SE438741B - Anemometeromvandlare - Google Patents

Description

7910056-6 till kroppen, introduceras en aeradynaaiek "darr"-signal 1 den utgående riktningsbestämlande sensorsignalen för en li. ten infallsvinkel av det strölmanfle flnidet. I själva verket introduceras en variabel mängd av slunpartad turbulens till utsignalen från det riktningsavkännande ledarparet son funk- tion av infallavinkeln. Den minsta turbulensen intredncerae för strömning vinkelrätt mot onvandlarens huvudaxel. En ut- präglad strömning från ena eller andra sidan gör att det självbildade turbulenta baksuget svepa bort från omvandlar- elementen; Enligt uppfinningen används också en enkel cylindriek hastighetsaensor som del av mvandlaren, varigenom hastig» hetsaensorns svar från sida till sida blir idealiskt anpas- sat. Denna anpassning aker emedan samma speciella sensor en- vänds för alla hastighetenltningar.

Onvandlarens fysikaliska struktur är helt robust oeh _ den kan användas i fluider son är tätare än luft. När en- vandlaren använde i havsvatten eller sötvatten, anvlndl vel- ligtvis ledare med lägre arbetatemperaturer. Typiska arbete- temperaturer för omvandlaren i luft varierar från mindre in 25 K och mer än 150 K över ongivningntemperatur. Nlr omvand- laren används i vatten, lr typiska temperaturer 10 - 25 K över den omgivande vattentenperaturen. Här svåra miljöförf hàllanden förväntas och stora krav ställs på apperatene ro- busta konstruktion, kan man gär: något avkall på dean pres- tanda genom att använda det riktningsavklnnende paret av ledare ensamt för mätning av både hastighet och riktning. I ett sådant fall är det riktningsevkännande lederperet fysi- kaliskt monterat under den centrala bäretångena skyddande läside.

Anenometeronvandlaren enligt uppfinningen innefattar minst två lika, termiskt och fysikaliskt separerade rasisti- va elektriska ledare. Var och en av dessa ledare har en längd som är minst lika stor som dels största tvürsått. I en typ av utföringsforn enligt uppfinningen Olfattar var dnh en av de elektriska ledarna en ihålig, rörforsiç, elektriekt 7910056-6 oledande eldfast cylindrisk substratbärande kropp sträckan- de sig i ledarens längdriktning, en ledande motstândsfiln med en icke-nolltemperaturkoefficient för resistansen häftad till substratkroppens utsida och sträckande sig över dennas längd, och ett heltäckande ekyddsskikt som kontinuerligt sträcker sig över den ledande notatåndsfilnens utsida i hela dess längd. I en annan typ av utföringsform lr de elektriska ledarna trådar, med solida tvärsnitt. Ett cylindriskt bir- element är centralt placerat mellan och jämåides med de båda resiativa elektriska ledarna. Det cylindriska bärelementet kan vara rakt eller ha en rak mittsektion och två vinkelrltt bockade ben bildande en U-form. De elektriska ledarna är placerade som ett parallellt par som är begränsat separerae de och monterade parallellt ned och nära intill det cylind~ riska bärelementets raka mittsektion. En förbindningabrygge är placerad nellan var och en av de elektriska ledarna och det centrala stödet varvid det plan, som står vinkelrätt sot ett plan genes de båda ledarnas geometriska axlar, skär det centrala stödelenentets geometriska axel. Bryggan tillwa sluter runset mellan ledarna och det cylindriska stödelelsh- tet och förhindrar därigenom fullständigt strömming runt den ena ledaren oberoende av den andra. De båda ledarna asp- bärs på den skyddade llsidan av det cylindriska stödelesesn tet. Var och en av de elektriska ledarna lr försedd sed elektriska anslutningsergan, varigpnon varje ledare kan upphettas genom att elektrisk strån skickas genom varje le- dare. _ __ Föredragna utföringsferssr av aneseneteromvandlaren enligt uppfinningen skall nu beskrivas med stöd av de bifoga- de ritningarna.

Pig. 1 är en perspektivbild som visar en enligt prin- ciperna för uppfinningen frsmstllld aaesemsteronvandlare. _ Pig. 2 visar ett tvärsnitt genes anenosetersvandlaen enligt tig. 1, taget llags linjen 2-2. _ Fig. 3 är en perspektivbild ses visar es andra ntflw ingsfern av en enligt uppfinningen principer framställd 7910Û56~6 anemometeromvandlare som lr försedd med ett tredje cylind- riskt sensorelement som en separat hastighetseensort Pig. 4 visar ett tvärsnitt genom anemometeromvandlaren enligt fig. 1, taget längs linjen 4-4 i Eig. 3.

Pig. 5 viser i fivärenw; en tredje utfariegefern axe det tredje cylindriska sensorelementet är fysikaliskt före- nat med det mekaniska stödet.

Fig. 6 visar i tvärsnitt en fjärde utföringsform där det tredje cylindriska sensorelementet är en trådsensor i stället för en filnsensor.

Fige 7 visar i tvärsnitt en femte utföringefors där de riktningsevkännande sensorelenenten är trådar ietöllet för filmer.

Fige 8 visar i tvärsnitt en sjätte utföringsform där de tre sensorelementen är trådar istället för filmer.

Fig. 9 visar i tvärsnitt en sjunde utföringsforn där de riktningsavkännende sensorerna är trådar istället för filmer.

Fig. 10 är en perspektivbild visande en åttonde utför- ingsform av en enligt uppfinningens principer framställd ane- mometeromvandlare där ett rakt stángliknande stöd används i stället för ett format städ.

Fig. 11 är ett förenklat kepplingssehena som visar ex- citerings- och läskretsar för en omvandlare av den i fige X och 10 visade typen med två seneorelement.

Pig. 12 är ett förenklat kopplingsschema som visar ex- citerings- och läskretear för en omvandlare av den i fig. 3 visade typen med tre sensorelement.

Pig. 13 visar en nionde utföringsform av en enligt upp- finningens principer framställd anenometeromvandlare med tvâ par cylindriska sensorelement, eller fyra sensorelenent, för avkänning av både hastighet och riktning av ett fluidun.

Fig. 14 visar ett tvärsnitt genom den i fig. 13 visade anemometeromvandlaren längs linjen 14-14.

Fig. 15 är en polär graf för riktningsrespenleñ från den i fig. 13 visade anemometeromvandlaren.

I fig. 1 visas en enligt uppfinningens principer kon- _ 7910056-6 struerad anenoneteronvandlare 10. Denna omfattar två cylind- riska, parallella, elektriskt resistiva sensorer 11a och llh vilkas längder är väsentligt större än dianetrarna. Senso- rerna 11a och llb kan typiskt ha en ytterdianeter av 0,6 nn, med en total längd av 25 nn, vilket betyder att förhållan- det mellan längden och diametern är nästan 42:1. Son visas i fig. 1 och 2 är sensorerna 11a och 11b fysikaliskt skilda från varandra och över sin längd förbundna med ett lim eller annat bryggmedel 12a res?-12b. Sensorsrna lla och 11b är lika till sin konstruktion och termiskt separerade.

Sensorerna 11a och 11b är monterade på undersidan av ett cylindriskt stödorgan 15 och parallellt med detta. Sen- sorerna 11a och 11b är försedda med elektriska anslutnings~ organ 13a resp. 13b och elektriska anslutningstrådar 17a resp. 17b vid ena ändan, och liknande anslutningsorgan 14a resp. 14 b och anslutningstrâdar 16a resp. 16b vid den andra ändan.

Stödet 15 visas som en styv, U-formad tråd som kan vara framställd av pläterat stål eller rostfritt stål. Stödet 15 omfattar en central, cylindrisk kropp 15a och två inteire- rade ändmonteringsdelar 15b och 15c anordnade vinkelrätt mot den centrala kroppen 15a. Ändmonteringsdelarna 15b och 15c bär omvandlaren 10 i arbetsllge. Sensorernas 11a och 11b_ kroppar är likfornigt täckta med en resistiv fila, och an- slutningsorganen 13a, 13b, 14a, 14b är franst§llda~av sanna material för att eliminera termoelenenteffekter och dirige- nom bidra till att nedbringa omvandlarens brusnivå till ett minimum. Anslutningstrâdarna 16a, 16b, 17a, 17b består också av samma material som det som används i ändanslutningsorga- nen 13a, 13b, 14a, 14b, för att också ge största möjliga sig- nalbrusförhàllande och därigenom möjliggöra största möjliga dynamiska arbetsområde. Det vanligtvis använda materialet är utglödgad platina, fastän andra material såsom nickel kan användas. Alternativa material som kan användas för senso- rerna 11a och llb finns beskrivna i US patent nr 3 352 154.

Fig. 2 visar ett typiskt tvärsnitt för en anenometer- ?910Û56~e6 omvandlare 10 med den i fig. 1 visade konstruktionen. Den ~ relativa storleken av omvandlarens 10 delar kan förstås av det faktum att tvärsnittet av stödorganets centrala del 15: är ritad i en sådan skala att dess diameter, sådan den vi- sats, är ca 1,6 - 1,8 mm. Som visas i fig. 2 uppbära de bå- da sensorerna 11a Och 11b axiellt längs det stela stödorga- nets centrala del 15a, som kan bestå av stål, pläterat stål, rostfritt stål, plast eller annat stelt material som stöd för omvandlaren 10. Stödet 15 tillhandahåller också ett me- del för att aerodynamiskt störa ändflödet längs sensorerna 11a och 11b, som är monterade direkt inuti U-formen av stödet 15 och parallellt med den långsträckta centrala de- len eller tvärstàngen 15a. En typisk diameter på stödets 15 tvärsektion är twiæeller tre eller flera gånger större än sensorernas lla och 11b diametrar, och i den i fig. 1 och 2 visade konfigurationen är diametern ca 1,6 - 1,8 mm.

Operationen av varje ledare av det riktningsavkännande paret av ledare 11a och 11b kommer att vara lika när infallande flöde inryms inom det plan som definieras av axeln 21 av stödets 15 U-form och som i fig. 2 visas vara ett vertikal- plan. ' Som visas i fig. 2 består sensorelementet 11a av en elektriskt oledande substratkropp 18a Å form av ett tunt rör av tät aluminiumoxid, på vars yta utfällts en tunn film el- ler beläggning av platinametall 19a. Den substratbärande kroppen 18a kan vara framställd av andra lämpliga material som är elektriskt oledande, såsom aluminiumsilikat eller andra keramiska material, eller anodiserat aluminium. Be- laggningen 19; mu- efiu yeterligare skikt zoa av »man kisel- dioxid, glas, aluminiumoxid, TEFLON eller annat material för att skydda Jmetallfilmen 19a mot nötning. Typiska di- mensioner för substratkroppen 18: är en oylinderdiameter av 0,6 mm, med en hàldianeter av 0,3 mn, och en längd av en 25 eller 30 mm. Tjockleken av metallen 19a är typiskt av storleksordningen 2 - 10 Fm och kan variera alltefter den , använda beläggningsmetoden. Ett tätt homogent skikt 19a med 7910056-6 likformig kornstruktur ger vanligtvis bättre resultat i en film med mindre resistans för en given skikttjocklek. Sen- sorelementet 11b är uppbyggt på samma sätt som 11a, och san- ma hänvisningsbeteckningar har använts följda av den lilla bokstaven "b". ' I En detaljerad diskussion av skiktbildande material och skiktbildningstekniker återfinns på sidorna 358-365 i en bok betitlad "Resistance Temperature Transducers" av Virgil A.

Sandborn vid Colorado State University, 1972, Metrology Press, Fort Collins, Colorado, USA.

Som bäst ses i fig. 2, förhindras tvärströmning mellan sensorelementen lla, 11b och stödorganets mellandel 15a ge- nom användning av förbindelsebryggorna 12a üch 12b. Materia- let för bryggorna 12a och 12b kan vara ett böjligt, värme- isolerande, adhesivt material såsom Dow Corning 732, som är ett vid rumstemperatur vulkbart silikongumilim, som tjänar till att stadigt överbrygga gapet mellan stödorganets nel- landel 1Sa och sensorelementen 11a och 11b. TEFLON, silikon- plast eller andra bryggnaterial kan användas. Bryggorna I2a och 12b kan också formas genom att hela omvandlaren doppas i ohärdat bryggmaterial som sedan får hårda. Eftersom gapen som skall fyllas vanligtvis är mindre än 1 mm på tvären, kan tvärsnittsformen av var och en av bryggorna 12a och 12b bestämmas genom ytspänningseffekter utan ogynnsamt resultat för omvandlarens funktion.

Gapet mellan vanzoch ett av sensorelementen 11a, llb och stödorganets mellandel 15a används för att förhindra överdrivna improduktiva värneförluster från sensorelenenten till stödorganets mellandel ISa. Gapet tillhandahåller ock- så ett medel för osymmetrisk strönning runt sensorelement- paren 11a, 11b för att möjliggöra en differentiell bestäm- ning av strömningsriktningen. Gapet mellan sensorelenentet 11a eller 11b och stödorganets mellandel 15a är vanligtvis mindre än diametern av det respektive sensorelenentet. Bero- ende på den maximala hastighet som skall mätas i ett visst fluidum kan en förbindningsbrygga 12a eller 12b undvaras om 7910Û56~6 8 sensorelementew lla eller 12b yta befinner sig tillräckligt tätt intill stödet för att gott och väl ligga inuti stödde- lens 15a gränsskikt för att därigenom åstadkomma stort strömningsmotstànd mellan stöddelen 15a och sensorelementet.

Detta kan självt förhindra den anslutna strömning runt sen- sorelementen 11a och 11b som är nödvändig för att en bestån- ning av riktningen skall kunna göras. Samma effekt kan ock- så uppnås genom en ..modifikation 'av den centrala stödde- lens 15a tvärsnittsgecmetri. Under alla omständigheter måste en otvetydig ski1lnad_i strömningen runt de parade sensor- elementen 11a och 12b tillsammans med den centrala stödde- len 15a frambringas, så att paret av sensorelement effektivt kan avkänna en skillnad i strömningen från endera sidan av omvandlaren 10. _ Som visas i fig. 2 halverar den centrala stöddelens 15a axel 21 vinkeln Q mellan sensorelementens axlar 22a och 22b. Vinkeln 9 måste vara tillräckligt stor för att sensor- elementet lla skall_hindras från att komma i kontakt med sensorelementet 11b och får inte överstiga 600 för att sen- sorelementen lla och 11b skall hindras från att komma inom den centrala stöddelens 15a stagnationsområde när den venti- leras genom strömning i det plan som avgränsas av sensorele- mentens 11a och Ilb parallella axlar. För de visade propor- tionerna; där den centrala etöddelens 15a diameter är unge- fär tre gånger större än sensorelementens 11a och llb diamet- rar, är ett praktiskt värde för e = 3o°. nen centrala swa- delen 15a är typiskt 2 - 4 gånger större i diameter än de individuella sensorelementen 11a och llb, för att åstadkomma strukturell styvhet och för att alstra ett betydande turbu- lent baksug som sträcker sig över sensorelementen 11a och llb när fluidumströmmen passerar över den centrala stöddelen 15a mot elementen 11a och 11b. I För en omvandlare 10 i den ovan angivna skalan ligger platinaskiktens 19a och 19b resistans typiskt i området 2 - 6 ohm vid rumstemperatur. Den optimala skiktresistansen bestäms bäst genom karakteristiken av den elektroniska styr- 7910056-6 krets som används för att driva omvandlaren 10, och sådana faktorer som den tillgängliga matarspänningen, typerna av använda förstärkare, den valda arbetsmetoden och liknande, är alla under kontroll av instrumentkonstruktören.

Ett stort förhållande mellan sensorelementens lla och 11b längd och diameter ger vinkelkänslighet för luftens el- ler fluidets strömning när strömningsvektorn rör sig bort från strömming vinkelrätt mot elementens 11a och 11b geomet- riska axlar. Riktningsavkänning exekveras av sensorelemen- ten 11a och 11b när infallande strömning varierar över 3600 i det plan som begränsas av sensorelementens 11a och 11b parallella axlar. Riktningsteckenavkänning kan bestämmas genom elektrisk mätning av ändringen i relativa resistans- värden av varje sensorelement lla och 11b när de jämförs med varandra i en bryggkrets. En utmärkt beskrivning av denna teknik finns på sidorna 77-80 i boken "Hitzdrsht- und Hitz- filmanemometrie", Dr.Ing. Herbert Strickert, 1974, VBB Ver- lag Technik, Berlin..

Pig. 3 är en perspektivbild visande en omvandlare sv den i fig; 1 visade typen som modifierats genom tillsats av ett tredje cylindriskt sensorelement 11c som monterats ovan- för och parallellt med stöddelen 15a på sådant sätt att sen- sorelementet 11c befinner sig på samma avstånd från sensor- elementen lla och 11b och parallellt med dessa. Pig. 4 visar ett tvärsnitt genom omvandlaren lfla, och samma hänvisnings- beteckningar som använts för att beskriva utföringsformen enligt fig. 1 och 2 har använts för att beteckna de olika delarna av omvandlaren 10a, Sensorelementet 11c är obetyd- ligt längre än stödorganets 15 centrala del 15a, och det har anslutningsorgan 130 och 14c vid vardera ändan och anslut- ningstrádar 17c och 16c, på samma sätt som konstruktionen av sensorelementen 11a och 11b. Inga brygg- eller limförbin- dande medel används, såsom använts för de riktningsavkännan- de elementen lla och llb, dvs bryggorna 12a och 12b.

Det tredje sensorelementet 11c arbetar som en fri cy- linder över sin längd och fungerar därigenom som ett hastig- 7910056“6 10 I hetsavkännande element som har en riktningsresponskarakte- ristik, undantagandes teckenbestämning, som ett resultat av sitt stora förhållande mellan längd och diameter på i huvud- sak samma sätt som de individuella cylindriska sensorelemen- ten 11a och 11b. Strömning från motsatta riktningar tvärs över den fria cylindern ger identiska resultat om sensorele- mentet 11c är likformigt tillverkat. Användningen av en så- dan approach till hastighetsavkänning eliminerar eventuella olikheter från ena sidan till den andra när fluidumströmmen riktas mot sensorelementet 11c från alla vinklar inom det plan som är parallellt med det plan som innehåller riktning» paretslla och 11b axlar. Som ett resultat är det möjligt att uppnå utmärkt överensstämmelse med en cosinus-lag där maximal uteffekt uppnås när infallande strömning går vinkel- rätt mot sensorelementets llc axel, och minimal uteffekt uppnås när infallande strömning går parallellt med sensor- elementets llc längdaxel.

Mekaniskt stöd kan åstadkommas för det tredje sensor- elementet 11c genom att dess ledningstrådar 16c och 17c fastgörs på stödbenen 15b och 15c med hjälp av ett lim lik- nande det som använts för förbindningsbryggorna 12a och 12b, där limmet anbringas vid vardera ändan av sensorele- mentet llc.

Fig. 4 visar ett typiskt tvärsnitt för den riktningsav- kännande anemometern 10a av den i fig. 3 visade typen. Det tillkomma tredje sensorelementet llc visas uppburet ovanför den centrala stöddelen 1Sa. Ett platinaskikt 190 är utfällt på ett substrat 18c och skyddas av en beläggning 200 på samma sätt som för sensorelementen 11a och 11b. Det skall noteras att det finns ett ofyllt rum mellan det tredje sen- sorelementet 11c och den centrala stöddelen 15a. Den i fig. 4 visade konstruktionen sörjer för maximal hastighetskänslig- het med ett minimum av förlust i värmeeffekt till stödorga- net 15 genom värmeledning över en brygga.

Fig. 5 visar ett tvärsnitt genom en modifierad omvand- lare 10b med tre sensorelement. Omvandlaren 10b är lika ol- 7910056-6 11 vandlaren 10a enligt fig. 4 men med tillägget av en förbind- ningsbrygga l2c mellan det tredje sensorelementet llc och den centrala stöddelen 15a. Samma hänvisningsbeteckningar som använts i fig. 3 och 4 används för att beteckna de olika delarna av omvandlaren 10b.

Fig. 6 visar en annan utföringsform av en omvandlare 10c med tre sensorelement, varvid det sensorelement som vi- sats som det översta sensorelementet llc i utföringsformen enligt fig. 3 ersatts med ett sensorelement 23c i form av en lång fin tråd, som med hjälp av en brygga av ett limmedel 12c fastgjorts vid den centrala stöddelen 15a. Sensorelementtrâ- den 23c kan framställas av vilka lämpliga material som helst, t.ex. platina, volfram, ädelmetallegeringar, nickel, och nickellegeringar. En platinatràd med en diameter av 0,0254 mm och en längd av 25,4 mm har en resistans av ca S ohm vid rumstemperatur. Vissa av legeringarna kommer att ha hög- re resistans vid rumstemperatur men kommer också att ha läg- re temperaturkoeffieienter för resistansen än den rena me- tallen. Volfram är starkare än platina, och det oxideras nâ- got, men har funnit stor användbarhet i varmtrádsanemomet- rar på grund av lättheten att dra fina trådar. Bryggan 120 kommer att materiellt medverka till att stöda den fina een- sorelementtráden 23c. Trådar med större diametrar kan använ- das så länge som den elektriska styrkretsen är inställd för att anpassas till sensorelementets 23c väsentligt minskade resistans. De riktningsavkännande elementen lla och llb vi- sas i samma samband som beskrivits för utföringsformen enligt fig. 1 och 2.

En utmärkt diskussion av varmtrådstillämpning och fab- rikation återfinns i kapitel 5 i den ovannämnda boken "Re- sistance Temperature Transducers" av Virgil A. Sandborn, och i kapitel 2 i den ovannämnda boken Wflitzdraht- und Hitzfilmanemometrie" av H. Strickert, fastän den sistnämnda boken innehåller mindre praktisk information än den först- nämnda boken men mer utförligt förklarar användningen och tillämpningen av varma trådar och varma skikt i anemometrar. 7910056-'6 12 Fig. 7 visar ett tvärsnitt av en modifierad tvåelement- omvandlare 10d som är densamma som omvandlaren 10 enligt fig. 1 och 2 men med skiktsensorelementen 11a och 11b ersat- ta med trådsensorelement 23a och 23b. Ledningstrådar 24a och 24b är fastgjorda vid sensorfiràdarna 23a resp. 23b vid vardera ändan därav, t.ex¿ genom svetsning eller lödning.

Samma hänvisningsbeteckningar som använts i fig. 1 och 2 används här för att beteckna de olika delarna av omvandlaren 10d. Framhållas bör att användningen av trådformiga sensor- element gör det möjligt att betydligt minska omvandlarens storlek. Så länge som stödorganet 15 har tillräcklig meka- nisk integritet för att uppbära gruppen av omvandlare, kan det användas för att positionera de båda sensorelementen 23a och 23b i förhållande till varandra. Tack vare de för närvarande tillgängliga trådstorlekarna och möjligheterna till mikrotillverkning, kan miniomvandlare tillverkas med storlekar som närmar sig ett risgryns storlek.

Fig. 8 visar ett tvärsnitt av en modifierad treelement- omvandlare 10a, som är samma som omvandlaren 10b enligt fig. S men där trådformade sensorelement 23a, 23b och 230 ersatt filmsensorelementen 11a¿ llb och 11c. Samma hänvis- ningsbeteckningar som använts i fig. 5 och 7 används för att beteckna omvandlarens 10e olika delar. Alla tre trådsen- sorelementen 23a, 23b och 23c visas förbundna med den cent- rala stöddelen 15a med förbindelsebryggor 12a, 12b och 12c.

Trådanslutningar 24a, 24b och 24c är förbundna med de res- pektive trådsensorelementen 23a, 23b och 23c vid varje ända därav, t.ex. genom svetsning eller lödning. Trådledarna 24a, 24b och 240 kan vara av samma material som trådarna av sen- sorelementen 23a, 23b och 23c, fastän med väsentligt större diameter för att underlätta hanteringen och minska trådre- sistansen.

Pig. 9 visar ett tvärsnitt av en modifierad treelement- omvandlare 10f, som är samma som omvandlaren 10a enligt fig. 4 men som använder ett enda filmsensorelement 11c för has- tighetsavkänning, och sensortrådar 23a och 23b för riktning* '7910056-6 13 avkänning. Samma hänvisningsbeteckningar som använts i fig. 4 och 7 används för att beteckna omvandlarens 10f olika delar.

Fig. 10 visar i perspektiv en filmomvandlare 10g av dubbeltyp, som är en modifikation av omvandlaren 10 enligt fig. 1 och 2, och som är försedd med ett rakt stödorgan 15 istället för det U-formade trådstödorganet 15 enligt fig. 1 och 2. Samma hänvisningsbeteckningar som använts i fig. 1 och 2 används för att beteckna omvandlarens 10g oli- ka delar. Axiell strömning längs det raka stödorganet 15, liksom tvårströmning över det raka stödorganet 15, kommer att alstra turbulent baksug liksom fallet är med det ovan beskrivna U-formade trådstödet ISQ Användningen av ett rakt stödorgan 15 lämpar sig också för trippelelementomvandlaren enligt fig. 3, liksom också användningen av sensorelement med trådar istället för skiktsensorelementen. Användningen av flera omvandlare 10g som uppbärs på samma raka stödorgan i dess längdriktning skulle tillåta undersökningar av kon- tinuerliga strömningsprofiler hos ett fluidum som strömmar runt kroppar, t.ex. försöksmodeller i en vindtunnel.

Fig. 11 visar ett förenklat kopplingsschema för en elektrisk exciterings- och läskrets som kan användas för att driva dubbelelementomvandlarna, t.ex. dem som visats i fig. 1, 7 och 10, och som kan användas för att producera både hastighets- och riktningssignaler från den drivna om- vandlaren. Det riktningsavkännande paret av element lla och 11b, eller 23a och 23b, visas kopplade som två armar av en fyrarmad Wheatstonebrygga i vilken också ingår två motstånd 25, 26. Motstânden 25, 26 används för att balansera bryggan när fluidet som omger omvandlaren befinner sig i vila eller vid hastigheten noll. Excitering för bryggan i fig. 11 àstadkommes vid kopplingspunkterna 29, 30, och bryggbalans mellan kopplingspunkterna 27 och 28 detekteras och förstärks av en differentialförstärkare 37, vars utsignal 38 är ett mått på riktningsbryggans grad av balans eller obalans. Sig- nalen 38 visar obalans genom att svänga till antingen ppsi- 791005656 14 tiv eller negativ polaritet när det ena eller andra av paret sensorelement 11a eller 11b ventileras vid en större hastig- het. Den av motstånden 25,26 tillsammans med paret av sen- sorelement 11a och 11b bildade bryggan kan betraktas som ett enda motstånd, som i sin tur bildar ena armen av en andra Wheatstonebrygga, som bildas av ett motstånd 31 kopplat i serie med den första Wheatstonebryggan,.eller riktningsbryg- gan, och av motstånd 32 och 33 för att balansera den andra bryggan vid en arbetspunkt som bestäms av värdena på mot- stånden 32 och 33. Det ena eller andra motståndet 32, 33 kan varieras åt gången, eller också kan ett variabelt mot- stånd användas för det ena eller andra, men inte båda. Detta möjliggör val av arbetspunkt och känslighet för instrumen- tet, Förstärkaren 35 är en differentialförstärkare med en hög strömavgivning som i sluten krets återkopplas till brygg- punkten 40. Insignalen till förstärkaren 35 uttas över brygg- punkterna 30 och 34, och uppmärksamhet måste ägnas åt fas- inställningen för att tillförsäkra att negativ återkoppling används._ Differentialförstärkaren 36 är kopplad över riktninga- bryggan i punkterna 29 och 30, och den används för att be- stämma fluidumhaltigheten mot sensorelementen 11a och 11b som om de vore ett enda element. Sensorelementen Ila och llh tillsammans med motstànden 25 och 26, uppträder på förstär- karen 36 som en enda resistanskälla som är känslig för varje variation i sina ingående delar. Sensorelementen 11a och 11b är i själva verket motstånd med icke-nolltemperaturko- efficient, och när platina används för skiktet, har tempe- raturkoefficienten ett högt positivt värde. Detta faktum möjliggör inställningen av motståndens 32 och 33 resistan- ser på sådant sätt att de för bryggbalans erforderliga resi- stansvärdena är satisfierade när riktningsbryggans totala serie-parallell-resistans, tagen som en enda resistans, U tillsammans med motståndets 31 resistans, båda balanseras mot motstândens 32 och 33 resistanser genom att ha samma re- sistansförhållanden på vardera sidan av bryggan. Den aktiva 7910056-6 15 sidan består av motståndet 31 tillsammans med riktningsbryg- gan. Referenssidan består av motstånden 32 och 33.

När sensorelementen lla och 11b är kalla eller ur funk- tion, är deras resistans lägre än deras arbetsvärde, och vid inställning av deras arbetsvärde genom inställningen av re- ferensresistansförhållandet, kan man välja de upphettade resistansvärden som erfordras för bryggans självbalansering, varav allt regleras genom negativ återkoppling genom för- stärkaren 35 tillbaka till bryggpunkten 40. Återkopplings- kretsen fungerar för att automatiskt inställa strömmen ge- nom den totala bryggkombinationen tills sensorelementens lla, 11b resistans uppnår det värde som balanserar bryggan. En liten förskjutning av spänningen måste finnas på förstärka- rens 35 utgång när kretsen i början inkopplas och sensor- elementen befinner sig vid omgivningstemperatur, så att den ringa bryggström, som flyter på grund av förskjutnings- spänningen, är tillräcklig för att alstra en liten felsig- nal mellan punkterna 30 och 34 varigenom kretsen automa- tiskt inkopplas på operativt tillstånd. Det ovan beskrivna arbetssättet har förklarats som en konstanttemperaturmetod (konstant resistans) för varmtråds- eller varmfilms-anemome- terna drift.

I en typisk krets är resistansen av vart och ett av sensorelementen 11a och 11b 3,3 ohm vardera vid rumstempera- tur. Försiktighet måste iakttas när de temperaturkänsliga 7 motstàndsvärdena skall mätas. Bffektmotstândet 31 har en resistans av 2 ohm, och det har en låg temperaturkoeffici- ent för resistansen, och tillräcklig fysikalisk storlek så att självupphettning inte åstadkommer någon påtaglig föränd- ring i dess nominella resistansvärde med varierande ström- nivåer. För omvandlaren 10 enligt fig. 1 och 2, som är byggd i den i exemplen angivna skalan, kan typiska strömnivåer för ett fluidum i vila ligga i 0,1-ampereområdet, och vid maxi- mal strömning skulle strömnivåer i ett extremt fall kunna uppmätas nära 1 ampere. Motståndet 32 har en resistans av 499 ohm och kan vara ett precisionsmotstànd av filmtypen el- 7910056-6 16 ler den trådlindade typen. Resistansvärden för motstånden 25 och 26.är 20 000 eller 30 000 ohm vardera för undvikande av onödig belastning av sensorelementen 11a och 11b. Ett värde av ca 2 245 ohm för motståndet 33 gär att riktninga- bryggans totala resistans stiger till 9 ohm så att bryggan blir balanserad. Sensorelementens 11a och 11b resulterande yttempevatur kommer att ligg; i området 125 _ 135°c.

Utsignalen 38 är bipolär och anger vilket sensorele- ment, 11a eller 11b, som träffas av den infallande fluidum- strömmen. Det av fluidumströmmen träffade sensorelementet kommer att få en lägre resistans än det längst bort från fluidumströmmen befintliga sensorelementet, vars resistans ökar, medan deras totala serieresistans håller sig konstant.

Utsignalen 39 är enpolär och ger ett mått på en hastighet som är olinjär och visar mängden värmeförluster till det strömmande fiuideu. i i Förstärkarna 35, 36 och 37 kan vara operationsförstärka- re i en integrerad krets som drivs från positiva och negati- va 12 V eller 15 V strömkällor. 15 V drift kan ge minst 10 V signalsvängningar vid utgångarna 38 och 39. När två eller flera bryggkretsar liknande dem i fig. 11 används tillsam- mans med en grupp av två eller flera omvandlare, måste en korrekt jordnings- och strömförsörjningskrets anordnas för att förhindra oönskad överstörning mellan omvandlarna och därav följande funktionsoduglighet.

Pig. 12 visar ett förenklat kopplingsschema för en ex- citerings- och läskrets som kan användas för att driva trip- pelelementomvandlare, t.ex. dem som visas i fig. 3, 5, 6, 8 och 9, och som kan användas för att producera både hastig- hets- och riktningssignaler från den drivna omvandlaren.

Huvudskillnaden mellan kretsen enligt fig. 12 och kretsen enligt fig. 11 är att riktningsbryggan, sensorelementen 11: och 11b och motstånden 25 och 26 utgått från den återkopp- lingsstyrda bryggan, som istället bildas av det tredje has- tighetsavkännande elementet 11c och motstånden 31, 32 och 33. Riktningsbryggan är kopplad som en sekundärkrets till 7910056-6 17 förstärkarens 35 strömuttag vid kopplingspunkten 40 och arbe- tar som om den drevs separat som en konstanttemperaturomvand- lare så länge som sensorelementen har samma ohmvärden som be- skrivits för kretsen enligt fig. 11.

Operationen av kretsen enligt fig. 12 liknar den av kretsen enligt fig. 11. Vindhastighetssignalen kommer emel- lertid att bli mera noga anpassad från sida till sida, efter- som sensorelementet 11c används för alla vindhastighetsmät- ningar, istället för att två sensorelement 11a och Ilb, som aldrig kan bli helt anpassade för att vara identiska som pas- siva motstånd och som aktiva sensorelement för värmeöverför- ingen. Det är denna missanpassning, hur liten den än kan va- ra, som orsakar olika känslighet eller "lob-obalans" när en kombinerad polär graf för fluidets hastighet och riktning, tagen vid konstant fluidumhastighet, presenteras på bild- skärm och inspekteras. _ Fig. 13 är en perspektivbild visande en anemometerom- vandlare 10h av den i fig. 1 och 2 visade typen och som modi- fierats genom tillägget av ett övre andra par av cylindriska sensorelement 11d och Ile, som monterats ovanför och paral- lellt med stödets 15 centrala del 15a. Samma hänvisningsbe- teckningar som använts i fig. 1 och 2 används för att beteck- na omvandlarens 10h olika delar. Sensorelementen 11d och 11e är symmetriskt parallella med sensorelementen 11a och 11b, fast sensorelementen 11d och 11e kan vara mer eller mindre skilda från varandra än avståndet mellan sensorelementen 11a och 11b. Sensorelementen 11d och Ile är med små mängder lim 41a och 41b fastgjorda vid ledarnas ena ända och med lim 4Za och 42b vid motsatta ändan. Sensorelementen lld och 11e är försedda med elektriska anslutningar 13d och 13e vid ena än- dan och 14d och 14e vid den andra ändan, och med anslutna ledningstrådar 17d och 17e resp. 16d och 16e.

Utelämnandet av en sammanhängande förbindelsebrygga mel- lan sensorelementen 11d och 11e, och stödets 15 centrala del 15a, tillsammans med inställningen av deras vinkelläge runt det cylindriska stödet 15 kan på fördelaktigt sätt användas 7910056-6 18 för att modifiera deras rymdrespons eller polära respons för fluidumströmning. Ett sensorelementpar, som har blocke- rad eller avbruten strömning över en del av sitt tvärsnitt, kommer för 3600 plan strömning i allmänhet att i en pdfir graf ge en polär responskarakteristik som är större än en idealisk Cosinusfunktion. För ett sensorelementpar med fri strömning över sin periferi blir den generella polära res- ponsen vanligtvis mindre än en idealisk Cosinusfunktion. Des- sa egenskaper kan kombineras elektriskt och bearbetas för sådana tillämpningar som kräver bästa möjliga polära karakte- ristik från instrumentomvandlaren.

Fig. 14 visar ett typiskt tvärsnitt för en anemometer- omvandlare 10h av den i fig. 13 visade typen. Det tillkom- mande paret av sensorelementen 11d och 11e visas uppburna ovanför omvandlarkonstruktionen enligt fig. 1. Fastän film- sensorelement visas för båda paren, kan paret 11a, 11b till- sammans med paret 11d och 11e, vart för sig eller båda, vara konstruerade av runda trådar med solitt tvärsnitt. Använd- ningen av tràdsensorelement gör det möjligt att tillverka väsentligt mindre anemometeromvandlargrupper, eftersom stor- leken av tillgängliga keramiska oíidmaterial tillsammans med inneboende begränsningar med avseende på den mekaniska håll- fastheten blir en faktor vid tillverkningen av filmomvandla- re. En minskning av storleken av filmomvandlare kan åstad- kommas genom användning av underlagsmaterial av glas eller kvarts.

Fig. 15 är en graf visande den polära riktningsrespon- sen för anemometeromvandlaren 10h enligt fig. 13, där gra- fens orientering är en vy sedd nedifràn och upp mot omvandla- ren 10h med responsplanet parallellt med det plan som inne- håller sensorelementens 11a och llb eller sensorelementens 11d.och Ile parallella axlar. Den idealiska Cosinusfunktio- nen 43 är ritad som två cirklar med radien R, den ena med po- sitiv och den andra med negativ polaritet. Ett exempel på den respons som kan förväntas för ett par sensorelement 11a och llb, som över en brygga är förbundna med det cylindris- 7910056-6 19 ka stödet, visas med kurvan 45, där utsignalen ligger utan- för den idealiska Cosinusfunktionen. Responskurvan för ett par sensorelemenfi lld och 11e, äom inte är förenade med stö- det över en brygga, faller innanför den idealiska Cosinus- funktionen, och visas med kurvan 44.

Claims (19)

1. v91oose~6 20 _,..,___._.. .._.__.. _ 7-., f v, .l _..___,__._.,_.A ___, Patentkrav 1. lusttyp, (a) minst två lika, termiskt och fysikaliskt separerade cylindriska resistiva elektriska ledare(11a, 11b; 23a, 23b); (b) att var och en av ledarna har en läncd som är minst Anemometeromvandlare av riktningskännande värmeför- k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar: lika stor som ledarens största tvärmått; (c) att ett cylindriskt stödorgan (15) är placerat centralt mellan och långsides med de två resistiva elektriska ledarna (11a, 11b; 23a, 23b); (d) att det cylindriska stödorganet (15) har en rak central del (15a) och en monteringsdel (15b,15c) vid varje ände av den centrala delen: (e) att de elektriska ledarna (11a,11b; 23a,23b) är an- ordnade som ett parallellt par, som är begränsat skilda från och monterade parallellt med och nära intill det cylindriska stödorganets (15) raka centrala del (15a): (f) att det cylindriska stödorganets raka centrala del (15a) är placerad på sådant sätt, att ett plan, som inne- håller de båda elektriska ledarnas (11a,11b; 23a,23b) parallella centrumaxlar, befinner sig på avstånd från det cylindriska stödorganets centrala del (15a) och är vinkel- rätt mot ett plan, som innehåller det cylindriska stödorga- nets centrala axel och är beläget mellan de båda ledarna; (g) en mellan var och en av de båda resistiva elektriska ledarna (11a, 11b; 23a, 23b) och stödorganets centrala del (15a) placerad värmeisolerande förbindningsbrygga (12a,12b), som tillsluter mellanrummet mellan de resistiva elektriska ledarna och stödorganets raka centrala del (15a) för att fullständigt förhindra strömning runt den ena ledaren o- beroende av den andra; (h) att de båda resistiva elektriska ledarna (11a,11b; 23a,23b) uppbärs av stödorganets raka centrala del (15a): och (i) att var och en av de resistiva elektriska ledarna (11a,11b; 23a;23b) är försedd med elektriska anslutningš- organ (13a,13b, 14a,14b, 16a, 16b, 17a, 17b; 24a, 24b), 7910056-6 21 varigenom varje resistiv elektrisk ledare kan upphettas elektriskt av en elektrisk ström som skickas genom varje ledare.

2. Anemometeromvandlare enligt krav 1, k ä n n e ~ t e c k n a d a v att det cylindriska stödorganets (15) och de resistiva elektriska ledarnas (11a,11b; 23a,23b) geometriska axlar, sett i tvärsnitt, bildar spetsig vinkel mellan centrumlinjer (22a,22b) genom var och en av de re- sistiva elektriska ledarna och det cylindriska stödorganet.

3. Anemometeromvandlare enligt krav 1 eller 2, k ä n- n e t e c k n a d a v att de båda resistiva elektriska ledarna (23a, 23b) är trådar med solitt tvärsnitt.

4. Anemometeromvandlare enligt krav 1 eller 2, k ä n- n e t e c k n a d a v att var och en av de resistiva elektriska ledarna (11a, 11b) omfattar en ihålig, rörformig, oledande, eldfast, cylindrisk substratbärande kropp (18a, 18b) sträckande sig utefter ledarens längd, och en konduktiv resistansfilm (19a, 19b) med en icke-nolltemperatur-koeffi- cient för resistansen häftad vid substratkroppens utsida och sträckande sig över dess längd, och ett heltäckande skyddsskikt (20a, 20b), som sträcker sig kontinuerligt över den konduktiva resistansfilmens (19a,19b) utsida över hela dess längd.

5. Anemometeromvandlare enligt krav 1, 2, 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a d a v att den omfattar en tredje likadan cylindrisk resistiv elektrisk ledare (11c;23c), som är monterad parallellt med och på lika avstånd från de båda förstnämnda resistiva elektriska ledarna (11a, 11b; 23a, 23b), och att det cylindriska stödorganets (15) centrala del (15a) är placerad mellan den tredje cylindriska re- sistiva elektriska ledaren och de båda förstnämnda resi- stiva elektriska ledarna.

6. Anemometeromvandlare enligt krav 5, k ä n n e - t e c k n a d a v att en värmeisolerande förbindnings- brygga (12c) är placerad mellan den tredje resistiva 1 elektriska ledaren (23c) och stödorganets centrala del (15a). ._791oos6-6 22_i__r, ___huJ“ _

7. Anemometeromvandlare enligt krav 5, k ä n n e - t e c k n a d a v att den tredje resistiva elektriska ledaren (11c) är obryggad till stödorganets centrala del (15a) genom förbindningsbrygga utom vid ledarens ändar.

8. Anemometeromvandlare enligt krav 6 eller 7, k ä n- n e t e c k n a d a v att de tre elektriska ledarna (23a, 23b, 23c) är trådar med solitt tvärsnitt.

9. Anemometeromvandlare enligt krav 6 eller 7, k ä n- n e t e c k n a d a v att var och en av de tre resistiva elektriska ledarna (11a,11b,1ic) omfattar en ihålig, rör- formig, oledande, eldfast, cylindrisk substratbärande kropp (18a,18b,18c) sträckande sig utefter ledarens längd, och en konduktiv resistansfilm (19a,19b,19c) med en icke-noll- temperatur-koefficient för resistansen häftad vid substrat- kroppens utsida och sträckande sig över dess längd, och ett heltäckande skyddsskikt (20a, 20b, 20c), som sträcker sig kontinuerligt över den konduktiva resistansfilmens utsida över hela dess längd.

10. Anemometeromvandlare enligt krav 6, k ä n n e - t e c k n a d a v (a) att den tredje resistiva elektriska ledaren (23c) är en tråd med solitt tvärsnitt; och (b) att var och en av de båda förstnämnda resistiva elektriska ledarna (11a,11b) omfattar en ihålig, rörformig, oledande, eldfast, cylindrisk substratbärande kropp (18a, 18b) sträckande sig utefter ledarens längd, och en konduk- tiv resistansfilm (19a, 19b) med en icke-nolltemperatur- koefficient för-resistansen häftad vid substratkroppens ut- sida och sträckande sig över dess längd, och ett heltäckan- de skyddsskikt (20a,20b), som sträcker sig kontinuerligt över den konduktiva resistansfilmens utsida över hela dess längd.

11. Anemometeromvandlare enligt krav 6 eller 7, k ä n- n e t e c k n a d a v : (a) att de båda förstnämnda resistiva elektriska ledar- na (23a, 23b) är trådar med solitt tvärsnitt;och 7910056-6 25 (b) att den tredje resistiva elektriska ledaren (11c) omfattar en ihålig, rörformig, oledande, eldfast, cylindrisk substratbärande kropp (18c) sträckande sig utefter ledarens längd, och en konduktiv resistansfilm (19c) med en icke-noll- temperatur-koefficient för resistansen häftad vid substrat- kroppens utsida och sträckande sig över deras längd, och ett heltäckande skyddsskikt (20c), som sträcker sig kon- tinuerligt över den konduktiva resistansfilmens utsida över hela dess längd.

12. Anemometeromvandlare enligt krav 1 eller 2, k ä n- n e t e c k n a d a v att den omfattar tvâ ytterligare cylindriska resistiva elektriska ledare (11d, 11e) monterade mittemot de båda förstnämnda elektriska ledarna (11a,11b), med stödorganets (15) centrala del (15a) placerad mellan de båda förstnämnda resistiva ledarna och de båda ytterligare resistiva ledarna.

13. Anemometeromvandlare enligt krav 12, k ä n n e - t e c k n a d a v att förbindningsbryggor (42a, 42b; 44a, 44b) är placerade mellan de båda ytterligare resistiva 'elektriska ledarna (11d,11e) och stödorganets (15) centrala del (15a).

14. Anemometeromvandlare enligt krav 13, t e c k n a d a v att de båda ytterligare resistiva elektriska ledarna (11d,11e) är anbragta nära stödorganets (15) centrala del (15a) och är obryggade till nämnda centra- la del (15a) utom vid sina ändar. k ä n n e -

15. Anemometeromvandlare enligt krav 13 eller 14, k ä n- n ett e c k n a d a v att de resistiva ledarna_är trådar med solitt tvärsnitt.

16. Anemometeromvandlare enligt krav 13 eller 14, k ä n- n e t e c k n a d a v att var och en av de resistiva elektriska ledarna (11a,11b, 11d,11e) omfattar en ihålig, rörformig, oledande, eldfast, cylíndrisk substratbärande krøpp (18a,18b,18d,18e) sträckande sig utefter ledarens längd, och en konduktiv resistansfilm (19a,19b,19c,19d) med en icke-noll-temperatur-koefficient för resistansen häftad vid substratkroppens utsida øch sträckande sig över dess 7910056-6 24 längd, och ett heltäckande skyddsskikt (20a,20b,20c,20d), som sträcker sig kontinuerligt över den konduktiva re- sistansfilmens utsida över hela dess längd.

17. Anemometeromvandlare enligt något av kraven 1 - 16, k ä n n e t e c k n a d a v att det centralt placerade cylindriska stödorganet (15) är en rak cylindrisk stång.

18. Anemometeromvandlare enligt något av kraven 1-16, k ä n n e t e c k n a d a V att det centralt placerade cylindriska stödorganet (15) är U-format med monterings- delar (15b,15c) vid varje ände gående vinkelrätt mot den centrala delen (15a).

19. Anemometeromvandlare enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a d a v' att de båda resistiva elektriska le- darna (11a,11b;23a,23b) är uppburna vid den skyddade lä- sidan av stödorganets central del (15a). ...___,... -..-.._V_.~.. __ H f “__ ~.-_í_.. .._...v_._.. _ ..._ _-- -..___:_..... _ ., ...___ _.. _.. _... ._...._ ...___.,$____~____,__