DE3108021C2 - Constant temperature anemometer with temperature compensation - Google Patents

Constant temperature anemometer with temperature compensation

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DE3108021C2 DE19813108021 DE3108021A DE3108021C2 DE 3108021 C2 DE3108021 C2 DE 3108021C2 DE 19813108021 DE19813108021 DE 19813108021 DE 3108021 A DE3108021 A DE 3108021A DE 3108021 C2 DE3108021 C2 DE 3108021C2
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
    • G01P5/12—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables using variation of resistance of a heated conductor

Abstract

Das temperaturkompensierte Konstant-Temperatur-Anemometer erlaubt eine richtungsunabhängige und rauscharme Messung geringer Luftgeschwindigkeit mittels in einer Brücke angeordneten Heißleitern. Das Anemometer ist für Grenzschichtmessungen aufgrund der geringen Abmessungen besonders geeignet. Dies wird erreicht durch besondere Auswahl der unterschiedlichen Kenndatenkombination von Spannungs-Strom-Kennlinie, Widerstandswerten, Widerstands-Temperatur-Kennlinien des Meß- und Kompensationsheißleiters.The temperature-compensated constant temperature anemometer allows direction-independent and low-noise measurement of low air velocities by means of thermistors arranged in a bridge. The anemometer is particularly suitable for boundary layer measurements due to its small dimensions. This is achieved through a special selection of the different characteristic data combinations of voltage-current characteristics, resistance values, resistance-temperature characteristics of the measuring and compensation hot conductor.

Description

ters und seiner Zuleitungen klein sind und seine Abkühl-7eitkonstante weniger als 1 see beträgt.ters and its leads are small and its cooling-7eitconstant is less than 1 second.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Anemometers sind aus den Unteran&prüchen zu entnehmen.Further advantageous designs of the anemometer according to the invention can be found in the sub-claims remove.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemnßen Anemometers wird im folgenden erläutertThe operation of the anemometer according to the invention will now be explained

1. Unter Bezugnahme auf F i g. 1:1. Referring to FIG. 1:

Die Spainungs-Stromkennlinien von Kompensations-Heißleiter und Meß-Heißleiter kreuzen sich im Arbeitspunkt, in dessen Umgebung die Spannungs-Strom-Kennlinie des Kompensations-Heißleiters im wesentlichen linear verläuft und diejenige des Meß-Heißieiters in der Nähe dieses Arbeitspunkts eine Krümmung mit im wesentlichen horizontaler Tangente aufweist Dies hat zur Folge, daß in c*er Nähe des Arbeitspunktes, der den Zustand des Brückenabgleichs charakterisiert (gleiche Widerstandswerte von Kompensations-Heißleiter und Meß-Heißleiter), der Widerstandswert des Kompensations-Heißleitei's vom Brückenregelstrom nicht beeinflußt wird, was sonst zur ständigen Verschiebung des Arbeitspunktes führen würde. Der Verlauf der Spannungs-Strom-Kennlinie des Meß-Heißleiters hat zur Folge, daß auch sehr geringe, durch die Luftströmung bedingte Temperaturänderungen (und damit Widerstandsänderungen) am Meß-Heißleiter mit bereits kleinsten Regelspannungen ausgeglichen werden können — dies ist eine notwendige Bedingung für den »rauscharmen« Betrieb des AnemometersThe Spainungs current characteristics of compensation NTC thermistors and measuring thermistors cross at the operating point, in the vicinity of which the voltage-current characteristic curve of the compensation thermistor is essentially linear and that of the measuring thermistor is in the vicinity of this operating point has a curvature with a substantially horizontal tangent in the vicinity of the working point that characterizes the state of the bridge adjustment (same resistance values compensation thermistor and measuring thermistor), the resistance value of the compensation thermistor from the bridge control current is not influenced, which would otherwise lead to a constant shift of the operating point. The course of the voltage-current characteristic of the measuring thermistor has the consequence that also very low temperature changes caused by the air flow (and thus changes in resistance) can be compensated at the measuring NTC thermistor with even the smallest control voltages - this is a necessary condition for the "low-noise" operation of the anemometer

2. Dadurch, daß der Nennwiderstand des Kompensations-Heißleiters so weit unter dem des Meß-Heißleiters liegt, daß die Temperatur des Meß-Heißleiters am Arbeitspunkt nur um maximal 20 K über derjenigen des Kompensations-Heißleiters liegt, wird erreicht, daß die Eigenkonvektion am Meß-Heißleiter gegenüber der zu messenden Luftgeschwindigkeit vernachlässigbar ist Hierdurch wird die Richtungsunabhängigkeit des Anemometers für aufwärts und abwärts strömende Luft gewährleistet. Ferner bewirkt die geringe Meß-Heißleiter-Temperatur ein stark reduziertes Alterungsverhalten sowie eine stark reduzierte Anfälligkeit gegenüber Verschmutzung (Staub wird nicht »eingebrannt«), denn eine Verschmutzung des Meß-Heißleiters würde die Richtungsunabhängigkeit beeinträchtigen. 2. Because the nominal resistance of the compensation thermistor so far below that of the measuring thermistor that the temperature of the measuring thermistor at the operating point is only a maximum of 20 K above that of the compensation NTC thermistor, it is achieved that the natural convection on the measuring thermistor compared to the air speed to be measured This makes the anemometer's independence of direction for upward and downward flowing air is guaranteed. Furthermore, the low measuring thermistor temperature causes a greatly reduced aging behavior as well as a greatly reduced susceptibility to Contamination (dust is not "burned in") because the measuring thermistor is contaminated would affect the independence of direction.

3. Dadurch, daß die den Verlauf der Widerstands-Temperaturkennlinien von Heißleitern allgemein gemäß RT~ e8^ bestimmenden B-Werte der beiden Heißleiter derart aneinander angeglichen sind, daß ihre Widerstands-Temperatur-Kennliiiien im wesentlichen gleich verlaufen, wird auch bei sich ändernden Lufttemperaturen die Temperaturdifferenz zwischen Meß- und Kompensations-Heißleiter konstant gehalten, wodurch die Temperaturkompensation gewährleistet ist. 3. The fact that the B values of the two thermistors, which determine the course of the resistance-temperature characteristics in general according to R T ~ e 8 ^ , of the two thermistors are matched to one another in such a way that their resistance-temperature characteristics are essentially the same, changing air temperatures the temperature difference between the measuring and compensation thermistors kept constant, whereby the temperature compensation is guaranteed.

4. Infolge der kleinen i'äumlichen Abmessungen des Meß-Heißleiters und seiner Zuleitungen kühlt dieser unabhängig von der Anströmrichtung gleichmäßig ab, und somit ist neben der oben genannten Richiungsunabhängigkeit auch eine Richtungsunabhängigkeit für aiii: übrigen Anströmrichtungen gegeben.4. As a result of the small spatial dimensions of the measuring thermistor and its supply lines, it cools regardless of the direction of flow, and thus is in addition to the above Direction independence also direction independence for aiii: other directions of flow given.

5. Durch die Verwendung eines Meß-Heißleiters mit einer Abkühlzeilko'istante von weniger als 1 see können auch schnelle Schwankungen der Luftgeschwindigkeit erfaßt werden.
Vorteilhaft ist es, in Reihe zum Kompensations-Heißleiter /?4 ein Potentiometer RS zur Feinanpassung des in dem den Kompensations-1 leilileiter A4 enthaltenden Brückenzweig wirksamen B-Werts an denjenigen des Meß-Heißleiters R 5 in die Brücke zu schalten, um damit die Temperaturkompensation zu optimieren, sowie ferner zwischen der Brücke und dem Eingang des Differenzverstärkers »2« einen den Quellwiderstand des Brückenzweiges mit dem Kompensations-Heißleiter A4 herabsetzenden Spannungsfolger, Operationsverstärker »1«, anzuordnen, um damit Änderungen des Spannungsabfalls am Kompensations-Heißleiter aufgrund von Änderungen der Lufttemperatur unverfälscht in den Differenzverstärker »2« zu übertragen.5. By using a measuring thermistor with a cooling coefficient of less than 1 second, rapid fluctuations in the air speed can also be recorded.
It is advantageous to connect a potentiometer RS in series with the compensation thermistor /? 4 for fine adjustment of the B value effective in the bridge branch containing the compensation thermistor A4 to that of the measuring thermistor R 5 in order to achieve the To optimize temperature compensation, and also to arrange between the bridge and the input of the differential amplifier "2" a voltage follower, operational amplifier "1", which reduces the source resistance of the bridge branch with the compensation NTC thermistor A4, in order to change the voltage drop at the compensation NTC thermistor due to changes the air temperature is transmitted to the differential amplifier »2« without distortion.

Die Wirkung der vorgenannten, vornehmlich die Schaltung des Anemometers betreffenden Maßnahmen bei der Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die Verwendung eines Meßfühlers mit einem Schutzrohr unterstützt, in welches die beiden Heißleiter, 1 und 2, samt ihren Anschlußdrähten dergestalt einziehbar sind, daß sich der Meß-Heißleiter 1 mindestens 1 cm vor dem Kompensations-Heißleiter 2 befindet und durch seine möglichst parallel verlaufenden Anschlußdrähte 3 gehaltert ist. Zwecks leichterer Austauschbarkeit sind dabei die Anschlußdrähte 3 des Meß- und des Kompensations-Heißleiters, 1 bzw. 2, mittels in dem Schutzrohr 5 befindlicher Steckerverbindungen 4 mit den Zuleitungsdrähten 6 des Meßfühlers verbindbar.The effect of the aforementioned measures, primarily relating to the circuit of the anemometer in solving the problem on which the invention is based is advantageously supported by the use of a measuring sensor with a protective tube into which the two NTC thermistors, 1 and 2, together with their connecting wires, can be drawn in such that the measuring thermistor 1 at least 1 cm in front of the compensation NTC thermistor 2 and through its as parallel as possible extending connecting wires 3 is supported. For the purpose of easier interchangeability, the Connecting wires 3 of the measuring and compensation thermistors, 1 and 2, respectively, in the protective tube 5 located plug connections 4 can be connected to the lead wires 6 of the sensor.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Konstant-Temperatür-Anemometer mit Temperaturkompensation, mit einem unbeheizten Heißleiter zur Temperaturkompensation (Kompensations-Heißleiter) und einem beheizten Meß-Heizleiter, die konstruktiv zu einem Meßfühler vereinigt sind, mit dem sie beide der zu messenden Luftströmung ausgesetzt sind, und die zusammen mit zwei Festwiderständen zu einer Brücke zusammengeschaltet sind, deren Ausgang mit dem Eingang eines Differenzverstärkers verbunden ist, dessen der zu messenden Luftströmung entsprechende Ausgangsspannung den Speisestrom der Brücke regelt, d a durch gekennzeichnet,1. Constant temperature anemometer with temperature compensation, with an unheated thermistor for temperature compensation (compensation thermistor) and a heated measuring heating conductor, which structurally combines to form a measuring sensor with which they are both exposed to the air flow to be measured, and that together with two Fixed resistors are interconnected to form a bridge, the output of which is connected to the input of a Differential amplifier is connected, whose output voltage corresponding to the air flow to be measured regulates the supply current of the bridge, d a characterized by, daß die Spannungs-Strom-Kennlinie des Komper.sations-Heißleiters (R A) in der Nähe des Kreuzungspunktes der Spannungs-Strom-Kennlinie der beiden Heißleiter bei Brückenabgleich (Arbeitspunkt) im wesentlichen linear verläuft und die Spannungs-Strom-Kennlinie des Meß-Heißleiters (R 3) in der Nähe dieses Arbeitspunktes eine Krümmung mit im wesentlichen horizontaler Tangente aufweist,
daß der Nennwiderstand des !Compensations- Heißleiters (R A) soweit unter demjenigen des Meß-Heißleiters (R 3) liegt, daß am Arbeitspunkt die Temperatur des Meß-Heißleiters (R 3) nur um maximal 20 K über derjenigen des Kompensations-Heißleiters (R 4) liegt,that the voltage-current characteristic of the Komper.sations-NTC thermistor (RA) in the vicinity of the intersection of the voltage-current characteristic of the two thermistors at bridge adjustment (working point) is essentially linear and the voltage-current characteristic of the measuring thermistor (R 3) has a curvature with an essentially horizontal tangent in the vicinity of this working point,
that the nominal resistance of the! compensation thermistor (RA) is so far below that of the measuring thermistor (R 3) that at the operating point the temperature of the measuring thermistor (R 3) is only a maximum of 20 K above that of the compensating thermistor (R 4) lies, daß die den Verlauf der Widerstands-Temperatur-Kennlinien von Heißleitern allgemein gemäß Rt~ e^r bestimmenden B-Werte der beiden Heißleiter (R 3, R 4) derart aneinander angeglichen sind, daß ihre Widerstands-Temperatur-Kennlinien im wesentlichen gleich verlaufen, und daß die räumlichen Abmessungen des Meß-Heißleiters (R 3) und seiner Zuleitungen (3) klein sind und seine Abkühlzeitkonstante weniger als 1 see beträgt. that the B values of the two thermistors (R 3, R 4), which determine the course of the resistance-temperature characteristics of thermistors in general according to Rt ~ e ^ r , are matched to one another in such a way that their resistance-temperature characteristics are essentially the same, and that the spatial dimensions of the measuring thermistor (R 3) and its leads (3) are small and its cooling time constant is less than 1 sec. 2. Anemometer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Kompensations-Heißleiter (R 4) ein Potentiometer (R 5) zur Feinanpassung des in dem den Kompensations-Heißleiter (R 4) enthaltenden Brückenzweig wirksamen B-Werts an denjenigen des Meß-Heißleiters (R 3) in die Brücke geschaltet ist.2. Anemometer according to claim 1, characterized in that in series with the compensation thermistor (R 4) a potentiometer (R 5) for fine adjustment of the bridge branch containing the compensation thermistor (R 4) effective B value to that of the measurement -Hot conductor (R 3) is connected to the bridge. 3. Anemometer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Brücke und dem Eingang des Differenzverstärkers (»2«) ein den Quellwiderstand des Brückenzweiges mit dem Kompensations-Heißleiter (RA) herabsetzender Spannungsfolger (Operationsverstärker »1«) angeordnet ist.3. Anemometer according to claim 1, characterized in that between the bridge and the input of the differential amplifier ("2") a voltage follower (operational amplifier "1") reducing the source resistance of the bridge branch with the compensation thermistor (RA) is arranged. 4. Anemometer nach den Patentansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Meßfühler mit einem Schutzrohr (5), in welches die beiden Heißleiter (1,2) samt ihren Anschlußdrähten dergestalt einziehbar sind, daß sich der Meß-Heißleiter (1) mindestens 1 cm vor dem Kompensations-Heißleiter (2) befindet und durch seine möglichst parallel verlaufenden Anschlußdrähte (3) gehaltert ist.4. Anemometer according to claims 1 to 3, characterized by a sensor with a Protective tube (5) into which the two thermistors (1, 2) together with their connecting wires can be drawn in that the measuring thermistor (1) is at least 1 cm in front of the compensation thermistor (2) and is supported by its connecting wires (3), which run as parallel as possible. 5. Anemometer nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte (3) des MHl mill el.'S Riiiiiprtivilioiis I lciHlrilcrs (I, 2) mil IeIs im Schutzrohr (5) befindlicher Steekeiverbiiidungen (4) mit den Zuleilungsdrähten (6) des Meßfühlers verbindbar sind.5. Anemometer according to claim 4, characterized in that the connecting wires (3) of the MHl mill el.'S Riiiiiprtivilioiis I lciHlrilcrs (I, 2) mil IeIs in the protective tube (5) located Steekeiverbiiidungen (4) with the lead wires (6) of the Sensor are connectable. Die Erfindung geht aus von einem Konstant-Temperatur-Anemometer mit Temperaturkompensation, mit einem unbeheizten Heißleiter zur Temperaturkompensation (Kompensations-Heißleiter) und einem beheizten Meß-Heizleiter, die konstruktiv zu einem Meßfühler vereinigt sind, mit dem sie beide der zu messenden Luftströmung ausgesetzt sind, und die zusammen mit zwei Festwiderständen zu einer Brücke zusammengeschaltet sind, deren Ausgang mit dem Eingang eines Differenz-Verstärkers verbunden ist, dessen der zu messenden Luftströmung entsprechende Ausgangsspannung den Speisestrom der Brücke regeltThe invention is based on a constant temperature anemometer with temperature compensation, with an unheated thermistor for temperature compensation (Compensation thermistor) and a heated measuring heating conductor, which constructively form a measuring sensor are united with which they are both exposed to the air flow to be measured, and which together with two Fixed resistors are interconnected to form a bridge, the output of which is connected to the input of a differential amplifier is connected, the output voltage of which corresponds to the air flow to be measured Controls the bridge's feed current Es ist bekannt, für die Messung kleiner Luftgeschwindigkeiten Konstant-Temperatur-Anemometer einzusetzen (P. Gasser, »Messung kleiner Luftgeschwindigkeiten in klimatisierten Räumen«, HLH 24 (1973), Nr. 11, S. 246—354). Bei diesen bekannten Konstant-Temperatur-Anemometern wird die Temperaturkompensation bei ruhender Luft meßtechnisch erfaßt Bei strömender Luft muß sie rechnerisch berücksichtigt werden.It is known for measuring small air velocities Use constant temperature anemometer (P. Gasser, »Measurement of small air velocities in air-conditioned rooms ”, HLH 24 (1973), No. 11, pp. 246-354). With these known constant temperature anemometers the temperature compensation is measured with still air Air, it must be taken into account in the calculation. Ferner ist ein Konstant-Temperatur-Anemometer bekannt, das nicht mit Heißleitern, sondern mit temperaturunabhängigen Metalldünnfilmen als Meßfühler arbeitet (DISA-Sonde 55R48). Der bei dieser Sonde kugelförmig ausgebildete Meßfühler isl mit 2,6 mir Durchmesser relativ groß und für Grenzschichtniessungen wenig geeignet.Furthermore, a constant temperature anemometer is known that does not use thermistors, but temperature-independent Metal thin films work as a measuring sensor (DISA probe 55R48). The one on this probe is spherical Trained measuring sensor is relatively large with a diameter of 2.6 and for boundary layer measurements not very suitable. Auch eriolgt hierbei die eigentliche Temperaturkompensation auf elektronischem Wege erst »hinter« der Meßbrücke und ist damit relativ aufwendig. Außerdem ist für einen »rauschfreien« Betrieb der meisten auf dem Markt befindlichen Geräte (z. B.TSl-Anemometer) eine relativ hohe Meßwiderstandstemperatur erforderlich (100-200cC) mit dem Nachteil, daß die hierdurch bewirkte Eigenkonvektion und damit die Abhängigkeil des Meßsignals von der Anströmrichtung zu groß ist.Here, too, the actual temperature compensation takes place electronically only "behind" the measuring bridge and is therefore relatively complex. In addition, most of the devices on the market (e.g. TSI anemometer) require a relatively high measuring resistor temperature (100-200 c C) for "noise-free" operation Measurement signal from the direction of flow is too large. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Konstant-Temperatur-Anemometer zu schaffen, das geringe Luftgeschwindigkeiten richtungsunabhängig mißt, insbesondere Luftgeschwindigkeiten von 20 cm/s und darunter. Hierbei muß die Meßwiderstandstemperatur so gering sein, daß die Eigenkonvektion am Meßfühler deutlich unter dieser Luftgeschwindigkeit liegt. Dies erfordert eine erhöhte Genauigkeit bei der Einhaltung der vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen Meßwiderstand und Kompensationswiderstand.The invention is based on the object of a constant temperature anemometer to create that measures low air velocities regardless of direction, in particular air velocities of 20 cm / s and underneath. The temperature of the measuring resistor must be so low that the self-convection at the sensor is well below this air speed. This requires increased accuracy in compliance with the specified temperature difference between measuring resistor and compensation resistor. Die Aufgabe wird bei einem Konstant-Temperatur-Anemometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Spannungs-Strom-Kennlinie des Kompensations-Heißleiters in der Nähe des Kreuzungspunkts der Spannungs-Strom-Kennlinien der beiden Heißleiter bei Brückenabgleich (Arbeitspunkt) im wesentlichen linear verläuft und die Spannungs-Strom-Kennlinie des Meß-Heißleiters in der Nähe dieses Arbeitspunkts eine Krümmung mit im wesentlichen horizontaler Tangente aufweist,
daß der Nennwiderstand des Kompensations-Heißleiters soweit unter demjenigen des Meß-Heißleiters liegt, daß am Arbeitspunkt die Temperatur des Meß-Heißleiters nur um maximal 20 K über derjenigen des Kompensations-Heißleiters liegt,The object is achieved in a constant temperature anemometer according to the preamble of claim 1 in that the voltage-current characteristic curve of the compensation thermistor in the vicinity of the intersection of the voltage-current characteristic curves of the two thermistors during bridge adjustment (working point) in runs essentially linearly and the voltage-current characteristic of the measuring thermistor has a curvature with an essentially horizontal tangent in the vicinity of this operating point,
that the nominal resistance of the compensation thermistor is so far below that of the measuring thermistor that at the operating point the temperature of the measuring thermistor is only a maximum of 20 K above that of the compensating thermistor, daß die den Verlauf der Widerstands-Temperatur-Kennlinien von Heißleitern allgemein gemäß Rr~c"'' lu-st iniiiii-iiik-ii Il Weile «Irr Ιη·κΙι·μ I Icil.lli'iUi ik-nulthat the course of the resistance-temperature characteristics of thermistors generally according to Rr ~ c "" lu-st iniiiii-iiik-ii Il Weile «Irr Ιη · κΙι · μ I Icil.lli'iUi ik-nul b'i aneinander angeglichen sind, dall ihre WidersiiUids-Temperatur-Kennlinien im wesentlichen gleich verlaufen,
und daß die räumlichen Abmessungen des Meß-Hcißlci-b'i are matched to one another so that their resistance-temperature characteristics are essentially the same,
and that the spatial dimensions of the measuring
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