diesem Stand der Technik veränderte Meßvorrichtung, mit welcher es möglich ist, mittels eines ungeeichten Hitzdrahtfühlers außer dem Betrag der zu messenden Geschwindigkeit auch ihre Richtung und den Richtungssinn in einem Meßvorgang zu bestimmen.The invention relates to a prior art modified measuring device with which it is possible by means of an uncalibrated In addition to the amount of the speed to be measured, the hot wire sensor also shows its direction and to determine the sense of direction in one measuring process.

Zu diesem Zweck wird eine Hitzdrahtsonde am Ende einer rotierenden Sondenwelle in eine kreisende Bewegung mit dem Radius R und mit der Drehzahl n versetzt. Der Hitzdraht kann innerhalb der Vorrichtung grundsätzlich verschiedenartig ausgerichtet werden, jedoch stellt seine Ausrichtung parallel zur Rotationsachse der Sondenwelle einen besonders Ubersichtlichen und in der Wirkungsweise optimalen Fall dar. Die dieser Beschreibung zugrunde gelegte parallele Ausrichtung ist damit anderen möglichen Anordnungen durch ihre Eigenschaften überlegen.For this purpose, a hot wire probe is attached to the end of a rotating The probe shaft is set in a circular motion with the radius R and the speed n. The hot wire can in principle be oriented in different ways within the device However, its orientation is parallel to the axis of rotation of the probe shaft a particularly clear and optimal case in the mode of action The parallel alignment on which this description is based is therefore possible for others Superior to arrangements due to their properties.

Die elektrische Versorgung des Hitzdrahtes bzw. die Signalabnahme aus dem rotierenden Teil der Vorrichtung erfolgt durch Drehübertrager für elektrische Signale oder entsprechend wirkende Mittel.The electrical supply of the hot wire or the signal pick-up from the rotating part of the device is carried out through rotary transmitters for electrical Signals or appropriately acting means.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung soll an dem vereinfachten Fall beschrieben werden, bei welchem der zu messende Geschwindigkeitsvektor v parallel zu den vom kreisenden Hitzdraht beschriebenen Ebenen liegt.The operation of this device should be based on the simplified case can be described at which the velocity vector to be measured v is parallel to the planes described by the rotating hot wire.

Zu dem zu messenden Strömungsgeschwindigkeitsvektor v mit dem Betrag v addiert sich vektoriell der Umfangsgeschwindigkeitsvektor u mit dem Betrag u des Hitzdrahtes auf seiner Kreisbahn. Das zu dem resultierenden relativen Geschwindigkeitsvektor c mit dem Betrag c proportionale Hitzdrahtsignal ist dann E = K.c K ist der Proportionalitätsfaktor zwischen der elektrischen Meßgröße E des Hitzdrahtsignales und dem Betrag c.The circumferential speed vector u with the amount u of the hot wire on its circular path is added vectorially to the flow velocity vector v to be measured with the amount v. The hot wire signal proportional to the resulting relative speed vector c with the amount c is then E = Kc K is the proportionality factor between the electrical measured variable E of the hot wire signal and the amount c.

Man erkennt, daß das Signal zwischen folgenden Extremwerten schwankt: E = K.(v+u) bei f= G, 9w, 4# usw.It can be seen that the signal fluctuates between the following extreme values: E. = K. (v + u) at f = G, 9w, 4 # etc.

E = K.(v - u) bei >= 7. 3Tt, 5# usw. E = K. (v - u) at> = 7. 3Tt, 5 # etc.

Durch die Variation des Betrages u der Umfangsgeschwindigkeit über die Drehzahl n der Sonde und mit dem Kreisbahnradius R des Hitzdrahtes gemäß # . n 30 läßt sich die Bedingung # = # einstellen, so daß für einen bestimmten Drehwinkel = Yo + ## = 7-Z (z = ungerade Zahl) das elektrische Signal E zu null wird.By varying the amount u of the circumferential speed over the speed n of the probe and with the circular orbit radius R of the hot wire according to #. n 30 the condition # = # can be set so that for a certain angle of rotation = Yo + ## = 7-Z (z = odd number) the electrical signal E becomes zero.

In dem Fall, in welchem der Vektor v der Strömungsgeschwindigkeit nicht parallel zur Kreisebene der Drahtbewegung legt, fällt E zunächst nur bis auf ein positives Minimum 6 ab, welches trotz Drehzahl variation nicht zu unterschreiten ist. Erst durch eine zusätzliche Neigungsänderung auf den Winkel tp = b + ## der Meßvorrichtung in einer beliebigen Ebene, in welcher die Rotationsachse der Meßvorrichtung liegen muß, läßt sich dann jedoch der vollständige Abgleich zu v = u mit E = 0 erzielen.In the case where the vector v is the flow velocity does not lay parallel to the circular plane of the wire movement, E is initially only noticeable a positive minimum 6, which should not be undercut despite the speed variation is. Only through an additional change in inclination to the angle tp = b + ## der Measuring device in any plane in which the axis of rotation of the measuring device must be, the complete adjustment to v = u with E = 0 can then be achieved.

Das Minimum des elektrischen Signal es ordnet sich dabei den Winkelpositionen fund 4> zu. Bezüglich einer beliebigen aber bekannten Ausgangsrichtung #° und 0 geben danr; ## und ## die Richtung des räumlichen Geschwindigkeitsvektors v an, dessen Betrag sich nach Gleichung (2) ermittelt.The minimum of the electrical signal is assigned to the angular positions fund 4> to. With regard to any but known initial direction # ° and Give 0 danr; ## and ## the direction of the spatial velocity vector v, the amount of which is determined according to equation (2).

Dieses grundsätzliche Signalverhalten gilt für alle Fälle v9 u. In jedem Fall des noch nicht erzielten Abgleichs ist also die auf den Hitzdraht einwirkende Relativgeschwindigkeit c > 0, ohne daß ein Nulldurchgang des Geschwindigkeitsvektors vollzogen wird. Im Zusammenhang mit der Vorzeichenunempfindlichkeit des Hitzdrahtes gegenüber der Strömungsrichtung bedeutet diese Eigenschaft ein besonders günstiges Eindeutigkeitsverhalten des Signal es E.This basic signal behavior applies to all cases v9 and In in each case of the not yet achieved adjustment is the one acting on the hot wire Relative speed c> 0 without the speed vector crossing zero is carried out. In connection with the insensitivity of the sign of the hot wire compared to the direction of flow, this property means a particularly favorable one Uniqueness behavior of the signal es E.

Die Messung der Winkelposition des Signaiminimums kann auf verschiedenen Wegen, am besten mit einfachen elektronischen Hilfsmitteln erfolgen.The measurement of the angular position of the signal minimum can be carried out on various Because of this, it is best done with simple electronic tools.

So kann beispielsweise ein elektrisch, optisch oder magnetisch wirkender Impulsgeber zwischen dem rotierenden und dem nicht rotierenden Teil der Vorrichtung einen Impuls bei der Winkelstellung y= p + bewirken. In einem mit diesem Impuls getriggerten Zweistrahloszillogramm für Signal und Impulszug kann dann die Winkeldifferenz zwischen dem Signalminimum und dem Impuls abgelesen werden. Die zu diesem Zweck festgelegte Bezugsrichtung)C, kann zusätzlich so verändert werden, daß Af= 0 wird. In diesem Fall wird der Einzelimpuls auf das Signalminimum abgebildet und gibt die um s/2 zurückgedrehte Strömungsrichtung an.For example, an electrically, optically or magnetically acting Pulse generator between the rotating and the non-rotating part of the device cause a pulse at the angular position y = p +. In one with this impulse triggered two-beam oscillogram for signal and pulse train can then determine the angle difference can be read between the signal minimum and the pulse. The for this purpose fixed reference direction) C, can also be changed so that Af = 0. In this case the single pulse is mapped to the signal minimum and gives the Direction of flow turned back by s / 2.

Andere Möglichkeiten zur Winkelmessung sind gegeben beispielsweise durch die Verwendung fein geteilter mitrotierender Strich- oder Codierscheiben, elektrisch, optisch oder magnetisch abgetastet.Other possibilities for angle measurement are given, for example through the use of finely divided co-rotating graduated or coding disks, scanned electrically, optically or magnetically.

Für die Auswertung bietet sich ein breites Feld von Möglichkeiten an, vom einfachen Zweistrahloszillogramm bis zu vollautomatisch wirkenden elektronischen Schaltungen mit digitaler Ausgabe der kompletten Kenndaten des Geschwindigkeitsvektors.There is a wide range of options for the evaluation from a simple two-beam oscillogram to fully automatic electronic ones Circuits with digital output of the complete characteristic data of the speed vector.

Das Wesen der Erfindung soll nun anhand der Figuren 1 bis 5 beschrieben werden: Fig. 1 zeigt als Prinzipentwurf eine mögliche Anordnung der Meßvorrichtung. Sie besteht aus der rotierenden Sondenwelle 1 und dem nicht rotierenden Sondenschaft 2. Beide sind durch eine spielfreie leichtgängige Lagerung 3 und 3' ineinander gelagert.The essence of the invention will now be described with reference to FIGS Fig. 1 shows a possible arrangement of the measuring device as a conceptual design. It consists of the rotating probe shaft 1 and the non-rotating probe shaft 2. Both are supported in one another by a play-free, smooth bearing 3 and 3 '.

Die Sondenwelle trägt an ihrem strömungsgünstig ausgebildeten freien Ende die Sondenzinken 4 und 4'. Diese sind so geformt, daß der zwischen ihren Enden ausgespannte Hitzdraht 5 parallel zur Drehachse der Sondenwelle ausgerichtet ist und von dieser den Abstand R besitzt. Die Versorgung des Hitzdrahtes 5 mit der elektrischen Heizleistung, welche im allgemeinen gleichzeitig der Träger für das Meßsignal ist, erfolgt über die elektrische Zuleitung 12 mittels Drehübertragern, hier beispielsweise in Form von Schleifkontakten 6 und 6', von dem nicht rotierenden Sondenschaft 2 in die Sondenwelle 1 und wird dort zu den Sondenzinken 4 und 4' weitergeleitet, wo sie dem Hitzdraht 5 zugeführt wird.The probe shaft carries on its aerodynamically designed free one End the probe prongs 4 and 4 '. These are shaped so that the one between their ends stretched hot wire 5 is aligned parallel to the axis of rotation of the probe shaft and has the distance R from this. The supply of the hot wire 5 with the electrical Heating power, which is generally also the carrier for the measurement signal, takes place via the electrical supply line 12 by means of rotary transmitters, here for example in the form of sliding contacts 6 and 6 'from the non-rotating probe shaft 2 into the probe shaft 1 and is forwarded there to the probe tines 4 and 4 ', where it is fed to the hot wire 5.

Der Antrieb der Sondenwelle 1 erfolgt mittels eines in der Drehzahl regelbaren Antriebsmotors 7, welcher in den Sondenschaft integriert werden kann und seine elektrische Antriebsleistung über die Zuleitung 10 bezieht.The drive of the probe shaft 1 takes place by means of a speed controllable drive motor 7, which can be integrated into the probe shaft and draws its electrical drive power via the supply line 10.

Die Sondenwelle 1 trägt außerdem einen (oder mehrere) möglichst berührungsfrei wirkende Impulsgeber 8, welcher beispielsweise einen (oder mehrere) elektrischen oder optischen Impuls pro Umdrehung der Sondenwelle durch Wechselwirkung mit einem (oder mehreren) n dem Sondenschaft befindlichen Impulsempfänger 9 erzeugt. Dieser oder auch ein dem Motor 7 entnommenes Signal können zusätzlich zur genauen Drehzahlbestimmung der Sondenwelle dienen.The probe shaft 1 also carries one (or more) with as little contact as possible acting pulse generator 8, which for example one (or more) electrical or optical pulse per revolution of the probe shaft by interacting with a (or several) n the probe shaft located pulse receiver 9 generated. This or a signal taken from the motor 7 can also be used in addition to the precise speed determination serve the probe shaft.

Die Winkellage des Impulsempfängers 9 an dem Sondenschaft stellt die Bezugsrichtung f für den zu messenden Geschwindigkeitsvektor dar. Die elektrische Abführung der Impulse für die Drehwinkelmessung erfolgt über das Leitungssystem 11.The angular position of the pulse receiver 9 on the probe shaft represents the Reference direction f for the velocity vector to be measured. The electrical The impulses for the angle of rotation measurement are carried away via the line system 11.

Fig. 2 zeigt für einige Winkelpositionen das Vektordiagramm der Geschwindigkeiten v und u, welche sich zu der resultierenden Relativgeschwindigkeit c zusammensetzen. Da u mit dem zinken f umläuft, verändert sich der auf den Hitzdraht wirkende Vektcr c entsprechend. Aus dem Diagramm ist leicht erkennbar, daß bei u v der Vektor c keinen glatten Nulldurchgang erfährt, sondern ledIglich im Abgleichfall bei u = v den Wert null als Extremwert erreicht.Fig. 2 shows the vector diagram of the speeds for some angular positions v and u, which are combined to form the resulting relative speed c. Since u revolves with the prong f, the vector acting on the hot wire changes c accordingly. It can easily be seen from the diagram that with u v the vector c does not experience a smooth zero crossing, but only in the calibration case at u = v reaches zero as the extreme value.

Fig. 3 zeigt für eine volle Periode von ; den normierten Verlauf für c in den Fällen 14 für v >u, 15 für v < uund 13 für v = u (Abgleich).Figure 3 shows for a full period of; the normalized course for c in cases 14 for v> u, 15 for v <u and 13 for v = u (adjustment).

Es ist erkennbar, daß für v/u + 1 sich das Signalminimum zunehmend schärfer ausbildet.It can be seen that the signal minimum increases for v / u + 1 trains sharper.

Fig. 4 zeigt den Verlauf 13 der signalproportionalen Geschwindigkeit nach Fig. 3, wie sie sich in einem Zweistrahloszillogramm darstellt, dessen zweiter Strahl die Winkel impulse 16, 16' und 16" aufzeichnet.4 shows the course 13 of the signal-proportional speed according to FIG. 3, as it is represented in a two-beam oscillogram, its second Beam records the angle pulses 16, 16 'and 16 ".

Die allgemeine relative Lage des Signales 13 zu den Drehwinkelimpulsen 16, 16', 16" usw. läßt sich durch Drehen des Sondenschaftes 2 mit dem Impuisempüanger 9 (Fig. 1) so verschieben, daß mit dem Signalverlauf 13' die Signalminima genau über den Impulsen 16, 16' und 16" liegen.The general position of the signal 13 relative to the rotation angle pulses 16, 16 ', 16 "etc. can be adjusted by turning the probe shaft 2 with the Impuisempüanger 9 (Fig. 1) move so that with the signal curve 13 'the signal minima exactly above pulses 16, 16 'and 16 ".

In diesem Fall schrumpft der die Strömungsrichtung angebende Winkel af auf null zusammen und die Lage yO des Impulsempfängers ist gleich der um /2 zurückgedrehten Strömungsrichtung.In this case, the angle indicating the direction of flow shrinks af to zero and the position yO of the pulse receiver is equal to that rotated back by / 2 Direction of flow.

Fig 5 stellt die Winkelsituation bezüglich der Lage der Impulsgeber 8 und 9 im Augenblick der Impulsgabe und des Geschwindigkeitsabgleichs dar. Hieraus ist ersichtlich, daß die tatsächliche Geschwindigkeitsrichtung der im Abgleichfall ermittelten Richtung f = 90 ## + hy um #/2 vorauseilt.5 shows the angular situation with regard to the position of the pulse generator 8 and 9 at the moment of the impulses and the speed adjustment. From this it can be seen that the actual direction of speed is in the calibration case determined direction f = 90 ## + hy leads by # / 2.

Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik liegen die Vorteile dieser Erfindung a) in der gleichzeitigen Messung von Betrag, Richtung und Richtungssinn der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Kreisebene der Sondendrehung durch einen einzigen Meßvorgang, bei zusätzlicher Neigungsverstellbarkeit der Sonde sogar des räumlichen Geschwindigkeitsvektors v; b) in der größeren Genauigkeit durch genauere Kenntnis der Umfangsgeschwindigkeit des Hitzdrahtes gegenüber der Geschwindigkeitsamplitude eines mechanisch schwingenden Systems bei zusätzlich geringerer mechanischer Beanspruchung des Hitzdrahtes; c) in der geringeren Störung der Strömung an der Meßstelle, da sich der rotierende Hitzdraht in weitem Bereich um den Abgleichszustand nicht in seinem eigenen Nachlaufgebiet bewegt; d) in der Eindeutigkeit des elektrischen Signals in jedem nicht abgeglichenen Zustand sowie der wachsenden Schärfe des Signalminimums bei Annäherung an den Abgleichszustand.Compared to the previous state of the art, this has the advantages Invention a) in the simultaneous measurement of magnitude, direction and sense of direction the flow velocity within the circular plane of the probe rotation through a single measuring process, with additional inclination adjustability of the probe even des spatial velocity vector v; b) in greater accuracy through more accurate Knowledge of the circumferential speed of the hot wire versus the speed amplitude a mechanically oscillating system with additionally lower mechanical stress of the hot wire; c) in the lower disturbance of the flow at the measuring point, there the rotating hot wire does not move in a wide area around the balance state moving in its own wake area; d) in the uniqueness of the electrical signal in every unbalanced state as well as the increasing sharpness of the signal minimum when approaching the matched state.

Die etwas größeren Abmessungen des Rotationsbereiches des Sondenkopfes fallen bei der Natur der Probleme großvolumiger Raum- und Klimaströmungen nicht ins Gewicht.The slightly larger dimensions of the rotation area of the probe head do not fall with the nature of the problems of large-volume spatial and climatic flows weight.

Als Beispiel ergibt sich für eine Sondendrehzahl von 3600 U/min und eine zu messende Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/s ein Drehkreisradius für den Hitzdraht von R = 30-v = S,31 mm #.n Auf den Sondendraht wirkt dabei eine hier konstante Beschleunigung von = n 2 = 77 (9 = Erdbeschleunigung) g 30 was für übliche Hitzdrahtausführungen durchaus mechanisch erträglich ist.As an example, for a probe speed of 3600 rpm and a flow rate of 2 m / s to be measured, a turning circle radius for the hot wire of R = 30-v = S, 31 mm # .n A constant acceleration acts on the probe wire from = n 2 = 77 (9 = acceleration due to gravity) g 30 which is mechanically tolerable for common hot wire designs.

Da der Hitzdraht weder geeicht noch linearisiert werden muß, läßt sich die Messung mit dieser Vorrichtung mit einfachen elektronischen Mitteln zu hoher Auflösung sowohl hinsichtlich des Betrages der zu messenden Geschwindigkeit als auch hinsichtlich ihrer Richtung bringen.Since the hot wire does not have to be calibrated or linearized, it can the measurement with this device with simple electronic means to high resolution both in terms of the amount of the speed to be measured as well as in terms of their direction.

Die untere Grenze dürfte auch hier durch den Einfluß der thermischen Konvektionsströmungen um den geheizten Draht gegeben sein, die durch möglichst geringe Obertemperatur des Drahtes gegenüber der Strömung minimiert werden kann.The lower limit should also be due to the influence of the thermal Convection currents are given around the heated wire, which by as little as possible The upper temperature of the wire compared to the flow can be minimized.

Gegenüber dem hier betrachteten zur Rotationsachse der Sonde parallelen Draht sind andere Drahtrichtungen (z.B. radiale Ausrichtung) denkbar, jedoch mit Nachteilen behaftet.Compared to the one considered here parallel to the axis of rotation of the probe Wire, other wire directions (e.g. radial alignment) are conceivable, but with Disadvantages.

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Claims (5)

Patentansprüche 1. Vorrichtung zur eichfreien Messung von Strömungsgeschwindigkeite.Claims 1. Device for calibration-free measurement of flow rates. nach Betrag, Richtung und Richtungssinn, dadurch gekennzeichnet. according to amount, direction and sense of direction, characterized. daß ein im optimalen Fall parallel zur Rotationsachse der Vorrichtung ausgerichteter Hitzdraht um diese in eine kreisförmige Bewegung versetzt wird deart, daß sich zu dem im Bereich des Hitzdrahtes zu messenden Vektor v der Strömungsgeschwindigkeit der Vektor u seiner Umfangsgeschwindigkeit zum Vektor c der resultierenden Relativgeschwindigkeit addiert, welche, auf den Hitzdraht einwirkend, die Entstehung eines periodischen elektrischen Signales des Hitzdrahtes bewirkt, dessen Minimum durch Verändern der Drehzahl und ggf. auch der zur Kreisbewegung senkrechten Neigung der Sonde zu null gemacht, den Abgleich v = u anzeigt, wodurch in Folge der über Drehzahl, Phasenlage und Kreisradius der Vorrichtung bestimmbaren Größen u und Winkellage des Signalminimums der Strömungsvektor v vollständig bestimmt ist. that one in the optimal case parallel to the axis of rotation of the device Aligned hot wire around it is set in a circular motion deart, that is related to the vector v of the flow velocity to be measured in the area of the hot wire the vector u of its peripheral speed to the vector c of the resulting relative speed added, which, acting on the hot wire, the emergence of a periodic electrical signal of the hot wire causes the minimum by changing the Speed and possibly also the inclination of the probe perpendicular to the circular movement to zero made, the adjustment shows v = u, which in consequence of the speed, phase position and circle radius of the device determinable variables u and angular position of the signal minimum the flow vector v is completely determined. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Versorgung des Hitzdrahtes und die im allgemeinen damit gekoppelte Signal entnahme aus dem rotierenden Teil der Vorrichtung in ihren ruhenden Teil mittels geeigneter Drehübertrager erfolgt, beispielsweise in Form von Schleifkontakten oder geeignet konstruierter Miniatur-Quecksilber-Drehübertrager.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the electrical Supply of the hot wire and the generally associated signal removal from the rotating part of the device into its resting part by means of suitable Rotary transmitter takes place, for example in the form of sliding contacts or suitable constructed miniature mercury rotary joint. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Winkellage des Signalminimums durch Bezug auf einen oder mehrere elektrisch, optisch oder magnetisch erzeugte Impulssignale bestimmt wird, welche durch einen oder mehrere entsprechend wirkende mit der Drehbewegung der Sonde gekoppelte Impulsgeber erzeugt werden.3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the relative angular position of the signal minimum by reference to one or more electrical, optically or magnetically generated pulse signals is determined, which by a or several correspondingly acting pulse generators coupled with the rotary movement of the probe be generated. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung so gelagert wird, daß sie um den rotierenden Sondenkopf in einer beliebigen Längsebene des Sondenkörpers so geneigt werden kann, daß auch der Abgleich mit Geschwindigkeitsvektoren v erfolgen kann, welche nicht von vornherein parallel zur Kreisebene der Hitzdrahtbewegung liegen.4. Apparatus according to claim 1 to 3, characterized in that the measuring device is stored so that it is around the rotating probe head in a any longitudinal plane of the probe body can be inclined so that the adjustment can take place with velocity vectors v, which are not parallel from the outset lie to the circular plane of the hot wire movement. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahl- und Neigungsabgleich der Sonde vollständig kontrolliert und mittels geeigneter Regel elektronik und Servoantrieben eingeregelt wird, sowie aus den nach erfolgtem Abgleich vorhandenen Größen der Sondendrehzahl und der Winkel lage des Signalminimums die Information über Betrag, Richtung und Richtungssinn des Geschwindigkeitsvektors v von der Elektronik selbsttätig errechnet und in geeigneter Weise ausgegeben wird.5. Apparatus according to claim 1 to 4, characterized in that the speed and inclination adjustment of the probe is completely controlled and by means of suitable control electronics and servo drives is regulated, as well as from the according to the existing parameters of the probe speed and the angular position of the Signal minimum the information about the amount, direction and sense of direction of the speed vector v is calculated automatically by the electronics and output in a suitable manner.
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