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Widerstands anordnung zur Messung der Geschwindigkeit strömender Gase
In der Luftfahrt werden zur Messung von Höhenänderungen der Flugzeuge sog. Vario
meter benutzt, bei denen infolge der Luftdruckänderung bei Änderung der Höhe Luft
in ein abgeschlossenes Gefäß hinein- oder aus diesem herausströmt. Dabei streicht
sie in einem engen Rohr an temperaturempfindlichen, elektrisch geheizten Drahtwiderständen
vorbei, deren Widerstandswert elektrsich gemessen wird. Ein Nachteil derartiger
Variometer liegt darin, daß die Drahtwiderstände zwecks Erzielung einer ausreichend
hohen Temperaturementfindlicketi äußerst dünn sein müssen und demgemäß durch auftretende
Stöße und Erschütterungen leicht beschädigt werden. Ein weiterer Nachteil diesder
Vasriometer liegt ferner noch darin, daß eine ausreichende Temperaturemepfindlichkeit
der Drahtwiderstände an die Verwendung sehr enger Umschließungsrohre gebunden ist.
Dies führt aber oft zu einer nicht rragaren Trägheit in der Azeige.
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Diese Nachteile der bekannten Variometer werden vermieden) wenn erfindugsgemäß
die der Wirkung der abkühienden Gasströmung ausgesetzten Widerstände aus Halbleiterstoffen,
beispielsweise aus magnesiumtitanat, bestehen. Halbleiterstoffe können mämlich im
Gegensatz zu Metalldrähten durch geeignete Zurammensetzung un Herstellungsart lcicht
cinen vielmals höheren Koeffizienten des elektrischen Widerstandes erhalten. Sie
sprechen dadurch weit empfindlicher gegen schwächste Gasströmungen an, und zwar
auch wesentlich schneller bzw. trägheitslos, da die groß Empfindilickeit der Halbleiterwiderstände
es ermöglicht, störende zusätzliche Ströungswiderstände an der Meß stelle durch
Verwendung wesentlich weiterer Umschließungsrohre für- das durchströmende Gas auszuschließen.
Falls es auf den Strömungswiderstand nicht ankommt, wenn also z. B. die Änderungen
der Strömungsgeschwindigkeit in der Zeiteinheit nur klein sind, dann läßt sich an
eien düunne Halbleiterwiderstand das Strömungsrohr sehr dicht heranführen,
so
daß sich eine sehr hohe Anzeigeempfindlichkeit des Gerätes ergibt. Dies ist mit
Metallen nicht ohne weiteres möglich, da ein einzelner Draht nur einen kleinen elektrischen
Widerstand haben könnte, was für die Messungen ungünstig wäre. Die Halbleiterwiderstände
können dabei im Vergleich zu den sonst notwendigen, außergewöhnlich dünnen Metalldrähten
einen beträchtlich größeren Querschnitt erhalten, was naturgemäß ihre Stoßempfindilickeit
und Bruchgefahr erheblich herabmindert.
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Die Erfindung ist nicht an die Verwendung bei Variometern gebunden,
sondern läßt sich überall dort mit Vorteil verwenden, wo strömende Gase, insbesondere
Luft, elektrisch gemessen werden sollen.
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Auf der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele von zur Messurng
der Geschwindigkeit strömender Gase dienenden Widerstandsanordnungen, bei denen
erfindungsgemäß aus Halbleiterstoffen bestehende Widerstandskörper verwendet sind,
schematisch dargestellt.
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In Abb. 1 ist mit I ein stabförmiger, fadenförmiger oder bandförmiger
Halbleiterwiderstand bezeichnet, der über die beiden Stromzuführungen 2 elektrisch
geheizt wird. Er befindet sich im Innern eines zweckmäßig aus Isolierstoff, etwa
Glas, bestehenden Rohres 3. Wenn durch dieses Rohr ein Gas, z. B. Luft, hindurchströmt,
kühlt sich der Widerstandskörper I ab, was in bekannter Weise sehr genau elektrisch
gemessen werden kann. Im Meßergebnis macht es keinen Unterschied, ob die Gasströmung
in der einen oder der entgegengesetzten Richtung durch das Rohr 3 geht.
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Soll die Strömungsrichtung mitangezeigt werden, wählt man zweckmäßig
eine Anordnung nach Abb. 2. Hier ist der aus Halbleiterstoffen bestehende stablfrmige,
bandförmige oder fadenförmige Widerstandskörper 5, 6 in der Mitte mit einem Abfgriff
4 versehen, somit in zwei gleich lange Hälften unterteilt. Strömt z. B. Luft in
der Pfeilrichtung durch das umgebende Rohr 3, so wird die rechte Hälfte 6 des Widerstandskörpers
stärker abgekühlt als die linke Hälfte 5, weil diese von einem durch die Widerstandskörperhälfte
6 bereits vorgewärmten Luftstrom getroffen wird. Mit einer Meßanordnung, die in
bekannter Weise z. B. aus einer Brükce mit Stromquelle 7 und Anzeigeinstrument 8
bestehen kann, läßt sich der widerstandsunterschied, also der Temperraturunterschied,
zwischen den beiden Stabhälften verfolgen. Wenn das Gas entgegen der Pfeilrichung
durchdas Umschließungsrohr 3 strömt, wird der Zeiger des Meßinstrumentes 8 in entegengesetzter
Richtung ausschlagen. Diese Anordnung gibt also die Richtung des Gasstromes und
auch seine Geschwindigkeit an. Selbstverständlich kann man an Stelle der beiden
Hälften eines einzoigen Halbleiterwiderstandes zwei einzelne Halbleiterwiderstände
benutzxem die in demselben Gas strom hintereinander angeordnet sind.
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Bei den beschriebenen Anordnungen wurden Halbleiterwiderstände auf
eine höhere Temperatur erhitzt. Dies hat, wie bekannt, eine Abnahme des Temperaturkoeffiziente
zur Folge, denn ideser ändert sich mit der absoluten Temperatur nach der Formel
a = - b/T2.
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Es ist also mit Rücksicht auf die Ausnutzung eines größeren Temperaturkoeffizienten
von Vorteil, die Halbleiterwiderstände nicht allzu hoch durch den elektrischen Strom
unmittelbar zu erhitzen. Dies ist möglich durch Einführung einer Fremdheizung.
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In Abb. 3 sind 9 und 10 zwei in einem Strömungsrohr 3 hintereinander
angeordnete stabförmige, fadenförmige oder bandförmige Halbleiterwiderstände, beren
Temperaturunterschied infolge der kühlenden Wirkung des Gasstromes zur Messung ausgenutzt
werden soll. Zwischen beiden befindet sich innerhalb des Strömungsrohres 3 in an
sich bekannter Weise ein elektrischer Heizkörper II. Oberhalb des Heizkörpers ist
das Strömungsrohr mit einem offenen oder geschlossenen Ansatz 12 versehen, der die
aufsteigende heiße Gasströmung abführt oder aufnimmt und damit störende Stauungen
heißer Gase in der Nähe der Halbleiterwiderstände verhindert. Da bekantlich der
emperaturbeiwert des elektrischen Widerstandes von Halbleiterwiderständen sehr stakr
temperatur abhängig ist, können solche Gasstauungen die Gesmtempfindlichkeit des
Gerätes herabsetzen. Der durch die beiden Widerstände 9, 10 fließende elektrishe
Meßstrom soll so klein sein, daß er die Widerstände nicht wesentlich über ihre Umgebungstempleratur
erwärmt. Bei Auftreten eines in das Rohr 3 in Pfeilrichtung eintretenden Luft oder
Gasstromes wird der Widerstandskörper 9 daher nicht nennenswert gekühlt werden.
Dagegen tritt am Widerstandskörper 10 eine Erwärmung infolge der durch den eintreteiiden
Luft oder Gasstrom in den linken Rohrteil abgedrängten, von Heizkörper II aufsteigenden
Gasströmung auf. In diesem Falle wird also die Temperaturerhöhung des Widerstandes
10 über die Temperatur des Widerstandes 9, die im wesentlichen konstant bleibt,
zur Messung ansgenuzt. Man kann jedoch die Empfindilichkeit noch erhöhen, indem
man die Widerstände 9 und 10 mehr vorerhitzt, so
daß noch eine beachtliche
abkühlende Wirkung des Gasstromes auf den Widerstand 9 eintritt. Diese ist naturgemäß
auch beim Widerstand 10 vorhanden, wird aber durch die in dem linken Rohrteil hineingeblasene,
vom Hiezkörper 11 aufsteigende heiße Gasströmung übertroffen, wenn dieser kräftig
genug bemessen ist, was sich durch Versuche leicht erreichen läßt. In diesem Falle
wird also die Temp-eraturerhöhung des Widerstand des 10 über die Temperatur des
abgekühlten Widerstandes 9 zur Messung ausgenutzt. Auch diese Anordnung ist richtungsempfindlich,
denn bei einer Umkehr der Richtung der Gasströmung wird sich der Widerstand 9 erwärmen
an Stelle des Widerstandes 10.
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Mit Rücksicht auf eine möglichst hohe Empfindlichkeit ist es vorteilhaft,
as den halbleiterwiderstand umgebende Rohr möglichst eng zu machen. Dies hat jedoch
eine unliebasme Erhöhung der Trägheit zur Folge, weil sich der Druckunterschied
nur langsam durch ein dünnes Rohr ausgleichen kann.
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Mit Rücksicht auf Verkleinerung der Trägheit ist es dagegen vorteilhaft,
das Strömungsrohr möglichst weit zu machen. Dann werden sich Druckunterschiede zwischen
dem Innern des Gefäßes und seiner Umgebung sehr schnell und, praktisch trägheitslos
ausgleichen. Die Einbuße an Empfindlichkeit läßt sich bei Halbleiterwiderständen
durch eine Erhöhung ihres Tempreraturkoeffizienten ausgleichen. Dieser kann bis
zu 10% je Grad erreichen.
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Die Abb. 4 zeigt den Querschnitt des Strömungsrohres 3 etwa an der
Stelle, wo sich in Abb. 3 der Widerstandskörper 10 befindet, wenn man an dieser
Stelle den Quetschnitt durch ein Gitter von elektrisch untereinander verbundenen,
sehr düunnen stabförmigen, fadenförmigen oder baudförmigen Halbleiter'viderständen
I3 ausfüllt. Diese können beispielsweise leine Dicke von 50 und eine Länge von einigen
Zentimetern haben.
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In gleicher Weise kann bei der Einrichtung nach Abb. 3 auch der Widerstandskörper
9 durch ein den Querschnitt des Strömungsrohres ausfüllendes Gitter von dünnen Halbleiterwiderständen
ersetzt werden.
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Damit gelangt man zu einer Anordnung nach Abb. 5, bei der I3 und
14 die beiden gitterförmigen Halbleiterwiderstandsanol1dzungen nach Abb. 4 bedeuten.
15 ist ein in der Mitte zwischen diesen beiden gitterförmigen Halbleiterwiderstandsanordnungen
im Strömungsrohr untergebrachter elektrischer Heizkörper, der zweckmäßig als zickzackförmig
hin und her geführter Faden den ganzen Querschnitt des Strömungsrohres 3 ausfüllt,
wie in Abb. 6 gezeigt. Das Strömungsrohr besitzt zweckmäßig wiederum über dem Heizkörper
15 einen offenen oder geschlossenen Ansatz 12, der, wie schon beschrieben, die thermische
Strömung des Heizkörpers 15 aufnimmt. Das eine Ende des Strömungsrohres 3 ist mit
einem geschlossenen Gefäß 16 verbunden, aus dem beim Aufsteigen des Flugzeuges Luft
herausströmt bzw. in das Luft hineinströmt, wenn das Flugzeug sinkt.
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Abb. 7 zeigt einen in Form eines Röhrchens I7 ausgebildeten, aus
geeigneten Halbleiterstoffen, etwa Magnesiumititanta, bestehenden Meßwiderstand
mit drei Abgriffen 18, 19 und 20, durch die der Widerstand in gleich lange Stücke
unterteilt ist. In der Mitte befindet sich im Innern des Röhrchens I7, und zwar
genau symmetrisch angeordnet, ein Heizkörper 21, der den Meßwiderstand aufheizt.
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Es gibt hierbei zwei Möglichkeiten, diesen Widerstand zur Strömugsmessung
auszunutzen.
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I. Man macht den rohrförmigen Halbleiterwiderstand weit, z. B. 8
mm lichte Weitle bei 0,2 mm Wandstärke. Der im Innern dieses rohrförmigen Halbleiterwiderstandexs
unterzubringende Heizkörper darf nur wenig Kaum einnehmen und insbesondere den querschnitt
nicht nennenswert verringern. Das den kühlenden Gasstrom aufnehmende Umschließungsrohr
hat hierbei etwa eine lichte Weite von 10 mm. Bei einer solchen Größenabmessung
von Halbleiterwiderstand und Umschließungsrohr wird die zu messende Gasströmung
wesentlich durch das Innere des Halbleiterrohres gehen.
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2. Man macht das Rohr eng, etwa I bis 2 mm bei einer Wandstärke von
0,1 mm, und ordnet alsdann dieses sehr enge Rohr wiederum. symmetrisch in einem
Strömungsrohr von 10 mm Innendurchemesser an. Dann wird die Gasströmung das Rohr
von außen kühlen.
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In jedem Falle tritt eine Verschiebung des Temperaturgleichgewichts
nach einem Ende des Halbleiterwiderstandes zu ein, so daß dieses heißer und das
andere kühler wird, wodurch wieder die schon mit Bezug zu stabförmigen Widerstandskörpern
beschriebene Wirkung hervorgerufen wird. Ein solcher rohrförmiger Meßkörper ist
jedoch insofern vorteilhaft, als er im Vergleich zu einem stabförmigen Meßkörper
mit gleichem Querschnitt eine wesentlich größere Oberfläche besitzt, wodurch die
Kühlwirkung und damit die Empfindlickeit der Anzeige vergrößert wird.