SE440700B

SE440700B - Device for measuring the speed of a flowing medium

Info

Publication number: SE440700B
Application number: SE8000850A
Authority: SE
Inventors: Egon Wolfshorndl
Original assignee: Egon Wolfshorndl
Priority date: 1980-04-02
Filing date: 1980-04-02
Publication date: 1985-08-12
Also published as: SE8000850L

Abstract

A flow speed indicator for gases and liquids utilizing a semiconductor body (1) introduced into the gas and respectively the liquid, whose one end is warmed by means of an electrical resistance wire (3), so that a temperature difference and thereby a voltage difference is produced between the ends of the semiconductor body. The flow speed's varying reduction of the temperature difference and thereby the voltage difference is utilized for determining the flow speed. The is done with the help of an amplifier (5), over whose input the semiconductor body is connected and to whose output a flow speed representing the signal occurs.<IMAGE>

Description

aoooaso-1 10 15 20 '25 30 35 ställas till låg kostnad. aoooaso-1 10 15 20 '25 30 35 is set at low cost.

Detta ändamål uppnås enligt uppfinningen genom att * strömningshastighetsmätaren har de i efterföljande patent- krav l angivna kännetecknen.This object is achieved according to the invention in that the flow rate meter has the features stated in the following patent claims 1.

Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande under hänvisning till medföljande ritningar. Fig l är ett kretsschema över en utföringsform av_uppfinningen. Fig 2 är ett diagram, som visar några halvledarmaterials spän- nings-temperaturkarakteristiker.The invention will be described in more detail in the following with reference to the accompanying drawings. Fig. 1 is a circuit diagram of an embodiment of the invention. Fig. 2 is a diagram showing the voltage-temperature characteristics of some semiconductor materials.

Den i fig l visade flödeshastighetsmätningsanordningen phar en stavformig halvledarkropp l anbringad inuti ett rör 2, i vilket det medium strömmar, vars strömnings- hastighet skall mätas. En värmeslinga 3-i form av en lindning kring kroppens l ena ändparti är kopplad till en ej visad strömkälla. Medelst vid den stavformiga halv- ledarkroppens l ändar belägna, elektriska anslutningar är halvledarkroppen i serie med en resistor 4 kopplad till en operationsförstärkares 5 ingångssida. Mellan för- stärkarens 5 utgång och dess inverterande ingång är en. V resistor 6 kopplad, vilken tillsammans med resistorn 4 bestämmer förstärkarens 5 förstärkning. En voltmeter 7 indikerar storleken av spänningen på utgången av förstärka- ren 5, som lämpligen har hög ingångsimpedans.The flow rate measuring device shown in Fig. 1 comprises a rod-shaped semiconductor body 1 arranged inside a tube 2, in which the medium flows, the flow velocity of which is to be measured. A heating coil 3 in the form of a winding around one end portion of the body is connected to a current source (not shown). By means of electrical connections located at the ends of the rod-shaped semiconductor body 1, the semiconductor body is connected in series with a resistor 4 to the input side of an operational amplifier 5. Between the output of the amplifier 5 and its inverting input is one. V resistor 6 connected, which together with the resistor 4 determines the gain of the amplifier 5. A voltmeter 7 indicates the magnitude of the voltage at the output of the amplifier 5, which suitably has a high input impedance.

Den ovan beskrivna anordningen fungerar på följande sätt. Värmeslingan 3 värmer upp kroppens l ena ände, så att en temperaturgradient och därmed en temperatur- skillnad uppkommer mellan kroppens l ändar. Denna tempera- turskillnad reduceras i varierande grad av det i röret 2 strömmande mediet. Som följd av temperaturgradienten alstras i halvledarkroppen l en spänning mellan'dess anslutningar, vilken-spänning förstärkes av förstärkaren 5 och visas av voltmetern 7. ”_ _ Den.mellan halvledarkroppens l anslutningar alstrade spänningen U är väsentligen av formen U = K - v_a, där K är en av det strömmande mediumet ooh kroppens form beroende konstant, v är mediumets strömningshastighet och a är en av mediumet bestämd konstant (främst beroende av huruvida det är fråga om en gas eller en vätska). 10 15 20 25 30 35 8000850* 3 Fördelen med utnyttjandet av en halvledarkropp l som kännarelement ligger främst i den högre känslighet som uppnås i jämförelse med ett konventionellt termo- element. En känslighetsökning med en faktor 10 kan utan vidare uppnås. Därmed kan de till kroppen l anslutna utvärderingskretsarna göras enkla, tillförlitliga och billiga. Anordningen enligt uppfinningen lämpar sig därför särskilt väl som exempelvis bränsleförbruknings- mätare för bilar.The device described above operates in the following manner. The heating loop 3 heats up one end of the body 1, so that a temperature gradient and thus a temperature difference arises between the ends 1 of the body. This temperature difference is reduced to varying degrees by the medium flowing in the tube 2. As a result of the temperature gradient, a voltage is generated in the semiconductor body 1 between its terminals, which voltage is amplified by the amplifier 5 and is indicated by the voltmeter 7. The voltage U generated between the terminals of the semiconductor body 1 is substantially of the form U = K - v_a. where K is a constant dependent on the flowing medium and the shape of the body, v is the flow rate of the medium and a is a constant determined by the medium (mainly depending on whether it is a gas or a liquid). 10 15 20 25 30 35 8000850 * 3 The advantage of using a semiconductor body 1 as a sensor element lies mainly in the higher sensitivity obtained in comparison with a conventional thermocouple. An increase in sensitivity by a factor of 10 can easily be achieved. Thus, the evaluation circuits connected to the body can be made simple, reliable and inexpensive. The device according to the invention is therefore particularly well suited as, for example, fuel consumption meters for cars.

Som exempel på användbara halvledarkroppar visas i fig 2 en första spännings-temperaturkurva A för ett NTC- motstånd av Philips tillverkning, vilket motstånd har resistansen 4,7 kóhm, är gjort av nickeloxid med tillsats av titanjoner, dvs är en halvledare av N-typ. Detta mot- stånd är stavformat med en längd på ungefär ll mm och en diameter på ungefär 2,8 mm. Såsom kurvan visar har detta motstånd en känslighet på ungefär 0,4 mV/OC. Ett andra exempel på halvledarkropp visas i fig 2 med en spännings- temperaturkurva B, vilken avser ett PTC-motstånd från Siemens, vilket motstånd är skivformat med en diameter på ungefär 8 mm och en tjocklek på ungefär 2 mm, har en resistans på 30 Ohm samt består av med titanjoner dopad bariumtitanat.As an example of useful semiconductor bodies, Fig. 2 shows a first voltage-temperature curve A for an NTC resistor manufactured by Philips, which resistor has a resistance of 4.7 kóhm, is made of nickel oxide with the addition of titanium ions, i.e. is an N-type semiconductor. . This resistor is rod-shaped with a length of approximately 11 mm and a diameter of approximately 2.8 mm. As the curve shows, this resistor has a sensitivity of approximately 0.4 mV / OC. A second example of a semiconductor body is shown in Fig. 2 with a voltage-temperature curve B, which refers to a PTC resistor from Siemens, which resistor is disk-shaped with a diameter of about 8 mm and a thickness of about 2 mm, has a resistance of 30 Ohm and consists of titanium ions doped barium titanate.

De i fig 2 visade kurvorna upptogs under utnyttjande av en elektrisk motståndstråd som värmekälla och termo- element av koppar-konstantan som temperaturgivare. En och samma förstärkare utnyttjades för mätning av spänning- arna från halvledarkroppen och mätning av termoelementens spänningar.The curves shown in Fig. 2 were taken up using an electrical resistance wire as a heat source and thermocouples of the copper constant as a temperature sensor. One and the same amplifier was used to measure the voltages from the semiconductor body and to measure the voltages of the thermocouples.

Orsaken till den i halvledarkroppen l som följd av temperaturgradienten alstrade spänningen Står att finna i den allmänna strömtransportekvationen: 'j'=@l-E+a2-\7T, där É är strömtäthetsvektorn, É är fältstyrkan, VT är temperaturgradienten samt ul och az är materialkonstanter.The cause of the voltage generated in the semiconductor body 1 as a result of the temperature gradient can be found in the general current transport equation: 'j' = @ l-E + a2- \ 7T, where É is the current density vector, É is the field strength, VT is the temperature gradient and ul and az are material constants.

Tack vare att antalet laddningsbärare i en halvledare är starkt temperaturberoende blir konstanten az ej försumbar, 8000850-1 4 varför en temperaturdifferens ger upphov till en ej oväsentlig spänning Det skall slutligen nämnas att den ovan beskrivna utföringsformen kan ändras i flera avseenden inom upp- -5 finningens ram._Således kan en annan varmekälla än värme- spiralen 3 utnyttjas liksom att i stället för uppvärmning kvlning kan ske av ett parti av halvledarkroppen l.Due to the fact that the number of charge carriers in a semiconductor is strongly temperature dependent, the constant az does not become negligible, 8000850-1 4 why a temperature difference gives rise to a not insignificant voltage It should finally be mentioned that the above-described embodiment can be changed in several respects within Thus, a heat source other than the heating coil 3 can be used and, instead of heating, cooling can take place of a portion of the semiconductor body 1.

I stället för att utnyttja förstärkarens 5 utsignal som ett mått på flödeshastigheten kan den utsignalen 10 användas på i och för sig känt sätt i en servoslinga, medelst vilken temperaturskillnaden över kroppen l hâlles oförändrad genom reglering av den ström som tillföras värmeslingan 3. I detta fall blir den strömmen ett mått på ifrågavarande strömningshastighet. m,Instead of using the output signal of the amplifier 5 as a measure of the flow rate, that output signal 10 can be used in a manner known per se in a servo loop, by means of which the temperature difference across the body 1 is kept unchanged by regulating the current supplied to the heating loop 3. In this case that current becomes a measure of the flow rate in question. m,

Claims

10 15 20 25. i -. 8000850- PATENT REQUIREMENTS

Device for measuring the velocity of a flowing medium, characterized by a semiconductor body (1) intended for insertion into the flowing medium with two electrical connections, means (3) for establishing a temperature gradient in the semiconductor body between the connections and a voltage amplifier (5), to which the input of the amplifier's said connections are connected.

Device according to claim 1, characterized in that the semiconductor body (1) is constituted by a thermistor.

Device according to Claim 1 or 2, characterized in that the means (3) for establishing the temperature gradient consist of a heating coil wound around a part of the semiconductor body, connected to a current source.

Device according to one of Claims 1 to 3, characterized by a servo loop, in which the amplifier (5) is included, for keeping the temperature gradient in the semiconductor body (1) constant. 7 '

5. Device according to claim 4, characterized in that the output of the amplifier (5) is connected to a voltage-current converter, which controls the means (3) for establishing a temperature gradient in the semiconductor body (1). '1