NO152884B - Anemometer - Google Patents

Abstract

ANEMOMETER.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt en anemometertransduser for å bestemme bevegelse av en fluidum-masse som omgir transduseren, eller omvendt, bevegelsen av transduseren gjennom fluidet. Oppfinnelsen vedrører spesielt en retnings-følende varmetapstransduser for avføling av både hastigheten og retningen av bevegelsen til et fluidum, som en væske eller gass, i hvilken transduseren er neddykket.

Det er tidligere kjent å anvende varmetråder og varmefilmer i anemometertransdusere. Eksempler på tidligere kjente termiske anemometerfølere og kretser for disse er vist i US patentene 3 138 025, 3 333 470, 3 352 154, 3 604 261, 3 900 819 og 4 024 761. Den foreliggende oppfinnelse over-vinner flere ulemper eller svakheter som er funnet ved de tidligere kjente følere.

To betydelige mangler er karakteristiske for tidligere kjente transdusere, det er deres relative ufølsomhet ved lave strømningsvinkler som er parallelle eller nesten parallelle med aksen for transduserens hoveddimensjon, og deres mottakelighet for ulikheter i hastighetsresponsen fra side til side. En ideell transduser vil oppvise rene, glatte aksekrysninger når transduserens polarresponskarakteristikk blir fremvist eller plottet grafisk.I tidligere kjente transdusere benyttes ofte kunstgrep slik som innføring av elektriske "skjelve"-signaler for å hjelpe til med lobekobling fra side til side. Dette tilveiebringer i virkeligheten et "syntetisk" hastighetssignal gjennom aksekrysningsom-

rådet heller enn et signal som er nøyaktig utledet fra retningstransduseren selv.

Den foreliggende oppfinnelse bruker et retningsfølende lederpar som utnytter det naturlige turbulente "kjølvannet"

som opptrer når praktisk talt ethvert geometrisk legeme blir plassert i et bevegelig fluidum. Ved å arrangere det av-følende lederparets geometriske plassering i forhold til et slikt legeme, blir et aerodynamisk "skjelve"-signal inn-

ført i retningsfølerens signalutgang for lavvinklet strøm-

ning. Virkningen er at en variabel mengde av tilfeldig turbulens blir addert til utgangen fra det retningsfølende lederparet som en funksjon av innfallsvinkelen. Den minste turbulensen blir innført for strømning normalt til trans-

duserens hovedakse. En tydelig strømning fra den ene eller den andre siden gjør at det selvgenererte turbulente "kjøl-vannet" blir feiet vekk fra transduserelementene.

Den foreliggende oppfinnelse bruker også en enkelt sylindrisk hastighetsføler som en del av transduseren, slik at hastighetsføler-responsen fra side til side blir ideelt tilpasset. Den nevnte tilpasning inntreffer fordi det sam-

me spesielle følerelementet blir brukt for alle hastighets-målinger.

Den fysiske strukturen til transduseren er ganske robust, og den kan brukes i fluider som er tettere enn luft. Når transduseren brukes i sjøvann eller ferskvann, blir det vanligvis brukt lavere arbeidstemperaturer på lederne. Typiske arbeidstemperaturer for transduseren ligger i luft fra mindre enn 25°C til mer enn 150°C over omgivelsestemperaturen. Når transduseren brukes i vann er typiske tempe-raturer fra 10 til 25°C over vanntemperaturen. Når miljø-messig påkjenning er ventet og stor robusthet er svært vik- , tig, kan ytelsen tilpasses noe ved å bruke retningslederparet alene både for hastighets- og retningsmåling. I slike tilfeller er retningslederparet fysisk montert i bekyttende le av den tunge sentrale bærestangen.

Nærmere bestemt tar oppfinnelsen utgangspunkt i en anemometertransduser av den type som omfatter: (a) minst to like, termisk og fysisk adskilte sylindriske elektriske motstandsledere, (b) hver av hvilke ledere har en lengde som minst er lik den største tverrsnittsdimensjonen til lederen, (c) et sylindrisk bæreorgan som er sentralt anordnet mellom og langs de to elektriske motstandslederne, (d) hvilket sylindriske bæreorgan har et rettlinjet midtparti og et monteringsparti ved hver ende av nevnte sentrale parti, (e) hvilke elektriske ledere er anordnet som et parallelt par med begrenset avstand og montert parallelt med og nær det rettlinjede midtpartiet av det sylindriske bæreorganet, (g) en varmeisolerende forbindende broanordning anbrakt mellom hver av de to elektriske motstandslederne og bæreorganets rettlinjede sentrale parti og som lukker mellomrommet mellom lederne og-nevnte sentrale parti, for derved å forhindre fullstendig

strømning omkring bare en av de elektriske motstandslederne uavhen-gig av den andre lederen,

(h) hvilke to elektriske motstandsledere er understøttet av bæreorganets sentrale rettlinjede parti, og (i) hver av de elektriske motstandslederne er forsynt med elektriske kontaktanordninger, hvorved hver elektrisk motstandsleder kan oppvarmes elektrisk ved hjelp av en elektrisk strøm som sendes gjennom hver leder.

Det nye og særegne ved transduseren ifølge oppfinnelsen består i at det rettlinjede midtparti av nevnte sylindriske bæreorgan er anordnet slik at et plan som inneholder de parallelle sentrale aksene for de to elektriske motstandsledere, ligger i avstand fra nevnte sentrale parti og er perpendikulært til et plan som inneholder den sentrale aksen til det sylindriske bæreorganet og er anbrakt mellom de to motstandslederne.

Ytterligere spesielle trekk ifølge oppfinnelsen er angitt

i patentkravene 2 til 15.

Selv om det er klart at de her beskrevne utførelsesformene av oppfinnelsen primært er beregnet for å oppnå de forannevnte resultater, vil man forstå at oppfinnelsen kan være gjenstand for modifikasjoner, variasjoner og forandringer.

Fig. 1 er et perspektivriss av en retningsmessig varme-taps følsom anemometertransduser laget i henhold til prin-

sippene ved den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 er et oppriss av et snitt gjennom transduser-konstruksjonen på fig. 1 tatt langs linjen 2-2 på denne,

sett i retning av pilene.

Fig. 3 er en perspektivskisse av en annen utførelses-

form av oppfinnelsen som bruker et tredje sylindrisk føler-element som en separat hastighetsføler.

Fig. 4 er et oppriss av et tverrsnitt gjennom transdu-

seren på fig.3 tatt langs linjen 4-4 og sett i retning av pilene.

Fig. 5 er et oppriss i tverrsnitt som fig. 4, og illustrerer en tredje utførelsesform der det tredje sylindriske følerelement er fysisk forbundet med det mekaniske bæreorganet. Fig. 6 er et oppriss som fig. 5 og illustrerer en fjerde utførelsesform hvor det tredje sylindriske følerelement er en ledningstråd istedet for en filmføler. Fig. 7 er et oppriss i snitt i likhet med fig. 2, og illustrerer en femte utførelsesform hvor retningsfølerele-mentene er ledningstråder istedenfor filmer. - Fig. 8 er et oppriss i tverrsnitt som fig. 5, og illustrerer en sjette utførelsésform hvor de tre følerelementene er ledningstråder istedenfor filmer. Fig. 9 er et oppriss i tverrsnitt maken til fig. 4, og viser en syvende utførelsesform hvor retningsfølerne er ledningstråder istedenfor filmer. Fig. 10 er en perspektivskisse av en anemometertransduser laget i samsvar med prinsippene ved den foreliggende oppfinnelse, og viser en åttende utførelsesform som bruker et rettlinjet stavlignende bæreorgan. Fig. 11 er et forenklet elektrisk skjema som illustrerer eksiterings- og utlesningsanordningene for en transduser med to følerelementer av den type som er vist på figurene 1 og 10. Fig. 12 er et forenklet elektrisk skjema som illustrerer eksiterings- og utlesningsanordningene for en transduser med tre følerelementer av den type som er vist på fig. 3. Fig. 13 er en perspektivskisse av en anemometertransduser i henhold til den foreliggende oppfinnelse og viser en niende utførelsesform som bruker to par sylindriske følerelementer, eller fire følerelementer for avføling av både fluidhastighet og retning. Fig. 14 er et oppriss i tverrsnitt av utførelsesformen på fig. 13 tatt langs linjen 14-14 og sett i retning av pilen. Fig. 15 er et grafisk polardiagram som viser retnings-responsen til anemometertransduseren som er illustrert på fig. 13.

Det vises nå til tegningene og spesielt til fig. 1 hvor tallet 10 generelt betegner en anemometertransduser av varmetapstypen som er konstruert i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Transduseren 10 omfatter to sylindriske, parallelle følerelementer eller -organer lia og. 11b, som er motstandsfølerelementer hvis lengder hovedsake-lig er større enn deres diameter. Følerorganene lia og 11b kan typisk ha en ytre diameter på 0,6 mm og en total lengde på 25 mm, og har dermed et lengde/diameter-forhold på nesten 42 til 1. Som vist på fig. 1 og 2 er elementene lia og 11b fysisk atskilt fra hverandre, og de er sammenføyd eller forbundet langs sin lengde til et sylindrisk bæreorgan med større diameter, vist med tallet 15, ved hjelp av et klebemiddel eller andre bro-midler 12a og 12b. Følerelementene lia og 11b er av samme konstruksjon, og de er termisk separerte.

Paret av følerelementer Ila og 11b er montert under og parallelt med et sylindrisk bæreorgan 15. Følerelementene lia og 11b har elektriske kontaktanordninger, henholdsvis 13a og 13b, og elektriske forbindelsesledninger, henholdsvis 17a og 17b, ved en ende og lignende kontaktanordninger 14a og 14b og forbindelsesledninger 16a og 16b ved den andre enden.

Bæreorganet 15 er vist som en stiv U-formet ledningstråd som kan være laget av belagt stål eller rustfritt stål. Bæreorganet 15 innbefatter det sentrale sylindriske hovedpartiet 15a og de to i ett stykke utformede endemonteringspartiene 15b og 15c. Endemonteringspartiene 15b og 15c er anordnet perpendikulært til det sentrale hovedpartiet 15a. Endemonteringspartiene 15b og 15c bærer transduseren 10 i

en operativ stilling. Hoveddelene av følerelementene lia og 11b er jevnt dekket med en motstandsfilm, og kontakt-anordningene 13a, 13b, 14a, 14b er laget av samme materiale for å unngå termoelementeffekter og derved hjelpe til å frembringe lavest mulig indre støynivå for transduseren. Forbindelsesledningene 16a, 16b, 17a og 17b er også konstruert av et materiale som er maken til det som brukes i ende-kontaktanordningene 13a, 13b, 14a og 14b for også å frembringe størst mulig signal/støy-forhold slik at det oppnås størst mulig dynamisk arbeidsområde. Det materialet som vanligvis brukes er glødet platinametall, selv om andre materialer slik som nikkel kan brukes. Alternative materialer som kan brukes i følerelementene lia og 11b er beskrevet i US patent nr. 3 352 154.

Fig. 2 illustrerer et typisk tverrsnitt gjennom en transduser 10 av den konstruksjon som er vist på fig. 1. Den relative dimensjon av delene til transduseren 10 vil bli for-stått ut fra det faktum at tverrsnittet av bæreorganets sentrale parti 15a er vist i en skala slik at diameteren til dette, som vist, er omkring 1,6 til 1,8 mm. Som vist på

fig. 2 er de to følerelementene lia og 11b understøttet aksi-

alt langs det stive bæreorganets midtparti 15a, som kan være av stål, belagt stål, rustfritt stål, plast, eller annet stivt materiale som er formet som på fig. 1, for å tilveiebringe en anordning for mekanisk montering og understøttelse av transduseren 10. Bæreorganet 15 utgjør også en anordning for aerodynamisk forstyrrelse av endestrømningen langs følerelementene lia og 11b som er montert direkte inne i bæreorganets 15 U-form og parallelt med det rettlinjede midtpartiet eller tverrstangen 15a. En typisk diameter for tverrsnittet av bæreorganet 15 er to eller tre eller flere ganger tverrsnittsdiameteren av følerorganene lia og 11b,

og med den konstruksjon som er vist på fig. 1 og 2 er diameteren omkring 1,6 til 1,8 mm. Virkemåten til hver leder i det retningsfølende paret av ledere lia og 11b vil være lik når innfallende strømning befinner seg innenfor det planet som defineres av aksen 21 til det U-formede bæreorganet 15 som på fig. 2 er vist som et vertikalplan.

Som vist på fig. 2 består avfølingselementet lia av et elektrisk ikke-ledende, hult,rørformet, ikke-porøst, ildfast, fint sylindrisk substratlegeme 18a av aluminiumoksyd, på hvis overflate det er uniformt avsatt en tynn film eller et belegg av platina 19a ved hjelp av brenning, sintring eller andre avsetningsmidler. Substratbærelegemet 18a kan være laget av andre passende materialer som er elektrisk ikke-ledende, slik som aluminiumsilikat eller anodisert alu-minium og andre keramiske materialer. Belegget 19a har et ytterligere lag 20a av smeltet kisel, glass, aluminiumoksyd, "Teflon" eller andre beskyttende materialbelegg som beskyt-ter metallfilmen 19a mot avskraping og slitasje. Typiske dimensjoner for substratlegemet 18a er en sylinderdiameter på o,6 mm, med en boringsdiameter på 0,3 mm og en lengde på fra omkring 25 mm til 30 mm. Tykkelsen av metallet 19a er typisk i størrelsesorden 2 til 10 mikron, og den kan variere i samsvar med den spesielle påføringsmetoden som er brukt. Et tett homogent belegg 19a med uniform kornstruktur vil vanligvis resultere i en film med lavere motstand for en gitt filmtykkelse. Følerelementet 11b er konstruert på samme måte som lia og de samme henvisningstall er brukt fulgt av bokstaven "b"..

En detaljert diskusjon av filmmaterialer og filmkon-struksjonsteknikker og -metoder finnes på sidene 358 til 365 i en bok med tittel "Resistance Temperature Transducers" av Virgil A. Sandborn, Colorado State University, utgitt i 1972 av The Metrology Press, Fort Collins, Colorado.

Som det fremgår best av fig. 2 blir kryss-strømning mellom følerelementene lia , 11b og bæreorganpartiet 15a forhindret ved bruk av forbindelsesbroene 12a og 12b. Materialet i broene 12a og 12b kan være et fleksibelt, termisk isolerende, klebrig materiale, slik som Dow Corning 732 silicongummilim som vulkaniserer ved romtemperatur og som tjener til å overlappe fast gapet mellom bæreorganpartiet 15a og følerelementene lia og 11b. "Teflon", siliconharpiks eller andre bro-materialer kan også brukes. Broene 12a og 12b kan også dannes ved å dyppe hele transduseren i flytende bro-materiale som deretter tillates å størkne. Siden ga-pene som skal fylles vanligvis har en bredde på mindre enn en millimeter, kan tverrsnittsformen av hver av broene 12a og 12b bestemmes av overflatespenningseffekter uten at det har noen ugunstig innflytelse på transduserytelsen.

Gapet mellom hvert av følerelementene lia og 11b og bæreorganpartiet 15a blir brukt til å forhindre for stort ikke-produktivt varmetap fra følerelementene til bæreorganpartiet 15a. Gapet sørger også for ikke-symmetrisk strøm-ning omkring paret med følerelementer lia og 11b, slik at det kan foretas en differensiell bestemmelse av strømnings-retningen. Gapet mellom følerelementet lia eller 11b og bæreorganpartiet 15a er vanligvis mindre enn diameteren av det respektive følerelementet. Avhengig av den maksimale hastigheten som skal måles i et gitt fluidum er det mulig å la være å bruke en forbindelsesbro 12a eller 12b hvis overflaten av følerelementet lia eller 11b er tilstrekkelig nær bæreorganet, slik at følerelementet er godt innenfor grense-laget for bærepartiet 15a og dermed forårsaker høy strømnings-motstand mellom bærepartiet 15a og følerelementet. Dette kan i seg selv forhindre koblingsstrømningen omkring føl-er-elementene lia og 11b, noe som er nødvendig for å kunne fore-ta en retningsbestemmelse. Den samme virkningen kan også oppnås ved hjelp av en modifikasjon av tverrsnittsgeometrien til det sentrale bærepartiet 15a. I alle tilfeller må det sørges for en utvetydig differanse i strømningen omkring paret med følerelementer Ila og 11b sammen med det sentrale bærepartiet 15a, slik at paret av følerelementer effektivt kan avføle en forskjell i strømning fra den ene eller den andre siden av transduseren 10.

Som vist på fig. 2 deler aksen 21 til det sentrale bærepartiet 15a vinkelen <p mellom følerelementaksene 22a og 22b i to. Vinkelen <p bør være stor nok til å forhindre følerelementet lia fra å komme i kontakt med følerelementet 11b og bør ikke overstige 60° for å forhindre følerelemen-tene lia og 11b fra å komme innenfor det stillestående området ved det sentrale bærepartiet 15a når det blir ventilert av strømning innenfor det planet som defineres av de parallelle aksene til følerelementene lia og 11b. For de viste proporsjoner hvor diameteren til det sentrale bærepartiet 15a er omkring tre ganger diameteren til følerele-mentene lia og 11b, er 30° en praktisk verdi av <p. Det sentrale bærepartiet 15a er typisk to til fire ganger diameteren av de enkelte følerelementene lia og 11b for å tilveiebringe konstruksjonsmessig stivhet og for å frembringe et betydelig turbulent spor som passerer over følerelementene lia og 11b når fluidstrømningen passerer over det sentrale bærepartiet 15a mot elementene lia og 11b.

Motstanden til platinafilmene 19a of 19b for en transduser 10 med de dimensjoner som er antydet ovenfor, er typisk i området fra 2 ohm til 6 ohm ved romtemperatur. Op-timal filmmotstand kan best bestemmes av karakteristikkene til den elektroniske styreenheten som brukes til å drive transduseren 10, og slike faktorer som tilgjengelig kraft-forsyningsspenning, type forsterkere som brukes, valgt ar-beidsmetode og lignende, kontrolleres alle av instrument-konstruktøren.

Et stort forhold mellom følerelementenes lia og 11b lengde og diameter til frembringe vinkelmessig følsomhet for luftstrømning eller fluidstrømning når strømningsvek-toren beveges vekk fra strømning perpendikulært til de sylindriske aksene til elementene lia og 11b. Retningsav-følingen blir utført av følerelementene lia og 11b etter-som innfallende strømning varierer over 360° i det planet som defineres av de parallelle aksene til følerelementene Ila og 11b. AvføLing av retningsfortegn kan bestemmes ved elektrisk måling av forandringen i relative motstandsverdier for hvert følerelement lia og 11b når de blir sammenlignet med hverandre i en bro-krets. En utmerket beskrivelse av denne teknikken er gitt på sidene 77 til 80 i boken "Hitz-draht- und Hitzfilmanemometrie", av Dr.Ing. Herbert Strickert, utgitt i 19 7 4 av VEB Verlag Technik, Berlin.

Fig. 3 er en perspektivtegning av en varmetapstransduser 10a av den type som er vist på fig. 1 og modifisert ved tillegg av et tredje sylindrisk følerelement eller -organ lic som er montert over og parallelt med bæreorganpartiet 15a på en slik måte at følerelementet lic har lik avstand fra og er parallelt med følerelementene lia og 11b.

Fig. 4 viser et tverrsnitt gjennom transduseren 10a,og de samme referansetall som er brukt til å beskrive utførelses-formen på figurene 1 og 2 er blitt brukt til å betegne de forskjellige delene av transduseren 10a. Følerelementet lic er litt lenger enn det rettlinjede sentrale stangpartiet 15a av bæreorganet 15, og det har kontaktanordninger 13c og 14c ved hver ende og forbindelsesledninger 17c og 16c på lignende måte som for elementene lia og 11b. Det er ikke brukt noen bro-midler som for retningsfølerelementene Ila og 11b> nemlig broanordningene 12a og 12b.

Det tredje følerelementet blir drevet som en fri sylin-der over sin lengde og virker derved som et hastighetsfølende element som har en retningsresponskarakteristikk, uten for-tegnsbestemmeIse, som er resultat av dets store lengde/dia-meterforhold på lignende måte som de enkelte sylindriske følerelementene lia og 11b. Strømninger fra motsatte ret-ninger over den frie sylinderen frembringer identiske resultater hvis følerelementet lic er uniformt fremstilt. Når hastighetsavfølingen utføres på denne måten så unngås ulikheter fra den ene siden til den andre når strømningen er rettet mot følerelementet lic fra alle vinkler innenfor planet som er parallelt med det planet som inneholder aksene til retningsparet lia og 11b. Resultatet er at det er mulig å oppnå utmerket overensstemmelse med en kosinuslov hvor maksimal utgang blir oppnådd når innfallende strømning er perpendikulær til aksen for følerelementet lic, og minimal utgang blir oppnådd når innfallende strømning er parallell

med den langsgående aksen til følerelementet lic.

Mekanisk understøttelse av det tredje følerelementet lic kan fremskaffes ved å feste dets ledningstråder 16c og 17c til bærebenene 15b og 15c ved hjelp av et bindemiddel maken til det som brukes for forbindelsesbroene 12a og 12b, hvor klebemiddelet blir påført ved begge ender av organet lic. Fig. 4 illustrerer et typisk tverrsnitt gjennom ane-mometeret 10a som er vist på fig. 3. Det ytterligere tredje følerelementet lic er vist understøttet over det sentrale bærepartiet 15a. En platinafilm 19c er påført et substrat 18c og blir beskyttet av en film eller et belegg 20c på samme måte som for følerelementene lia og 11b. Det skal bemerkes at det er et ikke fylt mellomrom mellom det tredje elementet lic og det sentrale bærelegemepartiet 15a. Trans-duserkonstruksjonen som er vist på fig. 4 tilveiebringer maksimal hastighetsfølsomhet med et minimum av varmetap til bæreorganet 15 ved ledning gjennom en broanordning. Fig. 5 illustrerer tverrsnittet av en modifisert tre-elementtransduser 10b som er den samme som transduseren loa på fig. 4, men med tillegg av en forbindelsesbro 12c mellom det tredje følerelementet lic og det sentrale bærepartiet 15a. De samme referansetall som er brukt på fig. 3 og 4,

er brukt for å betegne de forskjellige delene av transduseren 10b.

Fig. 6 illustrerer en annen utførelsesform av en transduser 10c med tre elementer hvor hastighetsfølerelementet som er vist som det øvre følerelementet lic i utførelses-formen på fig. 3, er erstattet av et langt fint trådføler-element 2 3c, som er vist forbundet til det sentrale bærepartiet 15a ved hjelp av et klebemiddel 12a. Trådføler-elementet 23c kan lages av ethvert passende materiale, slik som platina, wolfram, edelmetall-legeringer, nikkel og nik-kellegeringer. En platinatråd som har en diameter på 0,0254 mm med en lengde på 25,4 mm, vil ved romtemperatur ha en motstand på omkring 5 ohm. Visse av legeringene vil ha høyere motstand ved romtemperatur, men vil også ha lavere mots.tandstemperaturkoeffisienter enn det rene metallet. Wolfram er sterkere enn platina og det oksyderer litt, men har funnet utstrakt bruk i varmetrådsanemometere fordi det

er lett å skaffe i fintrukne dimensjoner. Broen 12c vil hjelpe til å understøtte det fine trådfølerelementet 23c.

Tråder med større diameter kan brukes så lenge konstruk-sjonen av den elektriske styreenheten er justert for å be-handle den betydelig lavere motstanden til følerelementet 23c. Retningsfølerelementene lia og 11b er vist i samme forhold som de som er beskrevet for utførelsesformen på fig. 1 og 2.

En utmerket diskusjon av anvendelse og fremstilling av varmetråder finnes i kapittel V i den tidligere nevnte bok "Resistance Temperature Transducers" av Virgil A. Sandborn, og kapittel 2 i den tidligere refererte bok "Hitzdraht-und Hitzfilmanemometrie" av H. Strickert, selv om den siste boken inneholder mindre praktisk informasjon enn den først-nevnte, men den er grundigere når det gjelder bruken og an-vendelsen av varmetråder og varmefilmer i anemometri. Fig. 7 illustrerer et tverrsnitt gjennom en modifisert transduser 10d med to elementer maken til transduseren 10 på fig. 1 og 2, men med trådfølerelementer 23a og 23b i stedet for filmfølerelementene lia og 11b. Ledningstråder 24a og 24b er festet til følertrådene 2 3a og 23b ved hver ende av disse ved hjelp av passende midler slik som ved sveising eller slaglodding. De samme referansetallene som er brukt på figurene 1 og 2, er brukt for å betegne de forskjellige delene av transduseren 10d. Det skal bemerkes at bruken av trådfølerelementer vil tillate en meget betydelig reduksjon av den totale transduserdimensjonen. Så lenge bæreorganet 15 har tilstrekkelig mekanisk styrke til å bære transdusergruppen, kan det brukes til å posisjonere de to følerelementene 2 3a og 2 3b med hensyn til hverandre. På grunnlag av de nåværende tilgjengelige tråddimensjoner og mikrofremstillingsteknikker kan det fabrikeres praktiske transdusere med dimensjoner som nærmer seg størrelsen av et riskorn. Fig. 8 illustrerer et tverrsnitt gjennom en modifisert treelementtransduser 10e som er den samme som transduseren 10b på fig. 5, men hvor trådfølerelementene 23a, 23b og 23c blir brukt til å erstatte filmfølerelementene lia, 11b og lic. De samme referansetallene som er brukt på figurene 5 og 7 er brukt til å betegne de forskjellige delene av transduseren 10e. Alle tre trådfølerelementene 23a, 23b og 2 3c er vist forbundet til det sentrale bærepartiet 15a ved hjelp av forbindelsesbroer 12a, 12b og 12c. Lednings-trådforbindelsene 24a, 2 4b og 2 4c er festet til de respektive trådfølerelementene 23a, 23b og 23c ved hver ende av disse ved hjelp av passende midler som sveising eller slaglodding. Ledningstrådene 24a, 24b og 24c kan være av samme materiale som trådfølerelementene.23a, 23b og 23c, men med en betydelig større diameter slik at de blir lettere å hånd-tere og slik at ledningsmotstanden reduseres. Fig. 9 illustrerer et tverrsnitt gjennom en modifisert tre-elementtransduser 10f som er den samme som transduseren 10a på fig. 4, men som bruker et enkelt filmfølerelement lic for hastighetsavføling og følertråder 23a og 23b for retningsavføling. De samme referansetall som brukes på figurene 4 og 7 blir brukt til å betegne de forskjellige delene av transduseren 10f.

Fig. 10 er en perspektivtegning av en filmtransduser

10g med to følerelementer som er en modifikasjon av transduseren 10 på fig. 1 og 2, og som er forsynt med et rettlinjet bæreorgan 15 istedet for det U-formede bæreorganet 15 på figurene 1 og 2. De samme referansetallene som brukes på figurene 1 og 2 blir brukt til å betegne de forskjellige delene av transduseren 10g. Aksial strømning langs lengden av det rettlinjede bæreorganet 15 vil generere et turbulent spor som i tilfellet med det U-formede bæreorganet 15, som er beskrevet foran. Bruken av et rettlinjet bæreorgan 15 egner seg også for tre-elementtransduseren på fig. 3, og også for bruk i forbindelse med trådfølerelementer istedet for filmfølerelementene. Bruken av flere transdusere 10g understøttet på og langs det samme rette bæreorganet 15

ville tillate profileringsanvendelser i mikroskala ved fluid-strømundersøkelser hvor det er ønskelig å undersøke den kon-tinuerlige retningsmessige oppførselen til fluidstrømningen omkring legemer, slik som testmodeller i vindtunneler.

Fig. 11 er et forenklet skjema over en elektrisk eksiterings- og utlesningskrets som kan brukes til å drive transdusere av typen med to elementer, slik som de som er vist på figurene 1, 7 og 10, og som kan brukes til å frembringe både hastighets- og retningssignaler fra den drevne transduseren. Retningsfølerparet av elementene lia og 11b, eller 23a og 23b er.vist forbundet som to grener i en Wheatstone-bro med fire grener som også dannes av motstander 25 og 26. Motstandene 25 og 26 blir brukt til å balansere broen når fluidmediet som omgir transduserne er i ro eller ikke har noen hastighet. Eksitering av broen på fig. 11 blir tilveie-brakt ved forbindelsene 29 og 30, og brobalanse mellom punktene 2 7 og 2 8 blir detektert og forsterket av en differensialforsterker 37 for å tilveiebringe et signal 38 som er et mål på graden av balanse eller ubalanse i retningsbroen. Signalet 38 viser ubalanse ved å svinge til enten negativ eller positiv polaritet når det ene eller det andre av de parede følerelementene lia eller 11b blir ventilert med en større hastighet. Broen som dannes av motstandene 25 og 26 sammen med paret av følerelementer lia og 11b, kan betraktes som en enkelt elektrisk motstand som igjen utgjør en arm i en andre Wheatstone-bro som dannes av en kraftmotstand 31

i serie med den første broen, eller retningsbroen, og av motstandene 32 og 33 som blir brukt til å balansere den andre broen ved et arbeidspunkt som bestemmes av verdiene av motstand 32 og 33. Den ene eller den andre av motstandene 32 eller 33 kan varieres når broen konstrueres, eller et poten-siometer eller en variabel motstand kan brukes i stedet for den ene eller den andre, men ikke for begge. Dette tillater operatøren å velge arbeidspunkt og instrumentfølsomhet. Forsterker 35 er en differnsialforsterker med en høy strøm-utmatning som blir tilbakekoblet i en lukket sløyfe til broen ved punkt 40. Inngangen til forsterker 35 blir tatt over broen ved punkter 30 og 34, og det må tas hensyn til fasene for å sikre at det brukes negativ tilbakekobling.

Differensialforsterker 36 er koblet over retningsbroen ved punktene 29 og 30, og den blir brukt til å bestemme fluid-hastigheten mot følerelementene lia og 11b som om de var et enkelt element. Følerelementene lia og 11b sammen med motstandene 25 og 26 virker for forsterker 36 som en enkelt motstandskilde som er følsom for enhver variasjon i bestand-delene. Følerelementene lia og 11b er i virkeligheten motstander med temperaturkoeffisient forskjellig fra null, og når det brukes platina i filmen har temperaturkoeffisienten en høy positiv verdi. Dette faktum tillater innstilling av verdiene av motstandene 32 og 33, slik at broens balanse-motstandsverdier for å balansere broen blir oppfylt når den totale serie-parallellmotstanden til retningsbroen tatt som en enkelt motstand sammen med kraftmotstand 31, begge balanserer mot motstandene 32 og 33 ved å ha de samme mot-standsforhold på begge sider av broen. Den aktive siden ut-gjøres av motstand 31 sammen med retningsbroen. Referanse-siden er sammensatt av motstandene 32 og 33.

Når følerelementene lia og 11b er kalde eller uvirk-somme, er deres motstand lavere enn deres arbeidsverdi, og ved å kontrollere deres arbeidsverdi ved fastsettelse av referansemotstandsforholdet kan de oppvarmede motstands-verdiene som kreves for å selvbalansere broen velges, idet alle blir styrt ved hjelp av negativ tilbakekobling gjennom forsterker 35 tilbake til broen ved punkt 40. Tilbakekob-lingssløyfene virker til automatisk å justere strømmen gjennom den totale bro-kombinasjonen inntil motstanden til føler-elementene lia og 11b oppnår den motstandsverdien som balanserer broen. En liten forskyvningsspenning må være tilstede ved utgangen fra forsterker 35 når kretsen først blir slått på og elementene er på omgivelsestemperaturen, slik at den lille brostrømmen som flyter som et resultat av forskyv-ningsspenningen er tilstrekkelig til å fremkalle et lite feilsignal mellom punktene 30 og 34 for således å tillate kretsen å slå seg selv på til en arbeidstilstand. Den forannevnte virkemåten er blitt beskrevet som en metode med konstant temperatur (konstant motstand) for varmetråd-eller varmefilmanemometerdriften.

I en typisk krets er motstanden til hvert av føler-elementene lia og 11b, 3,3 ohm ved romtemperatur. Det må tas visse forholdsregler når de temperaturfølsomme motstands-verdiene skal måles. Kraftmotstanden 31 er 2 ohm og den har en lav motstandstemperaturkoeffisient og adekvat fysisk dimensjon, slik at selvoppvarming ikke medfører særlig for-andring i dens nominelle motstandsverdi med varierende strøm-nivåer. For transduseren 10 på figurene 1 og 2 som er bygd i den målestokk som er antydet ved eksemplene, kan typiske

strømnivåer ved null hastighet være i området 0,1 ampére,

og ved maksimal strømning kan strømnivåer nær 1 ampére måles i ekstreme tilfeller. Motstand 32 er 499 ohm og kan være en presisjons film- eller trådviklet motstand. Verdier av motstandene 25 og 26 er 20000 eller 30000 ohm hver for å unngå unødvendig belastning på følerelementene lia og 11b. En verdi på omkring 22 45 ohm for motstand 33 vil få retnings-broens totale motstand til å stige til 9 ohm og derved balansere broen. Den resulterende overflatetemperaturen til følerelementene lia og 11b vil være i området fra 125 til 135°C.

Utgangen 38 er bipolar og indikerer hvilket følerelement lia eller 11b som vender mot den innfallende fluidstrømningen. Det følerelementet som vender mot strømningen vil bli brakt til å bli lavere i motstandsverdi enn følerelementet som vender vekk fra strømningen og som vil øke i motstand, mens deres totale seriemotstand forblir konstant. Utgangen 39

er unipolar og den tilveiebringer et mål på hastighet som er ikke-lineær og indikerer den varmemengde som tapes til den strømmende massen i fluidstrømmen.

Forsterkere 35, 36 og 37 kan være integrerte operasjons-forsterkere som blir drevet av positive og negative 12 eller 15 volt kraftkilder. Femten volt drift kan frembringe sig-naler på minst ti volt ved utgangene 38 og 39. Når to eller flere like broer som den på fig. 11 brukes med en sammen-stilling av to eller flere transdusere, må det tilveiebringes skikkelig jordings- og kraftforsyningskretser for å unngå uønsket kryss-tale mellom transdusere, og resulterende operas jonssvikt.

Fig. 12 er et forenklet skjema over en elektrisk eksi- x terings- og utlesningskrets som kan brukes til å drive tre-elementtransdusere slik som de som er vist på figurene 3,

5, 6, 8 og 9, og som kan brukes til å tilveiebringe både hastighets- og retningssignaler fra den drevne transduseren. Hovedforskjellen mellom kretsen på fig. 12 og kretsen på

fig. 11 er at retningsbroen, følerelementene lia og 11b og motstandene 25 og 26 er blitt fjernet fra den tilbakekoblede broen som nå utgjøres av det tredje hastighetsfølerelementet lic og motstander 31, 32 og 33. Retningsbroen er nå koblet til strømutgangen fra forsterker 35 ved forbindelsespunktet

40, og den virker som om den ble separat drevet som en konstant temperatur-transduser så lenge følerelementene har de samme motstandsverdier som beskrevet for kretsen på fig.11.

Virkemåten til kretsen på fig. 12 er maken til den

for kretsen på fig. 11. Imidlertid vil vindhastighetssig-nalet bli tilpasset mer nøyaktig fra side til side, siden følerelementet lic brukes for alle vindhastighetsmålinger istedet for to følerelementer lia og 11b, som aldri kan bli helt tilpasset slik at de blir identiske som passive motstander og som aktive varmeoverførende følerelementer. Det er denne mistilpasningen, uansett hvor liten, som forårsaker forskjellig følsomhet eller "lobe-ubalanse" når en kombinert grafisk polaropptegning av fluidhastighet- og retning, tatt ved konstant fluidhastighet, blir fremvist og undersøkt.

Fig. 13 er en perspektivskisse av en retningsfølende varmetapstransduser 10h av den typen som er vist på figurene 1 og 2, og som er modifisert med tillegg av et øvre annet par av sylindriske følerelementer eller organer lid og lie som er montert over og parallelt med midtpartiet 15a av bæreorganet 15. De samme referansetallene som er brukt på figurene 1 og 2 er brukt til å betegne de forskjellige delene av transduseren 10h. Følerelementene lid og lle er symmetrisk parallelle med følerelementene lia og 11b, selv om følerelementene lid og lle kan være mer eller mindre adskilt fra hverandre enn avstanden mellom følerelementene lia og 11b. Følerelementene lid og lle blir holdt på plass av små mengder klebemiddel 41a og 41b ved en ende av lederne og klebemiddel 42a og 42b ved den motsatte enden. Føler-elementene lid og lle er forsynt med elektriske kontaktanordninger 13d og 13e ved en ende og 14d og 14e ved den andre enden, og med tilhørende ledningstråder, henholdsvis 17d og 17e, og 16d og 16e.

Utelatelse av en kontinuerlig forbindelsesbro mellom følerelementene lid og lle og midtpartiet 15a av bæreorganet 15 sammen med justering av deres vinkelmessige posisjon omkring det sylindriske bæreorganet 15 kan med fordel brukes til å modifisere deres rommessige eller polare respons på fluidstrømning. Et følerelementpar som har blokkert eller forstyrret strømning over en del av sitt tverrsnitt vil vanligvis, for 360 graders plan strømning i et polardiagram frembringe en polar responskarakteristikk som er større enn en ideell kosinusfunksjon. For et følerelementpar som har fri strømning over sin omkrets er den generelle polare respons vanligvis mindre enn en ideell kosinusfunksjon. Disse karakteristikkene kan kombineres og behandles elektrisk for de anvendelser som krever den best mulige polare karakteri-stikk fra instrumenttransduseren. Fig. 14 illustrerer et typisk tverrsnitt for en transduser 10h som er vist på fig. 13. Det ytterligere paret med følerelementer lid og lle er vist understøttet over trans-duserkonstruksjonen på fig. 1. Selv om filmfølerelementer er vist for begge følerparene lia, 11b, Ild1og lle, kan det ene eller begge parene være konstruert av runde ledningstråder med massivt tverrsnitt. Bruk av trådfølgeelementer vil tillate fremstilling av betydelig mindre anemometertransdusere, siden dimensjonen av tilgjengelige praktiske keramiske oksydmaterialer sammen med iboende mekaniske styrke-begrensninger blir en faktor ved fremstilling av filmtransdusere. Reduksjon i dimensjonene til filmtransdusere kan utføres ved å bruke substratmaterialer i glass- eller kvarts-familiene. Fig. 15 er en grafisk opptegning av den polare retnings-responsen til anemometertransduseren 10h på fig. 13, hvor orienteringen av opptegningen er et riss sett ned mot transduseren 10h med responsplanet parallelt med planet som inneholder de parallelle aksene til retningsfølerelementene lia og 11b, eller retningsfølerelementene lid og lle. Den ideelle kosinus, 43, er opptegnet som to sirkler med radius R, en med positiv polaritet og en med negativ polaritet. Et eksempel på den responsen som kan ventes for et par føler-elementer lia og 11b som er forbundet ved hjelp av broer til et sylindrisk bæreorgan, er vist med kurve 45, hvor utgangen ligger utenfor den ideelle kosinusfunksjonen. Responsen for et uforbundet par med følerelementer lid og lle faller innenfor den ideelle kosinusfunksjonen og er vist ved kurven 44.

Claims (15)

1. Anemometertransduser av den retningsfølende varmetapstypen, omfattende: (a) minst to like, termisk og fysisk adskilte sylindriske elektriske motstandsledere, (b) hver av hvilke ledere har en lengde som minst er lik den største tverrsnittsdimensjonen til lederen, (c) et sylindrisk bæreorgan som er sentralt anordnet mellom og langs de to elektriske motstandslederne, (d) hvilket sylindriske bæreorgan har et rettlinjet midtparti og et monteringsparti ved hver ende av nevnte sentrale parti, (e) hvilke elektriske ledere er anordnet som et parallelt par med begrenset avstand og montert parallelt med og nær det rettlinjede midtpartiet av det sylindriske bæreorganet, (g) en varmeisolerende forbindende broanordning anbrakt mellom hver av de to elektriske motstandslederne og bæreorganets rettlinjede sentrale parti og som lukker mellomrommet mellom lederne og nevnte sentrale parti, for derved å forhindre fullstendig strømning omkring bare en av de elektriske motstandslederne uavhen-gig av den andre lederen, (h) hvilke to elektriske motstandsledere er understøttet av bæreorganets sentrale rettlinjede parti, og (i) hver av de elektriske motstandslederne er forsynt med elektriske kontaktanordninger, hvorved hver elektrisk motstandsleder kan oppvarmes elektrisk ved hjelp av en elektrisk strøm som sendes gjennom hver leder, karakterisert ved(f) at det rettlinjede midtparti av nevnte sylindriske bæreorgan er anordnet slik at et plan som inneholder de parallelle sentrale aksene for de to elektriske motstandsledere, ligger i avstand fra nevnte sentrale parti og er perpendikulær til et plan som inneholder den sentrale aksen til det sylindriske bæreorganet og er anbrakt mellom de to motstandslederne.

2. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at senteraksene til det sylindriske bæreorganet og de to elektriske motstandslederne definerer en spiss vinkel mellom senterlinjene gjennom hver av de elektriske motstandslederne og nevnte sylindriske bæreorgan sett i tverrsnitt.

3. Transduser ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at de elektriske motstandslederne er ledningstråder med massivt tverrsnitt.

4. Transduser ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver av de elektriske motstandslederne omfatter et hult, rørformet elektrisk ikke-ledende, ildfast sylindrisk substratbærelegeme som strekker seg over lederens lengde, og en ledende motstandsfilm med en motstands-temperaturkoeffisient forskjellig fra null festet til den ytre overflaten av substratlegemet, og som strekker seg over lengden av substratlegemet, og et overtrukket beskyttende belegg som strekker seg kontinuerlig over den ytre overflate av den ledende motstandsfilmen over hele dennes lengde.

5. Transduser ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at en tredje maken sylindrisk elektrisk motstandsleder er montert parallelt med de to førstnevnte motstandslederne og har lik avstand fra hver av de to førstnevnte motstandslederne, og ved at det sylindriske bæreorganets midtparti er anbrakt mellom den tredje sylindriske motstandslederen og de to førstnevnte motstandslederne.

6. Transduser ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at to andre sylindriske elektriske motstandsledere er montert overfor de to førstnevnte lederne slik at bæreorganets midtparti er anordnet mellom de to førstnevnte motstandslederne og de to andre motstandslederne.

7. Transduser ifølge krav 5, karakterisert ved at en varmeisolerende forbindende broanordning er anordnet mellom den tredje motstandslederen og nevnte sentrale bæreparti.

8. Transduser ifølge krav 5, karakterisert ved at den tredje motstandslederen ikke er forbundet med bæreorganets sentrale parti ved hjelp av broanordningen bortsett fra ved en-dene av den tredje lederen.

9. Transduser ifølge krav 7, karakterisert ved' at den tredje elektriske motstandslederen er en ledningstråd med massivt tverrsnitt og hver av de to førstnevnte elektriske motstandslederne omfatter et hult, rørformet elektrisk ikke-ledende, ildfast sylindrisk substratbærelegeme som strekker seg over lederens lengde, og en ledende motstandsfilm som har en motstands-temperaturkoef f isient forskjellig fra null og strekker seg over lengden av substratlegemet,- og et overtrukket beskyttende belegg som strekker seg kontinuerlig over den ytre overflaten av den ledende motstandsfilmen over hele dennes lengde.

10. Transduser ifølge krav 7 eller 8, karakterisert ved at de to førstnevnte elektriske motstandslederne er ledningstråder med massivt tverrsnitt, og den tredje elektriske motstandslederen omfatter et hult, rørformet elektrisk ikke-ledende, ildfast sylindrisk substratbærelegeme som strekker seg over lederens lengde, og en ledende motstandsfilm som har en motstands-temperaturkoeffisient forskjellig fra null, festet til den ytre overflaten av substratlegemet og som strekker seg over substratlegemets lengde, og et beskyttende belegg som kontinuerlig strekker seg over den ytre overflaten av den ledende motstandsfilmen over hele dennes lengde.

11. Transduser ifølge krav 6, karakterisert ved at en varmeisolerende forbindende broanordning er anordnet mellom nevnte andre to elektriske motstandsledere og bæreorganets sentrale part.

12. Transduser ifølge krav 11, karakterisert ved at de andre to elektriske motstandslederne er anbrakt nær det sentrale partiet av bæreorganet og ikke er forbundet med det sentrale parti ved hjelp av nevnte broanordning bortsett fra ved ledernes ender.

13. Transduser ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte sentralt anordnede sylindriske bæreorgan er en rett sylindrisk stav.

14. Transduser ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte sentralt anbrakte sylindriske bæreorgan er U-formet med monteringspartiet ved hver ende perpendikulært til midtpartiet.

15. Transduser ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at de to elektriske motstandsledere er plassert i det beskyttende le av det sentrale parti.