DE916592C

DE916592C - Hot wire measuring device for measuring steady and unsteady velocities of gases and liquids

Info

Publication number: DE916592C
Application number: DEW9124A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Ottmar Wehrmann
Original assignee: OTTMAR WEHRMANN DR ING
Current assignee: OTTMAR WEHRMANN DR ING
Priority date: 1952-07-25
Filing date: 1952-07-25
Publication date: 1954-08-12

Description

Hitzdrahtmeßgerät zur Messung stationärer und instationärer Geschwindigkeiten von Gasen und Flüssigkeiten Die Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und deren Schwankungen (Turbulenz), von Flüssigkeiten und Gasen mittels eines Hitzdrahtes ist bekannt.Hot wire measuring device for measuring steady and unsteady speeds of gases and liquids The measurement of flow velocities and their Fluctuations (turbulence) of liquids and gases by means of a hot wire is known.

Benutzt wird hierbei die Tatsache, daß der elektrische Widerstand eines Drahtes temperaturabhängig ist.The fact that the electrical resistance of a wire is temperature-dependent.

Wird ein Hitzdraht bei der Strömungsgeschwindigkeit Null auf eine bestimmte Temperatur gebracht, so ändert sich die Temperatur mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit durch Wärmeaustausch mit der Umgebung. Dadurch ist es möglich, durch die Widerstandsänderung nach erfolgter Eichung auf die Strömungsgeschwindigkeit zu schließen.If a hot wire at the flow velocity is zero to a Brought a certain temperature, the temperature changes with increasing flow rate through heat exchange with the environment. This makes it possible through the change in resistance to infer the flow velocity after calibration.

Die Widerstandsmessung erfolgt in der Praxis meist durch die Wheatstonesche Brücke. Es bestehen zwei prinzipielle Meßmöglichkeiten: a) die Messung des Widerstandes in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit bei konstantem Strom durch den Hitzdraht und b) die Messung des Heizstromes für den Hitzdraht in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit für konstanten Widerstandswert bzw. konstante Temperatur des Hitzdrahtes. In practice, resistance is usually measured using the Wheatstone ash Bridge. There are two basic measurement options: a) Resistance measurement depending on the flow rate with constant flow through the Hot wire and b) the measurement of the heating current for the hot wire as a function of the flow velocity for a constant resistance value or constant temperature of the hot wire.

Für viele Fälle der Praxis, bei denen die Drahttemperatur über der Temperatur des Strömungsmittels liegt, hat die Methode a) den Nachteil, daß der Meßbereich nur beschränkt ist, da von einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit an die Abkühlung des Hitzdrahtes so weit fortgeschritten ist, daß keine Widerstandsänderung mehr erfolgen kann. For many cases of practice where the wire temperature is above the Temperature of the fluid is, the method a) has the disadvantage that the Measuring range is only limited because of a certain flow velocity the cooling of the hot wire has progressed so far that there is no change in resistance more can be done.

Dagegen bietet Methode b) den Vorteil, den Meßbereich beliebig erweitern zu können, erfordert aber dabei eine dauernde Nachregelung des Heizstromes. In contrast, method b) offers the advantage of extending the measuring range as required to be able to, but requires constant readjustment of the heating current.

Eine weitere zu beachtende Eigenschaft des Hitzdrahtes ist seine von den Dimensionen und der Drahttemperatur abhängige Trägheit, welches besonders bei Messungen von Geschwindigkeitsschwankungen zu berücksichtigen ist. Another property of the hot wire to consider is its inertia depending on the dimensions and the wire temperature, which one is special must be taken into account when measuring speed fluctuations.

Die Trägheit ist frequenzabhängig. Bisher wurde sie kompensiert durch einen Verstärker, welcher einen mit zunehmender Frequenz ansteigenden Verstärkungsfaktor hat. Für den Fall, daß die Meßmethode b) angewendet wird, ergibt sich der Vorteil, daß die Trägheit infolge der konstant gehaltenen Drahttemperatur frequenzunabhängig wird. The inertia is frequency dependent. So far it has been compensated by an amplifier which has a gain factor that increases with increasing frequency Has. In the event that measurement method b) is used, there is the advantage that that the inertia is independent of frequency due to the wire temperature being kept constant will.

Letztlich bliebe zu beachten, daß die Temperatur des strömenden Mediums einen Einfluß auf die Messung hat. Bisher angegebene Kompensationsschaltungen (Handbuch der Experimentalphysik, IV, I, 5.637) mit sechs Hitzdrähten erweisen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr als nötig. Vielmehr wird zur Kompensation nur noch ein zusätzlicher Draht benötigt. Ultimately, it should be noted that the temperature of the flowing medium has an influence on the measurement. Compensation circuits specified so far (manual der Experimentalphysik, IV, I, 5.637) with six hot wires turn out to be the method according to the invention no more than necessary. Rather, it is used to compensate only one additional wire is required.

Der Zweck der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, die bei der Methode b) erforderliche Nachregelung des Heizstromes automatisch vorzunehmen und die Hitzdrahttemperatur konstant zu halten, ohne daß zur Gewinnung einer mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit größer werdenden Regelspannung ein Kleinerwerden der Drahttemperatur nötig ist. Dadurch ist I. eine Messung der Geschwindigkeit über einen sehr großen Bereich möglich, 2. eine Messung der Geschwindigkeitsschwankungen von der Frequenz Null ab möglich und 3. eine Messung der Geschwindigkeit und der Turbulenz unabhängig von der Temperatur des Mediums möglich. The purpose of the arrangement according to the invention is that at method b) to automatically adjust the heating current required and to keep the hot wire temperature constant without having to gain any increasing flow velocity, increasing control voltage becomes smaller the wire temperature is necessary. This is I. a measurement of the speed over a very large range is possible, 2. a measurement of the speed fluctuations from the frequency zero possible and 3. a measurement of the speed and the Turbulence is possible regardless of the temperature of the medium.

Nach der Erfindung dient eine elektronische Regeleinrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur des Hitzdrahtes. According to the invention, an electronic control device is used for Keeping the temperature of the hot wire constant.

Die Meßanordnung gemäß Fig. I besteht aus der Brückenanordnung und dem elektronischen Regelgerät. In der Brücke befinden sich R1 ein Festwiderstand, R2 der Hitzdraht und R3 zum Abgleich der Brücke. Die Speisung der Brücke an den Punkten c und d und damit die Erwärmung des Hitzdrahtes R2 erfolgt mitWechselspannung, deren Frequenz der höchsten zu messenden Turbulenzfrequenz, welche bis zu 20 kHz betragen kann, angepaßt ist. Hierzu ist es z. B. nötig, daß die Brückenfrequenz, die man auch als Trägerfrequenz ansehen kann, ungefähr die zehnfache Frequenz der Turbulenz hat. The measuring arrangement according to FIG. I consists of the bridge arrangement and the electronic control device. In the bridge there is a fixed resistor R1, R2 the hot wire and R3 to balance the bridge. Feeding the bridge to the Points c and d and thus the heating of the hot wire R2 takes place with alternating voltage, the frequency of which is the highest turbulence frequency to be measured, which is up to 20 kHz can be adjusted. For this it is z. B. necessary that the bridge frequency, which can also be seen as a carrier frequency, roughly ten times the frequency of the Has turbulence.

Nachdem der Hitzdraht durch Einstellen der Amplitude des Wechselspannungsgenerators auf die gewünschte Temperatur gebracht worden ist, wird die Brücke durch den Widerstand R3 abgeglichen. After the hot wire by adjusting the amplitude of the alternating voltage generator has been brought to the desired temperature, the bridge is made by the resistor R3 adjusted.

Wird der Hitzdraht R2 angeblasen, so ändert sich sein Widerstandswert, und es entsteht die Brückenspannung e#. Diese wird verstärkt, gleichgerichtet und dient nach Betätigen des Schalters S1 zur Regelung der Amplitude des Wechselspannungsgenerators, je größer die Spannung e= ist, desto größer wird E#. If the hot wire R2 is blown, its resistance value changes, and the bridge voltage e # arises. This is amplified, rectified and serves to regulate the amplitude of the alternating voltage generator after pressing switch S1, the larger the voltage e =, the larger E # becomes.

Betrachtet man die gesamte Regelanordnung, so gilt, daß der Verstärkungsfaktor V = er von der Amplitude unabhängig ist: E#/e# = V = const. Dies vorausgesetzt, ergibt sich die Regelwirkung wie folgt: Annahme: Spannung zwischen b - d = E#/2 . (I) Spannung zwischen R2 a - a = @@ # @2 = . (II) R1 + R2 Damit E# E# # R2 e# = (#) (III) 2 R1 + R2 E# R1 - R2 E# R1 + R2 e# = # ; = 2 # . If one considers the entire control arrangement, then it applies that the gain factor V = he is independent of the amplitude: E # / e # = V = const. Provided that the control effect results as follows: Assumption: voltage between b - d = E # / 2 . (I) Voltage between R2 a - a = @@ # @ 2 =. (II) R1 + R2 so that E # E # # R2 e # = (#) (III) 2 R1 + R2 E # R1 - R2 E # R1 + R2 e # = #; = 2 #.

2 R1 + R2 e# R1 - R2 (IV) E# Nun gilt aber nach Voraussetzung: = V = const. 2 R1 + R2 e # R1 - R2 (IV) E # However, according to the prerequisite: = V = const.

R1 + R2 Also muß 2 # konstant sein. Da R1 ein Fest-R1-R widerstand ist, muß R2, der Widerstand des Hitzdrahtes, zur Erfüllung der Bedingung (IV) auch kon-E# stant bleiben. Der Quotient sagt selbst nichts e# aus über |E#|, so daß sich also, um R2 konstant zu halten, immer in Abhängigkeit von der Strömung um R2 eine solche Amplitude E#| bildet, daß die Forderung R1 + R2 2 # = constant R1 - R2 erfüllt ist. R1 + R2 So 2 # must be constant. Since R1 resisted a solid-R1-R is, R2, the resistance of the hot wire, must also be used to satisfy condition (IV) remain constant. The quotient itself says nothing e # about | E # |, so that So, to keep R2 constant, always depending on the flow around R2 one such amplitude E # | forms that the requirement R1 + R2 2 # = constant R1 - R2 is met is.

Damit ist die Aufgabe erfüllt, eine Regelung zu erzielen, welche die Temperatur des Hitzdrahtes konstant hält. This fulfills the task of achieving a regulation which keeps the temperature of the hot wire constant.

Die Abnahme der Meßspannung (Fig. 2) zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit geschieht an den Punkten c-d. Ein weiterer Gleichrichter richtet den Träger gleich, so daß am Ausgang sowohl die Grundkomponente der Strömung als auch deren Turbulenz von o Hz ab enthalten sind. Für den Fall, daß nur die Turbulenz gemessen werden soll, kann durch einen zweiten Ausgang, welcher aus einem Kondensator besteht, der die Grundkomponente (Gleichspannung) abhält, die reine Turbulenz gemessen werden. The decrease in the measuring voltage (Fig. 2) to determine the flow rate happens at points c-d. Another rectifier rectifies the carrier, so that at the exit both the basic component of the flow and its turbulence from 0 Hz are included. In the event that only the turbulence is measured should, can through a second output, which consists of a capacitor, the the basic component (DC voltage) prevents the pure turbulence from being measured.

Die Kompensation gegen Variationen der Temperatur des strömenden Mediums geschieht wie folgt: Der Widerstand R1 wird aus demselben Material ausgeführt wie der Hitzdraht R2, nur wesentlich dicker. Er wird im Strömungsfeld derart befestigt, daß er nur der Temperatur der Strömung, nicht aber der Bewegung des Mediums ausgesetzt ist. Dies - geschieht z. B. dadurch, daß er in den vorderen oder hinteren Staupunkt eines umströmten Körpers zu liegen kommt. In der Zeichnung Fig. 3 liegt R1 beispielsweise im vorderen Staupunkt der Haltevorrichtung des Hitzdrahtes. Compensation against variations in the temperature of the flowing Medium happens as follows: The resistor R1 is made of the same material like hot wire R2, only much thicker. It is fixed in the flow field in such a way that that it is only exposed to the temperature of the flow, but not to the movement of the medium is. This - happens e.g. B. by the fact that it is in the front or rear stagnation point a body in a flow comes to rest. In the drawing in FIG. 3, for example, R1 is located in the front stagnation point of the holding device for the hot wire.

Für diesen Fall wäre Gleichung (IV) zu erweitern in E# R1(1 + aT) + R2 (1 + aT) = 2 # . e# R1(1 + aT) - R2 (1 + aT) Der Multiplikator (I + a T) kann im Falle des gleichen Materials für R1 und R2 in dem obigen Quotienten gekürzt werden. Dadurch ist die Temperaturunabhängigkeit erreicht. In this case, equation (IV) would have to be expanded into E # R1 (1 + aT) + R2 (1 + aT) = 2 #. e # R1 (1 + aT) - R2 (1 + aT) The multiplier (I + a T) can in the case of the same material for R1 and R2 in the above quotient be shortened. As a result, the temperature independence is achieved.

Das dargelegte Prinzip gilt in gleicher Weise für tropfbare Flüssigkeiten und für alle Arten von Gasen, ferner in entsprechender Abwandlung für mehrere Hitzdrähte u. dgl. The principle outlined applies equally to liquids that can be dripped and for all types of gases, also in a corresponding modification for several hot wires and the like

PATENTANSPRVCHE: 1. Gerät zur Messung der Geschwindigkeit und ihrer Schwankungen für Gase und Flüssigkeiten nach dem Hitzdrahtverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Hitzdrahtes durch eine elektronische Regelung konstant gehalten wird. PATENT CLAIMS: 1. Device for measuring the speed and its Fluctuations for gases and liquids according to the hot wire process, characterized in that the temperature of the hot wire is kept constant by an electronic control system will.

Claims

2. Device for measuring the speed and its fluctuations for Gases and liquids according to the hot wire method according to claim 1 with a bridge circuit, characterized in that one to one of the two bridge diagonals one Wheatstone bridge connected amplifier control rectifier and alternating voltage generator arrangement, whose gain factor is independent of the amplitude, with their output voltage the other bridge diagonal feeds, so that as a result of the double equilibrium the bridge arrangement does not change the hot wire temperature with changing flow rates is necessary to obtain the control voltage for keeping the temperature constant.

3. Device for measuring the speed and its fluctuations for Gases and liquids according to the hot wire process according to Claims 1 and 2, characterized characterized in that an alternating voltage is used to supply the bridge, their amplitude modulation to display the speed fluctuations of any Frequency is used.

4. Device for measuring speed and its fluctuations for Gases and liquids according to Claims 1 to 3, characterized in that in addition to the hot wire is a second bridge branch in the flow field and its temperature accepts.

5. Device for measuring speed and its fluctuations for Gases and liquids according to Claims 1 to 4, characterized in that the second Bridge branch is arranged at a point of the flow field at which the speed Zero prevails.

6. Device for measuring the speed and its fluctuations for Gases and liquids according to Claims 1 to 5, characterized in that the second Bridge branch arranged in the front or rear stagnation point of the hot wire holding device is.

Reference documents: French patent specifications No. 972 353, 559,765; U.S. Patent No. 2,412,471.