DE3414176A1

DE3414176A1 - Konstanttemperatur-anemometer mit verbessertem frequenzgang

Info

Publication number: DE3414176A1
Application number: DE19843414176
Authority: DE
Inventors: Kenneth J. Minneapolis Minn. Kolodjski
Original assignee: TSI Inc
Current assignee: TSI Inc
Priority date: 1983-05-16
Filing date: 1984-04-14
Publication date: 1984-11-22
Also published as: US4523462A; JPS59212775A; DK175784D0; DK175784A

Description

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Konstanttemperatur-Anemometer (CTAs) sind in der Technik bekannt. In derartigen Vorrichtungen dient ein erwärmtes Widerstandselement als Fülllerelement. Das Fühlerelement hat einen Widerstandstemperaturkoeffizienten und wird auf einem konstanten Widerstand und damit auf einer konstanten Temperatur gehalten.

Typische Vertreter bekannter Konstant temperatur-Anemoine her ordnen den Fühler in einem Zweig einer Brückenschaltung an, während ein Rückkopplungsschaltkreis einschließlich eines Verstärkers zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts der Brücke dient. Ein Beispiel eines derartigen Anemometers ist dargestellt in Fig. 1, in welcher das Fühlerelement oder der Fühler mit 10 bezeichnet ist und einen Zweig einer Brücke bildet, während die anderen Brückenzweige durch die Widerstände 11 bis I3 gebildet werden. Ein Operationsverstärker lh liegt mit seinen Eingängen an zwei gesonderten Verbimhingssteilen der Brückenschal tung, während sein Ausgang an einen dritten Brüclcenpunkt angeschlossen ist. Der vierte Brüclcenpunkt ist geerdet. Die Widerstände 11 und 12 bestimmen das "Brückenverhältnis", während der Widerstand I3 den Arbeitswiderstand des Fühlers bestimmt.

Wenn die Umgebungsbedingungen im Unifeld des Fühlers 10 der Fig. 1 seinen Wärmeverlust in dem Windkanal vermindern, dann neigt der Fühler zu einer Temperaturerhöhung. Der

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Operationsverstärker \h nimmt dies als ein Brückenungleichgewicht wahr und vermindert seinen Ausgang, bis die Brücke sich wieder dem Gleichgewicht nähert. Bei niedrigen Frequenzen hält der Operationsverstärker 1'| hoher Verstärkung die Brücke über einen weiten Stromflußbereich durch den Fühler., 10 sehr genau im Gleichgewicht.

Das Hauptproblem besteht bei Konstant temperatur-Anemometern der in Fig. 1 dargestellten Art in der Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebes bei hohen Frequenzen. Im Idealfall sollte dies mit einfachen Steuerungen und ohne Einschränkungen der zu verwendenden Fühlerart erreicht werden. Jegliche Einstellungen sollten bei einem Wechsel des Arbeit spunlct es \ auch den Wechsel im maximalen Frequenzgang auf ein Minimum herabsetzen.

Obwohl der Schaltkreis nach Fig. 1 recht einfach scheint, ist doch eine Analyse seiner Stabilität als Konstanttemperatur-Anemometer ziemlich komplex. Eine Analyse ist erstellt worden von P. Freymuth in einem Artikel "Frequency Response and Electronic Testing for Constant Temperature Hot-Wire Anemometers", Journal of Physics E: Scientific Instruments, Volume 10, 1977· Es sind effektiv zwei Steuerungen erforderlich zur Optimierung dieses CTA-Systems, und zwar eine zum "Trimmen" der Reaktanz der Brücke und die andere zur Beeinflussung des Gewinns der Anlage mit geschlossenem Regelkreis bei hohen Frequenzen.

Ein bekannter Verstich zur Lösung des Problems der oben erörterten Optimierung ist in Fig. 2 dargestellt. In den Figuren 1 bis 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen durchweg die entsprechenden Schaltkreiselemente. In Fig. 2 ist ein variabler Induktor 15 vorgesehen zur Einstellung der Reaktanz der Brücke, während der Gewinn des Operationsverstärkers *\k von einem allgemein bei 16 in der Rückkopplungsschleife bezeichneten RC-Schaltkreis "geformt" wird. Der RC-Schaltkreis 16 wird gebildet von einer Kapazität 17 und einem variablen Widerstand 18. Bei hohen Frequenzen wird die Verstärkung des des Arbeitsverstärkers 14 auf einen Wert reduziert, der von dem Widerstand des variablen Widerstandes 18 erstellt wird. Während der Schaltkreis nach Fig. 2 eine Verbesserung gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Anemometer erbringt, ist er doch nicht stabil, wenn die Grenzfrequenz des Fühlers sich derjenigen des RC-Schaltkreises 16 nähert. Außerdem sind die Einstellungen der Induktanz 15 und des RC-Schaltkreises 16 gekoppelt - ein Wechsel in einem verändert die optimale Einstellung für den anderen - was die für die Optimierung erforderliche Zeit erhöht.

Es zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes Konstanttemperatur-Anemometer,

Fig. 2 ein verbessertes Konstanttemperatur-Thermalanemometer nach dem Stand der Technik,

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Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als eine Verbesserung gegenüber dem bekannten Konstanttemperatur-Anemometer nach Fig. 1. Die Elemente 10 bis Ak des CTA nach Fig. 1 kommen zur Anwendung, sowie auch ein variabler Induktor 15» wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 erörtert. In der Ausführungsform nach Fig. 3» wie auch bei dem CTA nach Fig. 2 kommt zur Einstellung oder zum "Trimmen" der Reaktanz der Brücke der variable Induktor 15 zvLT Anwendung. Jedoch wird ein RC-Schaltkreis 20 mit einem variablen Widerstand 21 und einem Kondensator 22 gezeigt, die in Reihenschaltung miteinander und in Parallelschaltung mit dem Widerstand 11 in der Brücke nach Fig. 3 verbunden sind. Der RC-Schaltkreis 20 der Fig. 3 dient zur Einstellung der Wirkung hoher Frequenz auf den Gewinn des Systems, jedoch in einer anderen Weise, die gegenüber anderen bekannten Techniken, beispielsweise derjenigen nach Fig. 2, Vorteile hat. Das heißt, der RC-Schaltkreis 16 der Fig. 2 stellt den Gewinn des Operationsverstärkers 1 Jf ein oder "formt" ihn, während der RC-Schaltkreis 20 nach Fig. 3 den Frequenzgang der Brücke einstellt oder "formt", und zwar durch Herbeiführung einer frequenzabhängigen Veränderung in der effektiven Impedanz des durch RC-Schaltkreises 20 nebengeschlossenen Zweiges. Dieser

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Unterschied (Formen des Frequenzganges der Brücke gegenüber Formen des Frequenzganges des Verstärkers) erbringt die betrieblichen Vorteile der vorliegenden Erfindung.

Das System nach Fig. 3 is* einfach, stabil für alle Sensorarten und vermindert die Auswirkung von Wechseln in dem Arbeitspunkt auf den Frequenzgang auf ein Minimum. Außerdem sind Einstellungen in der Brückenreaktanz (über den variablen Induktor I5) und im effektiven Hochfrequenzgewinn (über den variablen Widerstand 21 ) entkoppelt, so daß die Zeit für eine optimale Einstellung verkürzt ist. In der Praxis ist es einfach leichter einzustellen. Der Operationsverstärker 14 kann von der in LINEAR Applications handbook der National Semiconductor Corporation, 29-00 Semiconductor Drive, Santa Clara California 95051 auf den Seiten 2-190 bis 2-198 beschriebenen Art sein.

Der Schaltkreis nach Fig. 3 ist von einem mit den bekannten Konstanttemperatur-Anemometern vertrauten Fachmann leicht in Betrieb zu nehmen. Offensichtlich können, wo einfache Elemente gezeigt sind, Mehrfachelemente an ihre Stelle gesetzt werden. Beispielsweise kann ein variables Element gebildet werden aus einem Element von festem Wert in Reihenschaltung verbunden mit einem ähnlichen variablen Element. Die Kapazität 22 ist vorzugsweise groß - beispielsweise 0,1 Mikrofarad. Der variable Widerstand 21 kann durch einen festen Widerstand von 2^3 Ohm in Reihenschaltung mit einem

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variablen Widerstand mit einem Nennwert von 100K Ohm gebildet werden. Die Werte der anderen Schaltkreis elemente können die im Stand der Technik allgemein üblich verwendeten sein und liegen daher im Bereich des fachmännischen Könnens des Bedienungsmannes .

Offensichtlich sind in Kenntnis der obigen Lehren zahlreiche Abwandlungen und Veränderungen der vorliegenden Erfindung möglich. Beispielsweise zeigt Fig. 3 ein System, durch welches der Frequenzgang der Brückenschaltung durch einen RC-Nebenschluß über den Widerstand 11 geformt wird. Ein solcher Nebenschluß hat die Wirkung, das Brückenverhältnis (bestimmt durch die Widerstände 11 und 12) bei hohen Frequenzen zu erhöhen. Alternativ würde ein ähnlicher Nebenschluß über den Zweig mit dem Widerstand 13 die Wirkung einer Verminderung des ArbeitswiderStandes des Brückenschaltkreises mit zunehmender Frequenz haben. Ferner ist die Erfindung nicht auf irgendeinen bestimmten Thermalfühler 10 begrenzt und umfaßt insbesondere die Verwendung von sowohl HeiOfilm- als auch Heißdrahtfühlern, die beide im Stand der Technik bekannt und in dem Katalog von 1978 der TSI Incorporated, 500 Cardigan Road, P.O. Box ^»339^, St, Paul, Minnesota 55164 auf den Seiten 33 bis 75 beschrieben sind. Es ist daher darauf hinzuweisen, daß die Erfindung innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche auch anderweitig als hier im einzelnen beschrieben zur Ausführung gelangen kann.

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Claims

Ansprüche :

1.)Konstanttemperatur-Anemometer mit einer Brückenschaltung einschließlich eines Fühlerelements in ihrem einen Zweig, sowie mit einer mit der Brückenschaltung wirksam verbundenen Rückkopplungsschaltung, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Verbesserung des Frequenzganges des Anemometers, bestehend in zur Formung des Frequenzganges der Brückenschaltung mit der Brückenschaltung verbundenen Einrichtungen.

European Patent Attorneys Zugelassene Vertreter beim Buropftiechen Patentamt

Deutsche Bank AO Hamburg, Nr. OB/284O7 (BLZ 2ΟΟ7ΟΟΟΟ) ■ Postscheck Hamburg 2842-2Ο«

Dresdner Bank AO Hamburg. Nr. 933 BO3(5 (BLZ 2OO8OO0O)

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2. Konstanttemperattir-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzgangf ormmittel in Parallelschaltung mit einem anderen Zweig der Brückenschaltung verbundene Impedanzmittel enthalten.

3. Konstanttemperatur-Anemometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzmittel in Reihenschaltung verbundene Widerstands- und Kapazitätsmittel enthält.

k. Konstanttemperatur-Anemometer mit einer Brückenschaltung einschließlich eines Fühlerelements in ihrem einen Zweig, sowie mit einer Rückkopplungsschaltung, die wirksam mit der Brückenschaltung verbunden ist und einen Verstärker hoher Verstärkung einschließt, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die in Parallelschaltung mit einem anderen Zweig der Brückenschaltung verbunden sind zur Herbeiführung einer frequenzabhängigen Veränderung in der wirksamen Impedanz des genannten anderen Zweiges.

5. Konstanttemperatur-Anemometer nach Anspruch '+, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel geschaltete Einrichtung in Reihenschaltung verbundene Widerstands- und Kapazitätseinrichtungen enthält.

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6. Konstanttemperatur-Anemometer nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmittel ein variables Widerstandsmittel beinhaltet.

7· Konstanttemperatur-Anemometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drückenschaltung ferner Brückenreaktanztrimmittel enthält, die mit einem noch anderen Zweig der Brückenschaltung verbunden sind.

8. Konstanttemperatur-Anemometer nach Anspruch h_y dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung ferner Brückenreaktanztrimmittel enthält, die mit einem noch anderen Zweig der Brück ens chaltung verbunden sind.

9. Konstanttemperatur-Anemometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlerelement Heizdrahtmittel enthält.

10. Konstanttemperatur-Anemometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlerelement Heizfilmmittel enthält.

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