DE3007356C2 - Thermoelectric calibration-free method for measuring the flow velocity of a medium - Google Patents
Thermoelectric calibration-free method for measuring the flow velocity of a mediumInfo
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Description
Die Zusatzerfindung betrifft ein thermoelektrisches eichfreies Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs nach Patent 29 43 237. Sie geht von dem prinzipiell gleichen Meßverfahren und dessen Wirkungsweise aus, wie es für die rotierende Hitzdrahtsonde gemäß Hauptpatent erläutert wird, ersetzt jedoch den Hitzdraht durch andere mögliche Geschwindigkeitsfühlerelemente, welche gegenüber einer sie beaufschlagenden Anströmgeschwindigkeit empfindlich sind, nämlich temperaturempfindliche elektrische Widerstände in Form von Hitzfilmen sowie Thermistoren.The additional invention relates to a thermoelectric calibration-free method according to the preamble of the claim according to patent 29 43 237. It is based on the principle of the same measuring method and its mode of operation from, as it is explained for the rotating hot wire probe according to the main patent, but replaces the hot wire by other possible speed sensor elements, which opposite one acting on them Inflow velocity are sensitive, namely temperature-sensitive electrical resistances in the form of heat films and thermistors.
Als Anwendungsbereiche kommen dadurch zusätzlich zu den im Hauptpatent genannten solche hinzu, die eine größere mechanische Robustheit des Fühlers erfordern, beispielsweise für die Verwendung in feststoffbeladenen Gas- und Flüssigkeitsströmungen, die auch durch Rohre oder Kanäle geführt sein können.As a result, in addition to those mentioned in the main patent, areas of application are those that require a greater mechanical robustness of the sensor, for example for use in solids-laden Gas and liquid flows, which can also be guided through pipes or channels.
Als Stand der Technik ist das Schwingungsanemometer berücksichtigt, das als Low-Velocity-Anemometer 55 D 80/81 in dem Gesamtkatalog 1974/75 der Firma DISA-Elektronik, Dänemark, beschrieben ist. Bei diesem Gerät wird eine ungeeichte Hitzdrahtsonde möglichst parallel zu der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit, wenn diese überhaupt bekannt ist, und q; er zurThe vibration anemometer, the low-velocity anemometer, is considered state-of-the-art 55 D 80/81 in the general catalog 1974/75 from DISA-Elektronik, Denmark. With this one The device uses an uncalibrated hot wire probe as parallel as possible to the flow velocity to be measured, if this is known at all, and q; he to
ίο Sondenachse in Schwingung versetzt.ίο The probe axis is vibrating.
Zum Stand der Technik gehören weiterhin mechanische Vorrichtungen, welche mit Mitteln der Getriebetechnik die von ihnen getragenen Hitzdrahtsonden auf definiert geführten Bahnen mit vorgegebenen bekannton Geschwindigkeiten bewegen (Lit Soviet Invent II-lustr. Sect II EIectr, Vol. W. No. 32. Issued 16. Sept 75, SU 4 33 403).The state of the art also includes mechanical devices that use gear technology the hot wire probes carried by them on defined guided tracks with predetermined known Moving speeds (Lit Soviet Invent II-lustr. Sect II EIectr, Vol. W. No. 32nd Issued Sept. 16, 75, SU 4 33 403).
Ein periodisch bewegtes, insbesondere rotierendes System zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit des Meßfühlers, in diesem Fall eines Pitotrohres, ist ebenfalls bekannt (Lit Feinwerktechnik. 75. 1971. Heft 3. S. 131 —133). Durch Überlagerung der Geschwindigkeit des auf einer Kreisbahn bewegten Pitotrohres mit der absoluten Geschwindigkeit des Strömungsfeldes wird das Niveau des dynamischen Druckes angehoben, bei dem die Messung durchgeführt wird.A periodically moving, in particular rotating system to increase the measuring sensitivity of the Sensor, in this case a pitot tube, is also known (Lit Feinwerktechnik. 75. 1971. Issue 3. pp. 131-133). By superimposing the speed of the Pitot tube moving on a circular path with the absolute velocity of the flow field the level of dynamic pressure at which the measurement is carried out is increased.
Das Meßverfahren gemäß Hauptpatent benutzt einen Hitzdraht, welcher, im günstigsten Fall parallel zu der Rotationsachse der Sondenwelle ausgerichtet, sich auf einer Kreisbahn mit dem Radius R um die Achse der Sondenwelle beweg t. M it der Drehzahl π (U/min) ist der Betrag u der Umfangsgeschwindigkeit des HitzdrahtsThe measuring method according to the main patent uses a hot wire which, in the best case aligned parallel to the axis of rotation of the probe shaft, moves on a circular path with the radius R around the axis of the probe shaft. W ith the speed π (rpm), the amount u is the circumferential speed of the hot wire
u=2.rn ■ R.u = 2.rn ■ R.
Durch Wechselwirkung des Vektors ν der Strömungsgeschwindigkeit mit dem Vektor i?der Umfangsgeschwindigkeit bzw. mit dem Vektor <* der relativen Anströmgeschwindigkeit des Hitzdrahts ergibt sich ein typischer Verlauf des hieraus resultierenden elektrischen Hitzdrahtsignals E(c(gi) über dem Drehwinkel φ. Beim Eintritt einer über die Variation der Drehzahl π einstellbaren Identität der Beträge u und ν zeigt das Hitzdrahtsignal Ε(φ) einen eindeutigen, scharf ausgebildeten absoluten Extremwert gegenüber allen anderen Fäljen υΦ ν. By interaction of the vector in the flow velocity with the vector ν i? Of the peripheral speed and with the vector <* the relative flow velocity of the hot wire results in a typical curve of the resulting electrical Hitzdrahtsignals E (c (gi) φ about the rotation angle. On entering a Via the variation of the speed π adjustable identity of the amounts u and ν, the hot wire signal Ε (φ) shows a clear, sharply developed absolute extreme value compared to all other cases υΦ ν.
Über dem Drehwinkel φ mit der Bezugsrichtung gco aufgezeichnet, hegt der Extremwert bei dem Winkel g>=g?o + dg>, bei weLhem in Folge der momentanen Sondenposition auch die Vektoren u und ν identisch werden. Plotted over the angle of rotation φ with the reference direction gco, the extreme value is at the angle g> = g? O + dg>, at which the vectors u and ν also become identical as a result of the current probe position.
Mittels eines Bezugsimpulses pro Sondenumdrehung von einem bei gpo auslösenden Impulsgeber ist unter Berücksichtigung des Drehsinns der Sonde auch die Phasenlage des Signalminimurns meßbar.By means of a reference pulse per probe revolution from a pulse generator that triggers at gpo , the phase position of the signal minimum can also be measured, taking into account the direction of rotation of the probe.
Insgesamt ergibt sich damit eine eichfreie Meßmethode, mit welcher durch eine Drehzahl- oder Periodenmessung und eine Phasenwinkelmessung sowie mit dem meßbaren Radius R der komplette Geschwindigkeitsvektor vim Strömungsfeld bestimmbar ist.Overall, this results in a calibration-free measuring method with which the complete speed vector v in the flow field can be determined by a speed or period measurement and a phase angle measurement as well as with the measurable radius R.
Durch Schwenken der Meßvorriehtung um den Sondenkopf kann auch ein Geschwindigkeitsvektor verfaßt werden, welcher zunächst nicht senkrecht auf der Drehachse der Sondenwelle steht. Die Strömungsrichtung liegt dann in der Drehebene des Fühlers, wenn bei beliebiger, aber konstanter Drehzahl π durch Schwenken der Sonde erreicht wird, daß der Extremwert des Signals bezüglich des Schwenkwinkels extrem wird. AlternativBy pivoting the measuring device around the probe head, a speed vector can also be created which is initially not perpendicular to the axis of rotation of the probe shaft. The direction of flow lies in the plane of rotation of the sensor if, at any but constant speed π, by pivoting the probe, the extreme value of the signal with respect to the pivoting angle becomes extreme. Alternatively
zum absoluten Extremwert des Signals sind auch die Modulation des.-Signals oder der quadratische (zeitliche) Mittelwert seines periodischen Schwankungsanteils als Abgleichkriterien verwendbar. Diese werden ebenfalls extrem, wenn der Abgleichfall u= veintrittFor the absolute extreme value of the signal, the modulation of the signal or the quadratic (time) mean value of its periodic fluctuation component can also be used as calibration criteria. These also become extreme when the comparison case u = v occurs
Der Zusatzerfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, weitere Meßfühler einzusetzen, die meßtechnisch ähnlich empfindlich reagieren wie der Hitzdraht, dabei aber mechanisch robuster sind.The additional invention is now based on the task of using further measuring sensors that measure react as sensitively as the hot wire, but are mechanically more robust.
Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs gelöstThis object is achieved according to the characterizing part of the claim
Ein entsprechender, an Stelle des Hitzdrahts im Abstand R um die Drehachse der Sondenwelle bewegter Geschwindigkeitsfühler wird ein grundsätzlich ähnliches Signalverhalten aufweisen wie der Hitzdraht, insbesondere das scharf ausgebildete Signalextremum im Abgleichen, welches ja in erster Linie auf der Abhängigkeit der relativen Anströmgeschwindigkeit c (φ) des Fühlers vom Drehwinkel φ beruhtA corresponding speed sensor moved in place of the hot wire at a distance R around the axis of rotation of the probe shaft will have a fundamentally similar signal behavior to the hot wire, in particular the sharply formed signal extremum in comparison, which is primarily based on the dependence of the relative flow velocity c (φ) of the sensor is based on the angle of rotation φ
Ein gegenüber dem Hitzdrahtsignal gemäß Hauptpatent etwas geänderter Verlauf E (φ) ist für die hier zusätzlich in Betracht gezogenen Fühler auf Grund ihrer unterschiedlichen Winkelcharakteristika zu erwarten, jedoch ist für die Funktionsweise der Meßmethode nur das Extremalverhalten des Signals von Bedeutung. Unterschiede werden in dieser Hinsicht hauptsächlich in den Zeitkonstanten der Signaldynamik liegen. Sie werden bei den hier betrachteten Fühlertypen größer als beim Hitzdraht gemäß Hauptpatent sein, was bedeutet, daß der Fühler eine größere Wärmeträgheit besitzt. Die Meßmethode bleibt jedoch auch dabei realisierbar. A slightly different curve E (φ) compared to the hot wire signal according to the main patent is to be expected for the sensors also considered here due to their different angle characteristics, but only the extreme behavior of the signal is important for the functioning of the measurement method. The main differences in this respect will lie in the time constants of the signal dynamics. With the sensor types considered here, they will be larger than with the hot wire according to the main patent, which means that the sensor has a greater thermal inertia. However, the measuring method can still be implemented.
Bei der Messung sollte lediglich darauf geachtet werden, daß die Fühler so ausgebildet und an der Meßsonde angebracht sind, daß ihre Winkelcharakteristik innerhalb der Drehebene ein möglichst rotationssymmetrisches Verhalten aufweist.When measuring, you should only make sure that the sensor is designed and attached to the measuring probe are attached so that their angular characteristics within the plane of rotation are as rotationally symmetrical as possible Exhibits behavior.
Der Vorteil der Fühlerelemente, die Gegenstand dieser Zusatzerfindung sind, ist die im Vergleich zum Hitzdraht größere mechanische Widerstandsfähigkeit gegenüber den Einflüssen der Strömung. Dafür sind sie Wärmeträger und beeinflussen durch ihre im allgemeinen größeren geometrischen Abmessungen das Strömungsfeld in stärkerem Maße als ein Hitzdraht. Ihre Verwendbarkeit wird dadurch eine Frage der geforderten Meßgenauigkeit. Trotzdem bleibt ihr Einsatz beispielsweise in stark verschmutzten und feststoffbeladenen Strömungen von Gasen und Flüssigkeiten interessant, da dort auch andere verfügbare Meßmethoden, besonders im Niedergesohwindigkeitsbereich, nur mit zusätzlichen Schwierigkeiten und Fehlerquellen oder gar nicht verwendet werden können.The advantage of the sensor elements, which are the subject of this additional invention, is compared to the hot wire greater mechanical resistance to the influences of the flow. That's what they are for Heat carriers and their generally larger geometric dimensions influence the flow field to a greater extent than a hot wire. This makes their usability a question of what is required Measurement accuracy. Nevertheless, their use remains, for example, in heavily soiled and solids-laden areas Flows of gases and liquids interesting because there are also other available measuring methods, especially in the low-speed range, only with additional difficulties and sources of error or cannot be used at all.
Es ergeben sich außerdem Möglichkeiten zum Einsatz dieser robusten Ausführung der rotierenden Sonde in Rohrleitungen und Kanälen.There are also possibilities for using this robust version of the rotating probe in pipes and ducts.
Die Erfindung wird anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert.The invention is illustrated by means of FIGS. 1 and 2 explained in more detail.
F i g. 1 zeigt das Beispiel für die Ausführung einer rotierenden Meßvorrichtung, wie sie im Hauptpatent beschrieben ist. Die wesentliche Abweichung besteht in der Einführung des andersartigen Geschwindigkeitsfüh- w lers 17 am Ende des möglichst funktionsgünstig auszuführenden Fühlerhalters 18, welcher mit der Sondenwelle 1 fest verbunden ist. Der Geschwindigkeitsfühler kann ein thermischer bzw. thermoelektrisch wirkender Fühler sein. Im vorliegenden Beispiel ist an einen Thermistor. Transistor oder Hiizfilmfühler gedacht.F i g. 1 shows the example of the implementation of a rotating measuring device as described in the main patent is described. The main difference lies in the introduction of the different type of speed sensor lers 17 at the end of the most functionally efficient to be carried out sensor holder 18, which with the probe shaft 1 is firmly connected. The speed sensor can be thermally or thermoelectrically acting Be a feeler. In this example it is connected to a thermistor. Transistor or hot film sensor.
Die Ausbildung des Fühlerhalters 18 hängt dabei auch von der Ari des verwendeten Fühlers ab. Die elektrische Verbindung zu dem Fühler 17 wird genauso wie beim Hitzdrahtfühler gemäß Hauptpatent über das elektrische Leitungssystem 12 hergestellt. Die Leistungs- und Meßsignalübertragung 6 und 6' von der rotierenden Sondenwelle 1 in das raumfeste System des Sondenschaftes 2 kann über Schleifkontakte, Quecksilberdrehüberirager oder auch berührungsfrei, beispielsweise über ein Trägerfrequenz-Transformatorsystem erfolgen. The design of the sensor holder 18 also depends on the type of probe used. The electric Connection to the sensor 17 is the same as with the hot wire sensor according to the main patent via the electrical Line system 12 produced. The power and measurement signal transmission 6 and 6 'from the rotating Probe shaft 1 in the fixed system of probe shaft 2 can be via sliding contacts, mercury rotation overirager or also without contact, for example via a carrier frequency transformer system.
Die als Beispiel gezeigten Funktionselemente der Lagerung 3 und 3', des Antriebsmotors 7 mit der elektrischen Zuleitung 10 sowie das Impulsgebersystem 8 und 9 mit der elektrischen Zuleitung 11 ändern ihre Funktion gegenüber dem Hauptpatent nicht.The functional elements shown as an example of the bearing 3 and 3 ', the drive motor 7 with the electrical Feed line 10 and the pulse generator system 8 and 9 with the electrical feed line 11 change their function not compared to the main patent.
Fig.2 zeigt als Beispiel das Schema einer Meßvorrichtung für die eichfreie Messung der Strömungsgeschwindigkeit in der Achse eines durchströmten Rohres. Wegen des hier vorliegenden festen Einbaus der Sonde ist ein mechanisch robuster Meßfühler zweckmäßig.As an example, FIG. 2 shows the scheme of a measuring device for calibration-free measurement of the flow velocity in the axis of a pipe through which the flow passes. Because of the permanent installation of the probe, a mechanically robust measuring sensor is advisable.
Ein Fühler 17' der zu F i g. 1 genahten Art ist über den Fühierhalter 18' mit der Sondenwelle V verbunden. Die Sondenwelle Γ ist drehbar und senkrecht zur Rohrachse so in das Rohr 19 eingesetzt, daß sich durch die Rotation (ω) der Fühler 17' auf einer Kreisbahn mit dem Radius Ii und dabei in einer bestimmten momentanen Drehwinkelposition parallel zur Rohrachse bewegt. Bei geeigneter Drehrichtung der Sonde und korrekt eingestellter Drehzahl η wird die relative Anströmgeschwindigkeit c des Fühlers 17' in der Rohrachse zu null gemacht, was der für die Messung auszunutzenden Abgleichbedingung entsprichtA sensor 17 'of FIG. 1 sewn type is connected to the probe shaft V via the guide holder 18 '. The probe shaft Γ is rotatable and perpendicular to the pipe axis inserted into the pipe 19 so that the rotation (ω) causes the sensor 17 'to move on a circular path with the radius Ii and in a certain instantaneous angular position parallel to the pipe axis. With a suitable direction of rotation of the probe and correctly set speed η , the relative flow velocity c of the sensor 17 'in the pipe axis is made zero, which corresponds to the calibration condition to be used for the measurement
Durch das Geschwindigkeitsprofil über dem Rohrquerschnitt wird das Signal E(g>) gegenüber dem Idealfall räumlich konstanter Geschwindigkeitsverteilung verzerrt, was jedoch an der grundsätzlichen Funktionsweise der Meßvorrichtung und an der Signalauswertung ebensowenig ändert, wie die bereits erwähnten Unterschiede in den Winkelcharakteristika der MeSfühler. Due to the speed profile over the pipe cross-section, the signal E (g>) is distorted compared to the ideal case of spatially constant speed distribution, which, however, does not change the basic functionality of the measuring device or the signal evaluation, as does the aforementioned differences in the angle characteristics of the measuring sensors.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (1)
bei dem die Sondendrehzahl bei nunmehr konstanter Ausrichtung der Rotationsebene so variiert wird, daß die Signalmodulation bezüglich der Drehzahl maximal wird, wodurch der Betrag der Umfangsgeschwindigkeit des Meßfühlers gleich dem Betrag der Strömungsgeschwindigkeit wird, so daß der Vektor der Strömungsgeschwindigkeit aus dem Drehradius der Kreisbahn des Meßfühlers und der Sondendrehzahl aus der Drehwinkellage eines charakteristischen Signalminimums innerhalb der Rotationsebene und aus dem Drehsinn des Meßfühlers vollständig bestimmt werden kann, nach Patent 29 43 237,
dadurch gekennzeichnet, daß als Meßfühler ein Hitzfilm oder ein Thermistor eingesetzt wird.in which if the direction of flow is known, the plane of rotation is set to the direction of flow or, if the direction of flow is not known, the inclination of the plane of rotation at constant probe speed is varied from any starting position in any plane perpendicular to the plane of rotation in such a way that the modulation of the non-linearized sensor signal with respect to this inclination is maxinui, whereby the plane of rotation of the MeEJühler is aligned parallel to the direction of flow, jnd
in which the probe speed is varied with the now constant alignment of the plane of rotation so that the signal modulation with respect to the speed is maximum, whereby the amount of the circumferential speed of the sensor is equal to the amount of the flow speed, so that the vector of the flow speed from the radius of rotation of the circular path of the sensor and the probe speed can be completely determined from the angle of rotation of a characteristic signal minimum within the plane of rotation and from the direction of rotation of the sensor, according to patent 29 43 237,
characterized in that a hot film or a thermistor is used as the measuring sensor.
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|---|---|---|---|
| DE19803007356 DE3007356C2 (en) | 1980-02-25 | 1980-02-25 | Thermoelectric calibration-free method for measuring the flow velocity of a medium |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19803007356 DE3007356C2 (en) | 1980-02-25 | 1980-02-25 | Thermoelectric calibration-free method for measuring the flow velocity of a medium |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3007356A1 DE3007356A1 (en) | 1981-09-03 |
| DE3007356C2 true DE3007356C2 (en) | 1985-01-03 |
Family
ID=6095695
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19803007356 Expired DE3007356C2 (en) | 1980-02-25 | 1980-02-25 | Thermoelectric calibration-free method for measuring the flow velocity of a medium |
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Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2943237C2 (en) * | 1979-10-23 | 1983-10-06 | Bernhard Dipl.-Ing. 1000 Berlin Lehmann | Thermoelectric calibration-free method and device for measuring the flow velocity of a medium |
-
1980
- 1980-02-25 DE DE19803007356 patent/DE3007356C2/en not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| DE3007356A1 (en) | 1981-09-03 |
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