DK142295B

DK142295B - Apparatus for temperature dependent measurement of the size and direction of a fluid flow.

Info

Publication number: DK142295B
Application number: DK307874A
Authority: DK
Inventors: Robert Sonny Djorup
Original assignee: Environmental Instruments
Priority date: 1974-06-07
Filing date: 1974-06-07
Publication date: 1980-10-06
Also published as: DK307874A; DK142295C

Description

142295142295

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til temperaturafhængig måling af størrelse og retning af en fluidstrøm omfattende et følerorgan med to temperaturafhængige følerelementer, der er således beskafne, at 5 den elektriske modstand af hvert element varierer med temperaturen, og hvor elementerne er langstrakte og anbragt i nogen afstand fra hinanden side om side parallelt med følerorganets længdeakse og er forsynet med et termisk isolerende legeme, der danner en barriere imel-10 lem elementerne til forhindring af fluidstrømning imellem dem, hvorhos der findes organer til at sende en elektrisk strøm igennem elementerne til opvarmning af disse til en højere temperatur end omgivelsernes.The present invention relates to an apparatus for temperature-dependent measurement of the size and direction of a fluid flow comprising a sensing means having two temperature-dependent sensing elements, such that the electrical resistance of each element varies with the temperature and wherein the elements are elongated and arranged in a spaced apart side by side parallel to the longitudinal axis of the sensor means and provided with a thermally insulating body which forms a barrier between the elements for preventing fluid flow between them, there being means for passing an electric current through the elements for heating the these to a higher temperature than those of the surroundings.

Sådanne apparater kendes f.eks. fra US-PS 15 3.603.147 og US-PS 3.604.261. Ved disse kendte apparater har anvendelsen af en strømningsføler med to modstandselementer til formål at kunne bestemme en fluidstrømning ikke alene med hensyn til massestrøm, men også med hensyn til retning. Massestrømmen udledes af summen af 20 de af de to modstandselementer afgivne varmemængder, medens forholdet mellem disse varmemængder giver et mål for strømningens retning.Such devices are known e.g. from US-PS 15 3,603,147 and US-PS 3,604,261. In these known apparatus, the use of a flow sensor having two resistance elements is intended to be able to determine a fluid flow not only in terms of mass flow but also in direction. The mass flow is derived from the sum of the heat quantities delivered by the two resistance elements, while the ratio of these heat quantities provides a measure of the direction of flow.

Til den hertil nødvendige analyse findes der ved de kendte apparater to brokoblinger, i hver af hvilke 25 arbejdsmodstanden udgøres af et af de to modstandselementer. Disse befinder sig meget tæt ved hinanden på et i tværsnit cirkulært bærelegeme. Herved opstår der gensidige termiske påvirkninger, der må kompenseres af hensyn til den tilstræbte retningsbestemmelse, hvil-30 ket søges tilvejebragt ved hjælp af en forholdsvis omstændelig impulsstyring af de to brokoblinger.For the analysis required for this purpose there are two bridge couplings in the known apparatus, in each of which the working resistance is constituted by one of the two resistance elements. These are very close together on a cross-sectional support body. Thereby, mutual thermal stresses arise, which must be compensated for by the desired direction determination, which is sought to be obtained by means of a relatively elaborate pulse control of the two bridge couplings.

Fra US-PS 3.677.085 kendes der er strømningsføler med to modstandselementer, der er anbragt med større afstand fra hinanden på et bærelegeme, der 35 imellem modstandselementerne er udformet som en bro, der forhindrer mediestrømning imellem modstandselementerne. Denne kendte strømningsføler anvendes imidlertid ikke i dette apparat i en analysekobling, der muliggør 142295 2 en retningsbestemmelse.US-A-3,677,085 discloses flow sensors having two resistive elements spaced apart on a support member which is formed between the resistive elements as a bridge which prevents media flow between the resistive elements. However, this known flow sensor is not used in this apparatus in an analysis coupling which allows for directional determination.

Opfindelsen har til formål at tilvejebringe et apparat af den indledningsvis nævnte art, ved hvilket der med simple midler kan fås en direkte bestemmelse 5 både af massestrømmen og af fortegnet på retningen af en strømning forbi strømningsføleren.The invention has for its object to provide an apparatus of the kind mentioned above, by which a simple determination 5 can be obtained by simple means both of the mass flow and of the sign on the direction of a flow past the flow sensor.

Dette tilvejebringes ifølge opfindelsen ved, at de to følerelementer er elektrisk seriekoblet og indkoblet i én og samme gren af en brokreds, til hvilken 10 der er sluttet en reguleringsanordning indrettet til at regulere strømmen gennem elementerne på en sådan måde, at den totale resistans af de seriekoblede elementer holdes konstant ved uforandret omgivelsestemperatur, hvorhos der findes organer til måling af den elektriske 15 strøms styrke samt yderligere et følerorgan til afføling af omgivelsernes temperatur forsynet med et ele-met, hvis resistans varierer med temperaturen, hvilket element er indkoblet i en gren af brokredsen, som er forskellig fra den gren, som indeholder de to første 20 følerelementer, idet det yderligere følerorgan er indrettet til at bringe reguleringsanordningen til at ændre den regulerede strøm på en sådan måde, at denne bliver kompenseret for variationer i omgivelsernes temperatur, hvorhos der findes en til følerorganets to 25 elementer sluttet elektrisk kreds, der er indrettet til at afføle forskel i resistans mellem de to følerelementer for derved at tilvejebringe en indikation af fluidstrømningsretningen .This is provided by the invention in that the two sensing elements are electrically connected in series and connected in one and the same branch of a bridge circuit, to which is connected a control device arranged to control the current through the elements in such a way that the total resistance of the series coupled elements are kept constant at unchanged ambient temperature, where there are means for measuring the strength of the electric current as well as an additional sensor for sensing the ambient temperature provided with an element whose resistance varies with the temperature, which element is connected in a branch of the bridge circuit, which is different from the branch containing the first two sensing elements, the additional sensing means being arranged to cause the regulating device to change the regulated current in such a way that it is compensated for variations in ambient temperature, whereby there is an electrical circuit connected to the two elements of the sensor means ds, arranged to sense difference in resistance between the two sensor elements, thereby providing an indication of the direction of fluid flow.

Ved apparatet ifølge opfindelsen fås der som 30 følge af den i og for sig kendte udformning af strømningsføleren en upåklagelig termisk adskillelse af de to modstandselementer, hvilket er en forudsætning for en nøjagtig måling. Ved at de to i serie koblede modstandselementer udgør arbejdsmodstanden i en enkelt 35 kun med en reguleringsanordning koblet brokobling, bliver apparatet simpelt i konstruktion og driftssikkert uden særlig overvågning. Alligevel kan massestrømmen i strømningen forbi føleren aflæses direkte 3 142295 uden yderligere signalbearbejdelse ved hjælp af spændingsfaldet over brokoblingens arbejdsmodstand. Retningens fortegn fås direkte af komparatordelens udgangssignal, der som resultat viser, hvilket af de 5 to modstandselemeriter, der i hvert øjeblik har den største modstandsværdi og således ligger henholdsvis forrest eller bagest i strømningen. Den for opfindelsen ejendommelige udformning af et apparat til strømningsmåling udgør endelig forudsætning for simpel 10 undersøgelse af en strømning med nøjagtig, altså ikke blot fortegnsmæssig angivelse af strømningsretningen, idet to eller tre apparater ifølge opfindelsen med vinkelret på hinanden stående strømningsfølere kan anvendes til bestemmelse af de to- eller tre-dimensio-15 nåle vektorer i en strømning.The apparatus according to the invention results in an impeccable thermal separation of the two resistor elements, which is a prerequisite for an accurate measurement, as a result of the configuration of the flow sensor known per se. Because the two series-connected resistance elements constitute the working resistance of a single bridge coupled only with a control device, the apparatus becomes simple in construction and reliable without special monitoring. Nevertheless, the mass flow in the flow past the sensor can be read directly without further signal processing by means of the voltage drop across the working resistance of the bridge coupling. The sign of the direction is obtained directly from the output signal of the comparator part, which shows as a result which of the two two resistor elites that at each moment have the greatest resistance value and thus lie respectively in the front or rear of the flow. The design of a flow measurement apparatus peculiar to the invention constitutes a final prerequisite for simple examination of a flow with accurate, ie not merely indicative of the flow direction, since two or three devices according to the invention with perpendicular flow sensors can be used to determine the flow sensors. two- or three-dimensional needle vectors in a flow.

Udformningen ifølge opfindelsen gør det også muligt på simpel måde at kompensere for indflydelsen af vekslende temperaturer af det medium, hvis strømning undersøges.The design according to the invention also makes it possible in a simple way to compensate for the influence of alternating temperatures of the medium whose flow is investigated.

20 Opfindelsen er forklaret nærmere i det følgende ved hjælp af et skematisk vist udførelseseksempel.The invention is explained in more detail below by means of a schematic illustrated embodiment.

På tegningen viser fig. 1 et perspektivisk billede af en strømningsføler til et apparat til strømningsmåling, 25 fig. 2 et snit efter linien II-II i fig. 1, fig. 3 og 4 tilsammen de elektriske koblinger i et apparat til strømningsmåling, og fig. 5 i polære koordinater en følsomhedskurve for det i fig. 1-4 illustrerede apparat.In the drawing, FIG. 1 is a perspective view of a flow sensor for a flow measurement apparatus; FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG. 1, FIG. 3 and 4 combine the electrical couplings in a flow measurement apparatus; and FIG. 5 in polar coordinates a sensitivity curve for the one shown in FIG. 1-4 illustrated apparatus.

30 Fig. 1 og 2 viser en strømningsføler til et apparat til strømningsmåling. Denne føler indeholder to modstandselementer 10a og 10b, der består af rørformede legemer af et elektrisk ledende materiale med en høj temperaturkoefficient for den elektriske mod-35 stand. De to modstandselementer er anbragt parallelt med hinanden med indbyrdes afstand og bæres af et bærelegeme 25 af elektrisk og termisk isolerende materiale, f.eks. hårdtbrændt porcelæn, silicongummi eller 4 142295 plast, hvilket legeme udgør en bro imellem modstandselementerne. Bærelegemet 25 holder de to modstandselementer godt adskilt fra hinanden i termisk henseende og forhindrer en strømning af mediet imellem disse, 5 så at der fremkommer en betydelig afkølingsforskel mellem de to modstandselementer, fordi det ene skygger for det andet afhængigt af strømningsretningen. Det broformede afstandsstykke 25 strækker sig som vist i fig. 1 i strømningsfølerens fulde længde, der som 10 vist er væsentlig større end følerens tykkelse. Modstandselementerne har ved enderne elektriske tilslutningsfaner henholdsvis 14a, 15a og 14b, 15b.FIG. 1 and 2 show a flow sensor for a flow measurement apparatus. This sensor contains two resistance elements 10a and 10b, consisting of tubular bodies of an electrically conductive material with a high temperature coefficient for the electrical resistance. The two resistance elements are spaced parallel to each other and supported by a support body 25 of electrical and thermal insulating material, e.g. hard-burned porcelain, silicone rubber or plastic, which body forms a bridge between the resistance elements. The support body 25 keeps the two resistive elements well apart from each other in thermal terms and prevents flow of the medium between them, 5 so that a significant cooling difference between the two resistive elements is obtained because one shades for the other depending on the flow direction. The bridged spacer 25 extends as shown in FIG. 1 in the full length of the flow sensor, which, as shown, is substantially larger than the thickness of the sensor. The resistive elements have electrical connection tabs at the ends 14a, 15a and 14b, 15b, respectively.

’ I en ændret, ikke vist udførelsesform for strømningsføleren kan bærelegemet 25 bestå ikke alene 15 af det midterste brostykke, men også af to rørformede afsnit på hver sin side af dette, på hvilke de to modstandselementer er påført som film, fortrinsvis af platin eller platinlegeringer. Disse film kan desuden være beskyttet af et elektrisk isolerende overtræk.In a modified, not shown embodiment of the flow sensor, the support body 25 may comprise not only 15 of the middle bridge piece, but also of two tubular sections on either side thereof on which the two resistance elements are applied as film, preferably of platinum or platinum alloys. . In addition, these films may be protected by an electrically insulating coating.

20 Den i fig. 1 og 2 viste strømningsføler indgår i en elektrisk kobling, der fremgår af fig. 3 og 4. Koblingen består i det væsentlige af en Wheatstone-bro med fire ben mellem aftagningspunkter 31 og 32 for bro- eller fejlspændingen og tilslutningspunkter 33 25 og 34 for brofødespændingen. To ben af brokoblingen imellem tilslutningspunktet 34 og de to aftagningspunkter 31 og 32 udgøres af to faste modstande 26 og 28. Mellem aftagningspunktet 31 og det andet, til jord sluttede tilslutningspunkt 33 ligger brokob-30 lingens arbejdsmodstand, der udgøres af de to i serie koblede modstandselementer 10a og 10b i strømningsføleren. Imellem det andet aftagningspunkt 32 og tilslutningspunktet 33 ligger et modstandselement 27 i en temperatursonde, der ligesom strømningssonden er 35 påvirket af det medium, hvis strøm skal undersøges.The embodiment of FIG. 1 and 2 are included in an electrical coupling shown in FIG. 3 and 4. The coupling consists essentially of a four-legged Wheatstone bridge between take-off points 31 and 32 for the bridge or fault voltage and connection points 33 25 and 34 for the bridge feed voltage. Two legs of the bridge coupling between the connection point 34 and the two take-off points 31 and 32 are formed by two fixed resistors 26 and 28. Between the take-off point 31 and the other ground-connected connection point 33 lies the working resistance of the bridge coupling, which is the two connected in series. resistor elements 10a and 10b in the flow sensor. Between the second take-off point 32 and the connection point 33, a resistance element 27 lies in a temperature probe which, like the flow probe 35, is influenced by the medium whose current is to be examined.

Den elektriske modstandsværdi af dette modstandselement er temperaturafhængig og har samme temperaturkoefficient som modstandselementerne i strømningsføleren.The electrical resistance value of this resistor element is temperature dependent and has the same temperature coefficient as the resistor elements of the flow sensor.

5 1422955 142295

Til aftagningspunkterne 31 og 32 er der sluttet en elektrisk forstærker 29 for brospændingen, hvilken forstærker igen er sluttet til en strømforstærker 30, hvis udgang er koblet tilbage til brokoblingens 5 tilslutningspunkt 34. Forstærkerne 29 og 30 udgør tilsammen en reguleringsanordning, der ved forandring af brokoblingens fødestrøm til stadighed holder brokoblingen i ligevægt også ved forandringer af dens arbejdsmodstand, nemlig de seriekoblede modstandselementer 10a, 10b. Størrelsen af modstanden 38 er derhos 10 således valgt, at broens ligevægt indstiller sig ved en strøm gennem arbejdsmodstanden, der fører til en opvarmning af modstandselementerne 10a og 10b til over omgivelsernes temperatur.To the take-off points 31 and 32 there is connected an electrical amplifier 29 for the bridge voltage, which amplifier is again connected to a current amplifier 30, the output of which is connected back to the terminal point of the bridge coupling 5. The amplifiers 29 and 30 together form a control device which, when changing the bridge coupling, constant current supply also keeps the bridge coupling in equilibrium with changes in its working resistance, namely the series-coupled resistance elements 10a, 10b. The size of the resistor 38 is thus selected such that the equilibrium of the bridge adjusts to a current through the working resistor leading to heating of the resistive elements 10a and 10b above ambient temperature.

For at tilbagekoblingen over reguleringsanordningen 15 29, 30 også skal være virksom efter indkoblingen, frem bringer reguleringsanordningen en lille differensspænding, når broen befinder sig i nøjagtig ligevægt.In order for the feedback over the regulator 15 29, 30 to also be effective after the switch-on, the regulator generates a small differential voltage when the bridge is in exact equilibrium.

Den over arbejdsmodstanden mellem punkterne 31 og 33 aftagne spænding svarer til strømningens masse-20 strøm ud for strømningsføleren. Denne spænding kan anvendes til angivelse af størrelsen pV eller mas-. sestrømmen. Når p er konstantv er signalet et hastighedssignal. Signalet er ikke lineært, og det indeholder en konstant komponent, der svarer til opvarmningssignalet 25 ved massestrømmen 0, en eksponentiel komponent, der er en funktion af den fjerde rod af massestrømmen, og en turbulenskomponent, der hidrører fra svingninger i strømkomponenterne.The voltage decreased over the working resistance between points 31 and 33 corresponds to the mass-flow current of the flow next to the flow sensor. This voltage can be used to indicate the size pV or mass. sestrømmen. When p is constant, the signal is a velocity signal. The signal is non-linear and contains a constant component corresponding to the heating signal 25 at the mass flow 0, an exponential component which is a function of the fourth root of the mass flow, and a turbulence component resulting from fluctuations in the flow components.

Til bestemmelse af fortegnet for strømningens retning 30 tjener den i fig. 4 viste del af koblingen, der for overskuelighedens skyld er vist separat. Parallelt med brokoblingens arbejdsmodstand er der i punkterne 31 og 33 tilsluttet en spændingsdeler bestående af to seriekoblede modstande 36a og 36b. Spændingsdelerens 35 midtpunkt er forbundet med den ene indgang i en kompa-rator 37, medens den anden indgang over en formodstand 36c er sluttet til forbindelsespunktet 35To determine the sign of the flow direction 30, it serves in FIG. 4 is shown separately for the sake of clarity. In parallel with the working resistance of the bridge coupling, at points 31 and 33, a voltage divider consisting of two series-coupled resistors 36a and 36b is connected. The center of the voltage divider 35 is connected to one input of a comparator 37, while the other input over a pre-resistor 36c is connected to the connection point 35

Claims

142295 between the two resistance elements 10a and TOb. At its output 39, comparator 37 emits a voltage that is negative with the specified polarities when the resistance value of the resistor element 10a is increased due to a current against the resistor member 10b, while the voltage becomes negative if the current is directed against the resistor member 10a. The potential of the comparator 37 at point 35 does not change during the existing flow as long as the direction of flow is located in a plane parallel to the axis of the resistance elements 10a and 10b and perpendicular to a plane containing these axes. At all other flow conditions, the potential at point 35 moves relative to the potential at the midpoint of the dilution divider 36a, 36b corresponding to the different change of resistance values 10a and 10b due to the different heat loss at these two resistance elements. FIG. 5 shows the output signal obtained with the apparatus of FIG. 1-4, when the output 39 of comparator 37 serves to change the sign direction of an amplifier for the mass flow signal decreased between points 31 and 33. It will be seen that each of the two tabs or wings of the diagram has a different electrical sign and that the output voltage seen in right angles to the coordinates of FIG. 5 coordinate system approaches a cosine function. In general, the output of the form is in vw cos Θ, where p is the density of the surrounding medium, p0 is a reference density under standard conditions, Vw is the flow velocity of the medium, and 0 is the azimuth angle of the velocity vector of the medium. Apparatus for temperature dependent measurement of the size and direction of a fluid flow comprising a sensor.