DE3214359A1

DE3214359A1 - Hitzdraht-stroemungsgeschwindigkeitsmesser

Info

Publication number: DE3214359A1
Application number: DE19823214359
Authority: DE
Inventors: Tadashi Katsuta Kirisawa; Hiroshi Kuroiwa; Yutaka Nishimura; Minoru Hitachi Ohsuga; Yoshishige Ohyama; Teruo Katsuta Yamauchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-04-20
Filing date: 1982-04-19
Publication date: 1982-12-09
Also published as: JPH045945B2; US4448070A; DE3214359C2; JPS57173758A

Description

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HITACHI, LTD., Tokyo
Japan

Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser insbesondere zum Einsatz bei der Messung schwankender Strömungsgeschwindigkeiten.

Ein Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser mißt die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids durch Erfassung der Änderung der Wärmeübertragungsrate beim Wärmeübergang von einem elektrischen Widerstand auf das Fluid. Normalerweise ist der elektrische Widerstand von einer geeigneten Halterung gehalten, so daß das dem Widerstand benachbarte Ende der Halterung auf hoher Temperatur gehalten wird, während das andere Ende auf derselben Temperatur wie das umgebende Fluid gehalten ist. Infolgedessen wird die von dem elektrischen Widerstand erzeugte Wärme dadurch verbraucht,, daß sie vom Widerstand direkt auf das Fluid sowie durch die Halterung auf das Fluid und zu anderen Teilen übertragen wird. Es ist allgemein bekannt, daß jede andere als die direkte Wärmeübertragung auf das Fluid einen Meßfehler in die

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Messung der Strömungsgeschwindigkeit einführt. Um den Einfluß der von der direkten Wärmeübertragung verschiedenen Wärmeübertragung auszuschalten, muß die wärmeübertragende Querschnittsfläche der Halterung entweder so weit wie möglich verringert werden, oder es muß die wärmeabstrahlende Fläche des elektrischen Widerstands möglichst groß gemacht werden. Diese Maßnahmen sind jedoch hinsichtlich der mechanischen Festigkeit in der Praxis nicht anwendbar.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmessers, bei dem die Rate der nicht durch direkte Wärmeübertragung vom elektrischen Widerstand auf das FLuid stattfindenden Wärmeübertragung gleichbleibend gemacht und minimiert wird, wodurch der Meßfehler ausgeschaltet wird.

Der Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Abschirmung, die die Halterung des elektrischen Widerstands abschirmt, wodurch die Änderung der Fluidströmungsgeschwindigkeit um die Halterung sich nicht auf diese auswirkt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Abschnitts des Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmessers nach der Erfindung;

Fig. 2 das Schaltbild eines Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmessers mit einem elektrischen Widerstand nach Fig. 1;

Fig. 3 Temperaturverteilungen in dem elektrischen Widerstand und dem Trägerkörper, die beobachtet wurden einerseits mit und andererseits ohne Abschirmung;

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Fig. 4 den Übergangs-Stroraverbrauch durch den elektrischen Widerstand, und zwar einerseits mit und andererseits ohne Abschirmung;

Fig. 5 den Durchsatzmeßfehler in bezug auf die Schwankungshäufigkeit der Fluidströmung in dem Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach der Erfindung und demjenigen nach dem Stand der Technik;

Fig. 6 Ansichten des zweiten bis neunten Ausfühbis 16 rungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 17 die Änderung der Temperaturanalyse des elektrischen Widerstands in bezug auf die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit;

Fig. 18 die Änderung der Wärmeerzeugungs- und der

Wärmeabstrahlungsrate in bezug auf die Temperatur des elektrischen Widerstands;

Fig. 19 eine Seitenansicht eines bekannten Thomas-Messers;

Fig. 20 eine Seitenansicht eines Teils des zehnten Ausführungsbeispiels, wobei die Erfindung mit einem Thomas-Messer Anwendung findet;

Fig. 21 eine Seitenansicht eines üblichen Strömungsgeschwindigkeitsmessers;

Fig. 22 eine Seitenansicht des elften Ausführungsbeispiels der Erfindung, das mit dem Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Fig. 21 Anwendung findet; und

Fig. 23 eine Seitenansicht eines zwölften Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser 10. Dieser umfaßt einen elektrischen Widerstand 1 aus einem Platinfilm oder einem Platin-, Nickel-, Kupferdraht od.

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dgl., einen Trägerkörper 2, der den Widerstand haltert, einer Isolierbeschichtung 4 aus Glas, Keramik od. dgl., die auf dem Widerstand 1 gebildet ist, Halterungen 3, die den Trägerkörper 2 tragen und aus metallischem Werkstoff wie rostfreiem Stahl, Kupfer od. dgl. oder Keramik bestehen, und eine von den Halterungen 3 abgestützte Abschirmung 5. Der Trägerkörper 2 ist als Keramikkörper, als elektrisch isoliertes Metallrohr, als Isolierstab usw. ausgebildet.

Die Enden der Halterungen 3 sind an unterschiedlichen Teilen befestigt. Die an den Halterungen 3 befestigten Abschirmungen 5 überdecken die jeweiligen Enden des Trägerkörpers 2 und die Abschnitte der Halterungen angrenzend an die Enden des Trägerkörpers 2. Die Abschirmungen 5 sind an den Halterungen 3 befestigt und kontaktieren diese somit, aber andere Teile der Abschirmungen 5 kontaktieren weder den Trägerkörper 2 noch andere Teile der Halterungen 3.

Bei dem Strömungsgeschwindigkeitsmesser 10 nach Fig. 1 sind die Abschirmungen 5, wenn der Trägerkörper 2 zylindrisch ist, an den Enden der Halterungen 3 gemäß Fig. 1 befestigt. Wenn, der Abstand 18 zwischen der Abschirmung 5 und dem Trägerkörper 2 kleiner wird, steigt die Temperatur des Fluids in den Abschirmungen 5, so daß sich eine Änderung der Konvektions-Wärmeübertragungsrate ergibt, wodurch die Temperaturverteilung geändert wird. Um diesen Nachteil auszuschalten, kann jede Abschirmung 5 Ventilationsöffnungen aufweisen, um die Temperaturen des Fluids an der Innenseite und der Außenseite der Abschirmung 5 auszugleichen. Alternativ ist eine mit der Halterung 3 konzentrische zylindrische Führungsplatte 17 an der Abschirmung 5 befestigt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des die Außenfläche der Halterung 3 kontaktierenden FLuids selbst dann stillsteht, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids an der Außenseite der

Abschirmung 5 ändert. Es ist ersichtlich, daß die Änderung der Temperaturverteilung über die Länge des Trägerkörpers 2 im wesentlichen zu Null gemacht wird.

Der so aufgebaute elektrische Widerstand 1 ist in eine elektrische Schaltung entsprechend Fig. 2 eingebaut. Dabei wird eine Brückenschaltung gebildet durch einen elektrischen Widerstand 1, Brückenwiderstände 7 und 8 sowie einen Temperaturausgleichswiderstand 6, der noch erläutert wird. Die am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 1 und dem Brückenwiderstand 7 sowie am Verbindungspunkt zwischen dem Temperaturausgleichswiderstand 6 und dem Brückenwiderstand 8 abgenommene Spannungsdifferenz dient zur Regelung eines Stromreglers 12 durch einen Verstärker 9. Der Stromregler 12 regelt den elektrischen Strom von einer Stromversorgung 11, die an die Verbindungspunkte zwischen dem Widerstand 1 und dem Temperaturausgleichswiderstand 6 und zwischen den Brückenwiderständen 7 und 8 angeschlossen ist.

Der Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser 10 nach Fig. 1 arbeitet wie folgt. Bei Stromzufuhr zu der Brückenschaltung steigt der Strom durch den Stromregler 12 an, bis die Brücke abgeglichen ist, so daß der elektrische Widerstand 1 erwärmt wird, bis seine Temperatur auf eine Solltemperatur gestiegen ist. Die von dem Widerstand 1 erzeugte Wärme wird dadurch verbraucht, daß sie durch Konvektion auf das Fluid von den Oberflächen der Halterung 3 und des Trägerkörpers 2 übertragen wird, und durch die Wärmeübertragung durch die Halterung 3 zu weiteren Teilen. Infolgedessen ergibt sich über den Bereich von der Mitte des elektrischen Widerstands 1 und dem Ende 13 der Halterung 3 eine Temperaturverteilung in Längsrichtung gemäß der Vollinie in Fig. 3. Diese Temperaturverteilung ändert sich auch dann nicht, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids an der Oberfläche des Trägerkörpers

2 ansteigt, da die Strömungsgeschwindigkeit an dem von den Abschirmungen 5 überdeckten Teil stillsteht. Wenn dagegen keine Abschirmung vorhanden ist, ergibt sich eine Temperaturverteilung gemäß der Strichlinie in Fig. 3, weil die Enden des Trägerkörpers 2 und die Halterungen 3 durch das Fluid gekühlt werden. Somit ergibt sich die Temperaturverteilung gemäß der Strichpunktlinie in Fig. 3, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ansteigt, falls keine Abschirmung 5 vorgesehen ist. Diese Änderung der Temperaturverteilung wird über eine Periode beobachtet, die durch die Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit und die Wärmeleitfähigkeiten der Werkstoffe bestimmt ist. Z. B. wird eine Anlaufzeit von 20-500 ms benötigt, auch wenn der Trägerkörper 2 einen kleinen Durchmesser und eine geringe Länge von 0,5 mm bzw. 2 mm aufweist. Wenn eine abgestufte Änderung der Strömungsgeschwindigkeit auftritt, ändert sich der Stromverbrauch durch den Widerstand 1 sofort gemäß Fig. 4 auf einen Punkt A, der der Wärmeabstrahlungsrate der Oberfläche, auf der der Widerstand angeordnet ist, entspricht. Dann erfolgt eine Sättigung des Stromverbrauchs am Punkt B nach Ablauf einer relativ langen Zeit, wenn keine Abschirmung 5 vorhanden ist. Inzwischen ändert sich die Temperaturverteilung von dem Strichlinienverlauf zu dem Verlauf gemäß der Strichpunktlinie. Dagegen bleibt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Temperaturverteilung entsprechend der Vollinie in Fig. 3 unverändert, weil ausschließlich die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids an der den Widerstand 1 aufweisenden Oberfläche geändert wird, während die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids an den anderen Teilen im wesentlichen Null bleibt. Infolgedessen wird die Steigerung des Stromverbrauchs an Punkt A nach Fig. 4 unterbrochen, und es erfolgt keine Änderung des Verbrauchs im Bereich zwischen den Punkten A und C. Damit besteht eine vollständige Beziehung zwischen der Änderung des Stromverbrauchs und der Änderung

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der Wärmeübertragungsrate durch Konvektion, die auf die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit zurückzuführen ist. Somit ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit exakt aus dem Stromverbrauch zu bestimmen. Gleichzeitig werden auch die Empfindlichkeitseigenschaften verbessert, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist. Die Empfindlichkeitseigenschaften werden sowohl bei einer stufenförmigen Erhöhung als auch einer stufenförmigen Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit von einem konstanten Pegel aus in gleicher Weise verbessert.

Gemäß Fig. 5 erhöht sich bei einem konventionellen Strömungsgeschwindigkeitsmesser ohne Abschirmung 5 der Durchfluß-Meßfehler unvermeidlich (vgl. die Kurve D),. wenn die Schwankungshäufigkeit des Durchflusses ansteigt. Dagegen weist der hier betroffene Strömungsgeschwindigkeitsmesser eine erhebliche Verminderung dieses Fehlers im hochfrequenten Schwankungsbereich auf (vgl. Kurve A). Somit eignet sich der Strömungsgeschwindigkeitsmesser für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, das mit großer Häufigkeit bzw. hoher Frequenz schwankt, was bei Verdichtern, Brennkraftmaschinen u. dgl. der Fall ist. Es ist somit möglich, die Halterungsfestigkeit dadurch zu steigern, daß die Querschnittsfläche der Halterung 3 vergrößert wird, ohne daß sich dadurch eine Verminderung der Meßgenauigkeit einstellt. Somit können die mechanische Festigkeit und Lebensdauer des Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmessers erheblich gesteigert werden, während gleichzeitig ein wesentlicher Meßfehler eliminiert wird.

Die Fig. 6 und 7 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmessers 1OA. Dieses besteht aus einem elektrischen Widerstand 1A, einem stabförmigen Trägerkörper 2A aus Keramik, der den Widerstand 1A trägt, Halterungen 3A, die den Trägerkörper 2A haltern,

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einem die Halterungen 3A tragenden ortsfesten Teil 19A und einer stromauf von dem Trägerkörper 2A angeordneten Blendenplatte 2OA. Das Fluid strömt in der durch einen Pfeil Y bezeichneten Richtung, und die die Blendenöffnung 21A der Blendenplatte 2OA durchsetzende Strömungskomponente trifft nur auf die den Widerstand 1A tragende Oberfläche auf. Daher wird die Temperaturverteilung über die Länge des Trägerkörpers 2A nie durch die Strömungsgeschwindigkeit verändert, so daß eine Auswirkung erzielt wird, die derjenigen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 äquivalent ist. Ferner wurde auch bestätigt, daß die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn der Abstand zwischen dem Austritt der Blendenöffnung 21A und der Oberfläche des Trägerkörpers 2A nicht größer als das Zehnfache des Durchmessers der Blendenöffnung 21A gewählt ist. Ferner wird bevorzugt die Länge 1 der Blendenöffnung 21A so gewählt, daß sie 0,2-2mal so groß wie die Länge L des Widerstands 1A ist, also zwischen 0,2 L und 2 L liegt, da sich sonst die Temperturverteilung ändert, was den vorstehend erläuterten Vorteil beeinträchtigen würde.

Fig. 8 zeigt einen weiteren Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser. Dieser besteht aus einem elektrischen Widerstand 1B, einem Trägerkörper 2B mit einem konischen Ende, einer Beschichtung 4B, einer den Trägerkörper 2B haltenden Halterung 3B, einer zweiten Halterung 19B, die die Halterung 3B trägt, und einer am Trägerkörper 2B festgelegten Abschirmung 5B. Wenn der Strömungsgeschwindigkeitsmesser 10B so angeordnet ist, daß das Ende des Trägerkörpers 2B gegen die Fluidströmung gerichtet ist, dient die Abschirmung 5B dazu, den Fluidstrom ausschließlich auf den Widerstand 1-B auf treffen zu lassen.

Fig. 9 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmessers 10C.

Dabei ist der elektrische Widerstand 1C an der Seitenfläche eines Trägerkörpers 2C befestigt, und eine Abschirmung 5C ist stromaufwärts von dem Trägerkörper 2C so angeordnet, daß nur der Widerstand 1C exponiert ist. Eine zweite Abschirmung 22C ist stromab von dem Trägerkörper 2C angeordnet und verhindert, daß das Fluid auf das stromabwärts befindliche Ende des Trägerkörpers 2C auftrifft. Es kann eine Leitplatte 23C vorgesehen sein, die das längs der Oberfläche der Abschirmung 5C strömende Fluid zum Widerstand 1C leitet, so daß das Fluid auf die Oberfläche desselben auftreffen kann.

Fig. 10 zeigt einen Hitzdraht-Strömungsdurchflußmesser 10D gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dieser besteht aus einem Sensorzylinder 24D, der an einem Fluiddurchlaß 23D befestigt ist, einem am Sensorzylinder 24D befestigten Beruhigungsgitter 25D, einem elektrischen Widerstand 1D, Halterungen 3D, die am Sensorzylinder befestigt sind und außerdem als Zuleitungen für den Widerstand 1D wirken, einen stromaufwärts vom Widerstand angeordneten Zylinder- oder Leitabschnitt 27D, dessen Nullachse parallel zur Strömungsrichtung des Fluids verläuft, und einer Abschirmung 26D, die an der Innenwandfläche des Sensorzylinders so befestigt ist, daß sie die Halterungen 3D abschirmt. Das den Fluiddurchlaß 23D durchströmende Fluid durchströmt das Strömungsberuhigungsgitter 25D, so daß eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeitsverteilung erhalten wird. Das den Zylinderabschnitt 27D durchströmende Fluid trifft ausschließlich auf die Oberfläche des Widerstands 1D, während das an der Außenseite des Zylinderabschnitts 27D strömende Fluid an einem Kontakt mit der Halterung 3D durch die Abschirmung 26D gehindert wird und stromabwärts umgelenkt wird. Infolgedessen wird die Temperaturverteilung an dem Trägerkörper 2D und der Halterung 3D niemals durch die Strömungsgeschwindigkeit des

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Fluids geändert, so daß die Empfindlichkeitseigenschaften des Strömungsgeschwindigkeitsmessers erheblich verbessert werden.

Fig. 11 zeigt einen Zylinderabschnitt 27D\ und eine Abschirmung 26D¹, die Modifikationen der entsprechenden Teile 27D und 26D von Fig. 10 sind.

Fig. 12 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmessers 10E. Dieser umfaßt einen Sensorzylinder 27E mit einem ümgehungsdurchlaß 28E. Ein Tr'ägerkörper 2E, Halterungen 3E, ein Temperaturausgleichswiderstand 6E und eine Blendenplatte 2OE sind in dem Umgehungsdurchlaß 28E angeordnet. Der Trägerkörper 2E trägt einen elektrischen Widerstand (nicht gezeigt) und ist an der den ümgehungsdurchlaß 28E bildenden Wandung durch die Halterungen 3E befestigt. Die Blendenplatte 2OE hat eine Blendenöffnung 29E, durch die das Fluid ausschließlich auf die Oberfläche des elektrischen Widerstands auftrifft. Ein Teil des durch den Sensorzylinder 27E strömenden Fluids wird zu dem Umgehungsdurchlaß 28E abgeleitet und trifft durch die Blendenöffnung 29E auf den elektrischen Widerstand auf. Bei dieser Anordnung wird die Temperaturverteilung über die Breite niemals durch eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids geändert, so daß der Meßfehler aufgrund einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit signifikant eliminiert wird. In der elektrischen Schaltung nach Fig. 2 bestehen die folgenden Beziehungen:

RI² = (A + BVv) (Tw - Ta) + q (1)

mit R = Widerstandswert des Widerstands,

I = Strom im elektrischen Widerstand,

A, B = Konstanten,

Tw = Temperatur der Trägerkörperoberfläche,

Ta = Lufttemperatur und

q = an d;Le Halterungen abgegebene Wärme.

In der Schaltung von Fig. 2 ist die Temperatur des elektrischen Widerstands so geregelt, daß ein aus der Gleichung (1) abgeleiteter Term (Tw - Ta)/R einen konstanten Wert annimmt. Angenommen, die Temperatur des Endabschnitts der Halterung ist gleich der Lufttemperatur Ta, so kann die folgende Gleichung (2) erhalten werden:

q as (Tw - Ta) ( 2 ) .

Somit wird der elektrische Strom I unabhängig von Änderungen der Temperaturen Tw und Ta gleichbleibend gehalten. Wenn jedoch die Temperatur Ts des Sensorzylinders 27E sich von der Lufttemperatur Ta unterscheidet, ändert sich die Wärmeabgabe q um die Temperatur Ts, so daß der Strom I sich ändert, was zu einem Meßfehler führt. Um dieses Problem auszuschließen, wird vorgeschlagen, die Länge der Halterung mit 2 mm oder größer und ihren Durchmesser mit ca. 0,2 mm zu wählen, also ein 10faches oder größeres Länge-Durchmesser-Verhältnis zu wählen. Alternativ wird der Temperaturausgleichswiderstand 6E sehr nahe an dem Trägerkörper 2E angeordnet (vgl. Fig. 12).

Wenn die Temperatur des Endabschnitts der Halterung 3E mit Ts bezeichnet, wird die folgende Gleichung (3) abgeleitet:

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RI² = (A + B >/ü")(Tw - Ta) + k(Tw - Ts) (3)

mit k = eine Konstante.

Rci² = (A + BVTT)(Tc - Ta) + k(Tc - Ts) (4)

Aus den vorstehenden Gleichungen (3) und (4) wird die folgende Gleichung (5) abgeleitet:

RI² - Rci² = (A + B /TT)(Tw - Tc + k(Tw - Tc) (5).

Es ist ersichtlich, daß die nachteilige Auswirkung der Temperatur Ts dadurch vermieden werden kann, daß das gleiche Halterungsverfahren angewandt wird.

Die Fig. 13 und 14 zeigen ein siebtes Ausführungsbeispiel des Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmessers 1OF. Dieser umfaßt einen Sensorzylinder 27F mit einem Umgehungsdurchlaß 28F. Letzterer nimmt einen Trägerkörper 2F, Halterungen 3F, einen Temperaturausgleichswiderstand 6F und eine Blende 2OF auf. Der Temperaturausgleichswiderstand 6F weist dem Trägerkörper 2F und den Halterungen 3F ähnliche Teile auf. Die Blende 2OF hat eine gekrümmte Oberfläche, die eine Blendenöffnung 29F und eine Einfassung 28F aufweist.

Fig. 15 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel des Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmessers 10G. Dabei sind der elektrische Widerstand 1G und der Temperaturausgleichswiderstand 6G gleich ausgeführt und sind stromabwärts von der Blendenplatte 2OG angeordnet, die zwei Blendenöffnungen 29G und 3OG aufweist, so daß das Fluid nur auf den Widerstand 1G und den Temperaturausgleichswiderstand 6G auftreffen kann.

Fig. 16 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel des Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmessers 1OH mit einem elektrischen Widerstand 1H aus Platindraht, Wolframdraht od. dgl. und mit einem Durchmesser von 5-150 pm, Halterungen 3H mit großen Durchmessern, die direkt mit dem Widerstand 1 verbunden sind, und einer Abschirmung 5H, die die Verbindungsstellen zwischen dem Widerstand 1H und den Halterungen 3H überdeckt. Wenn die Halterungen 3H einen relativ zum Durchmesser des elektrischen Widerstands 1 großen Durchmesser haben, ist die Temperatur des Endabschnitts des Widerstands 1H im wesentlichen gleich der Temperatur der Halterung 3H, so daß eine Temperaturverteilung entsprechend der Vollinienkurve von Fig. 17 über die Länge des Widerstands 1H erhalten wird. In diesem Fall ändert sich die Wärmeabstrahlungsrate von jedem Teil des elektrischen Widerstands 1H in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Wärmeerzeugungsrate und die Wärmeabstrahlungsrate ändern sich in bezug auf die Temperatur in der durch die Kurven A und B von Fig. 18 gezeigten Weise. Angenommen, daß keine Abschirmung 5H vorgesehen ist, so wird die Wärme mit erheblicher Geschwindigkeit von den Enden des Widerstands an die Halterungen 3H abgegeben, so daß die Wärmeerzeugungsrate größer als die Wärmeabstrahlungsrate ist, obwohl die Temperatur niedrig ist (vgl. Fig. 17).

Diese Beziehung wird gemäß der folgenden Gleichung (6) geschrieben:

²W

JÜ + Z₀ + Z₁W - Z₂.w = 0 (6)

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- 19 mit k = Wärmeleitfähigkeit des Widerstands 1,

^Z1'

Z₂ = Konstanten und

w = Temperatur des Widerstands.

Die Konstante Z~ (Wärmeübergangswert zwischen elektrischem Widerstand und Luft) erhöht sich allgemein mit abnehmender Luftströmungsgeschwindigkeit, so daß die Temperaturverteilung über die Länge des Widerstands 1H vom Einfluß der Enden stärker befreit ist, wie aus der Strichpunktlinie in Fig. ersichtlich ist. Diese Änderung der Temperaturverteilung über den elektrischen Widerstand 1H, die der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit zuzuschreiben ist, hat einen Meßfehler zur Folge, wie bereits erwähnt wurde.

Dieses Problem wird jedoch bei dem angegebenen Strömungsgeschwindigkeitsmesser in wirksamer Weise dadurch überwunden, daß die Abschirmung 5H vorgesehen ist, die die Enden des Widerstands 1H in Richtung Y des FluidStroms so überdeckt, daß der Zustand der Enden des elektrischen Widerstands 1H ungeachtet einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit unverändert bleibt. Damit wird hier der sich aus der Änderung der Temperaturverteilung ergebende Meßfehler vermieden.

Es ist also möglich, den Meßfehler dadurch auszuschalten, daß die Enden des wärmeerzeugenden Elements überdeckt oder abgeschirmt werden, wenn der elektrische Widerstand 1H direkt an den Halterungen 3H befestigt ist, die dieselbe Temperatur wie das Fluid haben, und auch bei Befestigung des elektrischen Widerstands an einem Keramikstab od. dgl., wenn dieses wärmeerzeugende Element an der Halterung befestigt ist, die dieselbe Temperatur wie das Fluid aufweist.

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Fig. 19 zeigt einen konventionellen Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser 10J, umfassend einen elektrischen Wärmeerzeuger 33J sowie Temperaturfühler 31J und 32J, die stromaufwärts bzw. stromabwärts von dem Wärmeerzeuger 33J angeordnet sind. Es besteht die folgende Beziehung, wenn die Wärmeerzeugungsrate durch den Wärmeerzeuger 33 zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperaturdifferenz T geändert wird:

RI² = ΔΤ * C * Ga (7)

mit C = spezifische Wärme und
Ga = Durchfluß.

2 In der Gleichung (7) ändert sich die Joulesche Wärme RI proportional zum Durchfluß Ga.

Mit zunehmendem Luftdurchfluß ergibt sich eine Temperaturverteilung über die Länge des elektrischen Wärmeerzeugers 33J, so daß die Wärmeübertragungsrate auf die Innenwandung des Fluiddurchlasses 3OJ durch die Halterungen 34J sich in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit ändert, was einen Meßfehler zur Folge hat. Bei dem zehnten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 20 ist in der Innenwandfläche des Fluiddurchlasses 3OJ eine Ausnehmung 35J ausgebildet, so daß diejenigen Teile des elektrischen Wärmeerzeugers 33J, die den elektrischen Widerstand U nicht aufweisen, umschlossen sind, wodurch jede Änderung der Temperaturverteilung infolge der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit vermieden wird. Es ist möglich, anstelle der Ausnehmung eine geeignete Abschirmung oder eine Blendenöffnung vorzusehen. D. h., es kann

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jede Konstruktion vorgesehen werden, solange sie die von der Strömungsgeschwindigkeit abhängige Zwangskonvention nur an der den elektrischen Widerstand aufweisenden Fläche erlaubt, wogegegen andere Teile im wesentlichen wärmeisoliert sind.

Fig. 21 zeigt einen bekannten Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser 1OK, bei dem auf einem Substrat 36K aus Silizium od. dgl. Widerstände 39K, 4OK, 41K ausgebildet und mit einer Schutzschicht 39K überdeckt und an einer Halterung 37K befestigt sind. Dabei dient der Widerstand 4OK als Wärmeerzeugungselement, so daß auf dem Substrat 36K eine Temperaturverteilung erhalten wird und sich eine Änderung der Temperaturverteilung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des über die Oberfläche der Schutzschicht 38K strömenden Fluids ergibt. Bei dem elften Ausführungsbeispiel nach Fig. 22 ist das Substrat 36K durch eine Abschirmung 45K abgeschirmt, wodurch jede Änderung der Temperaturverteilung aufgrund einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit vermieden wird. Die vom Widerstand 4OK erzeugte Wärme wird auf das Fluid durch das Wärmeübertragungselement 42K übertragen. Dieses ist so ausgebildet, daß seine Querschnittsfläche im wesentlichen gleich derjenigen des Widrstands 4OK ist, so daß eine Änderung der durch den Widerstand 4OK erzeugten Wärme vollständig auf das Fluid übertragen wird.

Fig. 23 zeigt ein zwölftes Ausführungsbeispiel des Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmessers. Dabei sind die Teile des Substrats 36L, die die Widerstände 39L, 4OL, 41L nicht aufweisen, bei 46L, 47L ausgespart, und alle Teile mit Ausnahme der Widerstände 39L, 4OL und 41L sind von einer Abschirmung 45L überdeckt, so daß nur die Widerstände 39L, 4OL und 41L dem Fluidstrom ausgesetzt sind.

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Durch die Erfindung wird also ein Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser angegeben, bei dem nur die den elektrischen Widerstand aufweisende Fläche im Zustand der Zwangskonvektion gehalten wird. Infolgedessen wird in vorteilhafter Weise die unerwünschte Wärmeübertragung durch den den Widerstand tragenden Trägerkörper, die sich aufgrund einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids einstellt, vermieden, wodurch Meßfehler beseitigt werden.

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Claims

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Te,e_X 522043 - Te,e_{gramm A}„_pat MUncnen W"»

81-33.596PC33.597H) Dr.-Ing. W. TIMPE

Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED

Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCHMiTT-FUMIAN

Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT t1981

19. April 1982

Ansprüche

Γ 1 .^,Hitzdraht-Strömungsgeschwindigkeitsmesser mit einem wärmeerzeugenden elektrischen Widerstand und einer Halterung dafür, wobei der elektrische Widerstand und die Halterung in einem strömenden Fluid angeordnet sind und dessen Strömungsgeschwindigkeit durch Erfassung der Änderung der Wärmeübertragungsrate von dem elektrischen Widerstand auf das Fluid gemessen wird,

gekennzeichnet durch eine Abschirmung (5; 35J; 45K; 45L), die die Halterung (3; 36K, 36L) so abschirmt, daß jegliche Änderung der Wärmeübertragungsrate von der Halterung an das sie umgebende Fluid vermieden wird.
2. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

einen Trägerkörper (2), auf dessen Oberfläche der elektrische Widerstand (1) befestigt ist, und eine Beschichtung (4) auf der Oberfläche des elektrischen Widerstands (1), wobei der Trägerkörper (2) durch die Halterung (3) abgestützt ist.

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3. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Abschirmung (5) an der Halterung (3) befestigt ist und diese so abschirmt, daß der Pluidstrom nur auf den elektrischen Widerstand (1) auftrifft.
4. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzueichnet,

daß die Abschirmung eine Lüftungsöffnung und eine an ihr befestigte Leitplatte aufweist.
5. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Abschirmung eine stromaufwärts von dem elektrischen Widerstand angeordnete Blendenplatte (20E) mit einer Blendenöffnung (29E) ist, wobei der Querschnitt der Blendenöffnung (29E) so bemessen ist, daß das Fluid nur auf den elektrischen Widerstand auftrifft (Fig. 12).
6. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

einen mit einem ümlenkdurchlaß (28E) versehenen Sensorzylinder (27E) und einen Temperaturausgleichswiderstand (6E), wobei die Blendenplatte (20E), der elektrische Widerstand und der Temperaturausgleichswiderstand (6E) in dieser Reihenfolge von der Einlaß- zur Auslaßseite in dem Ümlenkdurchlaß (28E) angeordnet sind.
7. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

einen mit einem Umlenkdurchlaß (28F) versehenen Sensorzylinder (27F) und einen Temperaturausgleichswiderstand (6F), wobei die Abschirmung ein Blendenkörper (20F) mit einer gekrümmten Fläche und einer Randeinfassung (28F) ist und die

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Größe seiner Blendenöffnung (29F) so bemessen ist, daß der Fluidstrom nur auf den elektrischen Widerstand auftrifft _T und wobei der Blendenkörper (20F), der elektrische Widerstand und der Temperaturausgleichswiderstand (6F) in dieser Reihenfolge von der Einlaß- zur Auslaßseite in dem Umlenkdurchlaß (28F) angeordnet sind (Fig. 13, 14).
8. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

einen Sensorzylinder (24D) und ein Strömungsberuhigungsgitter (25D), wobei die Abschirmung aus einem Zylinderabschnitt (27D) und einem damit einstückig ausgeführten Abschirmungsteil (26D) besteht und wobei das Beruhigungsgitter (25D), die Abschirmung (27D, 26D) und der elektrische Widerstand (ID) in dieser Reihenfolge von der Strömungseinlaß- zur Auslaßseite im Sensorzylinder (24D) angeordnet sind (Fig. 10) .
9. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

einen Umlenkdurchlaß, eine als Abschirmung dienende Blendenplatte und einen Temperaturausgleichswiderstand (6G), wobei die Blendenplatte (20G) eine erste und eine zweite Blendenöffnung (3OG, 29G) in dem Umlenkdurchlaß stromauf von dem elektrischen Widerstand (1G) und dem Temperaturausgleichswiderstand (6G) aufweist und wobei die erste Blendenöffnung (30G) in Strömungsrichtung mit dem elektrischen Widerstand (1G) und die zweite Blendenöffnung (29G) in Strömungsrichtung mit dem Temperaturausgleichswiderstand (6G) fluchtet (Fig. 15).
10. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

zwei Leitplatten, wobei die Abschirmung zwei Schalenkörper

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(5C, 22C) mit gewölbtem Querschnitt aufweist, die stromaufwärts und stromabwärts von dem elektrischen Widerstand (IC) so angeordnet sind, daß das Fluid nur längs der Seitenfläche des Widerstands (1C) strömt, jedoch nicht auf die Halterung auftrifft (Fig. 9).
11. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der elektrische Widerstand direkt von der Halterung abgestützt ist, wobei die Abschirmung an dem Endabschnitt der Halterung befestigt ist.
12. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

einen Fluiddurchlaß und zwei Temperaturfühler, die in dem Fluiddurchlaß stromaufwärts und stromabwärts von dem elektrischen Widerstand angeordnet sind, wobei die Abschirmung durch eine in der Innenwandfläche (30J) des Fluiddurchlasses angrenzend an die Halterung (34J) ausgebildete Ausnehmung (35J) gebildet ist und die Halterung gegenüber dem Fluidstrom abschirmt (Fig. 20).
13. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch

zwei jeweils auf einer Seite des elektrischen Widerstands (40K) angeordnete Widerstände (39K, 41K), die auf der Oberfläche der Halterung (36K) gesichert sind, wobei die Widerstände eine Beschichtung (45K) aufweisen, und drei den beiden Widerständen und dem elektrischen Widerstand durch die Beschichtung (45K) gegenüberliegende Wärmeübertragungsorgane (43K, 44K, 42K), wobei die Abschirmung auf den Oberflächenabschnitten der Beschichtung angeordnet ist, die die Wärmeübertragungsorgane nicht aufweisen (Fig. 22).

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14. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

ein Siliziumsubstrat, auf dessen Oberfläche der elektrische Widerstand (40L) befestigt ist, und zwei auf der Substratoberfläche gesicherte Widerstände (39L, 41L), zwischen denen der elektrische Widerstand (40L) mit Abstand vorgesehen ist, wobei die Oberfläche des Siliziumsubstrats an ihren Abschnitten zwischen dem elektrischen Widerstand (40L) und den beiden Widerständen (39L, 41L) mit Aussparungen (46L, 47L) ausgebildet ist und das Siliziumsubstrat an der Halterung befestigt ist und die Abschirmung (45L) das Auftreffen des Fluids auf die Halterung und die Ausnehmungen (46L, 47L) im Substrat (36L) verhindert (Fig. 23).