DE743788C - Widerstandsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit stroemender Gase - Google Patents

Widerstandsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit stroemender Gase

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DE743788C
DE743788C DEP83137D DEP0083137D DE743788C DE 743788 C DE743788 C DE 743788C DE P83137 D DEP83137 D DE P83137D DE P0083137 D DEP0083137 D DE P0083137D DE 743788 C DE743788 C DE 743788C
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resistors
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DEP83137D
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Dipl-Ing Erwin Weiss
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Osram GmbH
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Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10Measuring 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
    • G01P5/12Measuring 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

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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Measuring Volume Flow (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es gibt hierbei zwei Möglichkeiten, diesen Widerstand zur Strömugsmessung auszunutzen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Widerstandsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit strömender Gase mit Hilfe von in einem Strömungsrohr eingebauten, temperaturabhängigen Widerständen, die elektrishc aufgeheizt und durch die Gasströmung abgekühlt wer den, dadurch gekennzeichnet, daß diese Widerstände aus Halbleiterstoffen bestehen.
  2. 2. Widerstandsanordnung nach Anspruch 1, bei der sich in einem Strömungsrohr zwischen zwei Widerstandskörpern ein Heizkörper befindet, dadurch gekenn. zeichnet, daß das Strömungsrohr oberhalb des Heizkörpers mit einem offenen oder geschlossenen, die heiße Gasströmung abführenden oder aufnehmenden Ansatz versehen ist.
  3. 3. Widerstandsanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß sich un Strömungsrohr ein rohrförmiger Halbleiterwiderstand befindet, der durch drei Stromzuführungen in zwei gleich lange Stücke unterteilt ist und im Innern einen seinen Mittelteil aufheizenden Heizkörper enthält.
    Zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: deutsche Patentschriften ... Nr. 242 038, 268 350.
DEP83137D 1941-10-12 1941-10-12 Widerstandsanordnung zur Messung der Geschwindigkeit stroemender Gase Expired DE743788C (de)

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