WO2004109298A1 - Thermisches anemometer - Google Patents

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WO2004109298A1
WO2004109298A1 PCT/DE2004/001092 DE2004001092W WO2004109298A1 WO 2004109298 A1 WO2004109298 A1 WO 2004109298A1 DE 2004001092 W DE2004001092 W DE 2004001092W WO 2004109298 A1 WO2004109298 A1 WO 2004109298A1
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WO
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flow
sensor head
sensor
thermal anemometer
flow channels
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PCT/DE2004/001092
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WO2004109298B1 (de
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Ralph Krause
Klaus DÖGE
Uwe Franzke
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Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH
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Publication of WO2004109298B1 publication Critical patent/WO2004109298B1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/30—Control or safety arrangements for purposes related to the operation of the system, e.g. for safety or monitoring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • F24F2110/30—Velocity

Definitions

  • the invention relates to a flow sensor, especially a flow-based thermal anemometer.
  • a thermal anemometer the measuring principle consists in the loss of heat from heated bodies to the surrounding fluid.
  • CCA constant current anemometers
  • CTA constant temperature anemometers
  • the limit values for the average room air speed in the comfort zone only depend on the air temperature and the degree of turbulence. The greater the degree of turbulence, the lower the average room air speed must be.
  • the degree of turbulence is defined as the quotient of the variance of the speed in the numerator and the mean value of the speed in the denominator.
  • the peculiarity of indoor air flow is that it has very high levels of turbulence compared to many other types of flow.
  • T u as ⁇ (v) / ⁇ (v) inevitably results in a high degree of turbulence due to the small denominator in the case of small flow velocity values, that is to say a resulting small mean value of the velocity.
  • the thermal inertia of the existing measuring probes means that fast fluctuation rates can no longer be detected. There is a risk of incorrectly determining the degree of turbulence and the average speed. Furthermore, the typical medium velocities and high levels of turbulence in the flow of space result in a reversal of the flow direction in the area of the sensors. Since the sensors generally work independently of the direction, this reversal of direction can produce a misinterpretation of the measurement signal. The heat transfer on the surface of the flow sensor then no longer correlates with the average flow velocity of the fluid and thus leads to erroneous measurement results. Turbulence-free or low-turbulence flow conditions are rather the exception in practice.
  • a flow sensor according to the invention particularly fulfills the requirements of DIN 1946.2 and, as a suitable flow sensor in the case of subject-related national and international industrial standards, helps to further clarify these standards.
  • an arrangement for measuring probes and flow channels for a thermal anemometer on a flow basis for a configuration for a three-dimensional measurement is based analogously on the same inventive idea and includes this measurement arrangement.
  • This arrangement lies in a sensor head designed as a hollow body.
  • the signals from the flow sensors can be processed in an evaluation and display device, for example a microcomputer in the form of a notebook or handheld PC.
  • the evaluation and display device is preferably designed with a user-friendly dialog system.
  • a probe support body is used to hold at least six flow sensors. Each of these flow sensors is flowed through by an associated pair of flow channels.
  • the flow channels are connected to openings in the sensor head.
  • the pair of associated flow channels runs from the assigned flow sensor to the openings in the sensor head, which are arranged centrally opposite one another on the sensor head. This allows the fluid to be measured to flow through the associated flow sensor. All openings are spatially evenly arranged above the sensor head.
  • the flow channels are dimensionally stable and torsionally rigid. They are connected to the dimensionally stable, torsionally rigid probe support body and thus form a dimensionally stable, torsionally rigid apparatus unit.
  • the flow channels lie at their outer axial end against the openings of the sensor head and, according to the invention, are fixedly and releasably connected to the probe body by means of mounting nipples, the mounting nipples being attached from the outside of the probe body. Grab the bracket nipples thereby through the openings and enter into a fixed, detachable connection with the flow channels.
  • a computational method is used which enables a three-dimensional, time-dependent measurement of the amount and direction of the speed and in particular the degree of turbulence of a flow.
  • the signal response time of the flow sensors is many times smaller than the maximum expected frequencies of the speed fluctuations.
  • the flow sensor according to the invention is able to determine the quantities defined in DIN 1946 part 2 "Air conditioning technology - health requirements", in particular the degree of turbulence and the average speed.
  • the current speed vector with a very high temporal resolution in three-dimensional space can be detected with high accuracy and reliability.
  • FIG. 1 top view of the arrangement for flow sensors and flow channels for a thermal anemometer on a flow basis according to the invention
  • FIG. 2 schematic representation of the assembly of the arrangement for flow sensors and flow channels for a thermal anemometer on a flow basis according to the invention according to claim 3.
  • FIG. 1 Reference is first made to FIG. 1.
  • An arrangement for a two-dimensional measurement is based analogously on the same inventive idea.
  • This arrangement lies in a sensor head 5 designed as a hollow body.
  • a measuring probe support body 1 serves to hold (at least) six flow sensors 11 to 16.
  • the flow sensor 11 has thermoresistive foils which are applied to a thick film made of a dielectric material. These are clamped on a silicon chip.
  • the flow sensor 11 has a detection of the direction of flow and distinguishes positive and negative pressure differences.
  • Each of these flow sensors 11 is flowed through by an associated pair of flow channels 201 to 212.
  • the flow channels 201 to 212 are connected to openings 301 to 312 of the sensor head.
  • a pair of associated flow channels 210, 211 run from the assigned flow sensor 310 to the openings 301, 302 in the sensor head, which are arranged centrally opposite one another on the sensor head 5. This enables the fluid to be measured to flow through the assigned flow sensor 301.
  • All openings 301 to 312 are arranged spatially uniformly above the sensor head.
  • There are twelve types of flow channels 201 to 212 which differ in shape and length. This different shape and length of the flow channels 201 makes it necessary to use calibration functions when converting the signals of the flow sensors 11 to flow results.
  • a specially configured calibration function is assigned to each flow sensor 11 to 16.
  • the flow channels 201 to 212 are dimensionally stable and torsionally rigid and are connected to the dimensionally stable, torsionally rigid measuring probe support body 1, and thus form a dimensionally stable, torsionally rigid apparatus unit 60.
  • the flow channels 201 abut the openings 301 of the sensor head 5 at their outer axial end and, according to the invention, are fixedly and releasably connected to the sensor head 5 by means of mounting nipples 401 to 412, the mounting nipples 401 being attached from the outside of the sensor head 5.
  • the mounting nipples 401 engage through the openings 301 and enter into a fixed, detachable connection with the flow channels 201.
  • the mounting nipples 401 are interchangeable. Different types of mounting nipples 401 can be used to adapt to different measuring ranges.
  • the type of mounting nipple 401 used is preferably entered into the control unit - provided there is no automatic detection - and in the following a calculation algorithm configured accordingly for this mounting nipple 401 is used to convert the signals of the measuring probes into flow measurement values.
  • inclination sensor 71 For documentation and for further performance of the arrangement, it is provided with means for determining the position in the room.
  • these are in the form of an inclination sensor 71.
  • the inclination is measured with a micromechanical measuring element and passed on to the control unit, a calculation algorithm configured to compensate for the inclination being used in the following when converting the signals of the flow sensors 11 into flow measurement values.
  • This means that the flow can be measured over a table top or - for example in the generally very inaccessible production area - the arrangement being arranged on a bent, inclined stand and this inclination is automatically compensated for in the flow measurements.
  • Additional survey data are useful and necessary for the documentation of the measurement results, e.g. the exact position of the arrangement in the measuring range, so for example the distance to the floor, wall or ceiling.
  • a distance sensor 72 makes this data available, passes it on to the control unit and thus makes it processable.
  • a signal transmitter for determining the position in the room is integrated.
  • This signal transmitter consists of a plurality of laser points 73, which optically indicate the position in space by means of the light points generated and make them processable.
  • the arrangement is equipped with further sensors for determining the physical properties.
  • pressure, temperature and humidity sensors are integrated.
  • a computational method is used which enables a three-dimensional, time-dependent measurement of the amount and direction of the speed and in particular the degree of turbulence of a flow.
  • the degree of turbulence is the quotient of the variance and the mean value of the flow velocity.
  • the signal response time of the flow sensor 11 is many times smaller than the maximum expected frequency of the speed fluctuations.
  • part of the algorithm used consists in the determination of the statistical characteristics of the speed fluctuations and the spectral parameters. These include the mean, variance, correlation, amplitude distribution and the frequency spectrum.
  • the measurement signal is first linearized using a calibration function.
  • the calibration function also has the task of correcting the influence of material values on the measurement signal.
  • the calibration functions are calculated in the course of the design of the measuring arrangement for each flow channel and stored separately, so that both manufacturing tolerances and deviations of the characteristic curves of the transducers can be taken into account. This guarantees very good accuracy for the linearized output signal.
  • the following statistical quantities are calculated for the signal analysis: mean, variance, skewness, kurtosis. In the turbulence analysis, the spectrum provides information about the energy transfer between vortices of different sizes.
  • FIG. 1 shows the form of the invention for a three-dimensional measurement according to claim 1.
  • Figure 2 shows the division of an apparatus unit 60, divided into an upper half of the apparatus unit 61 and a lower half of the apparatus unit 62.
  • the lower half 62 of the apparatus unit consists of the probe support body 1 and the six flow sensors 11 to 16 arranged therein and the flow channels 201 belonging to the lower half.
  • Rungsnippel 401 to 416 reach through the openings 301 of the sensor head 52 from the outside and fix the flow channels 201 against the half-shell of the sensor head 52.
  • the flow channels 201 and the probe support body 1 are dimensionally stable and torsionally rigid, so that with the fixation of the holding nipples 401 from the outside Apparatus unit 62 is firmly attached, detachably connected to the lower half-shell of sensor head 52.
  • the plug connection of the lower apparatus unit 62 to the upper apparatus unit 61 in particular the transitions of the throughflow channels 63 and the transitions to the flow sensors 64, are designed with high precision, sealing, burr-free. After the upper half of the apparatus 61 is fixed analogously in the upper half-shell 51, the plug connections 63, 64 mentioned are reliably connected as soon as the half-shells 51, 52 of the sensor head 5 are closed.
  • the mounting nipple 401 and the inner edge of the flow channels 201 are refined by means of a nanotechnical coating technology and surface technology. This prevents the ingress of foreign bodies and moisture and the build-up of deposits.
  • Probe support body with up to 16 flow sensors 1/202 through-flow channels 1/302 openings 1/402 mounting nipple Sensor head with sensor head upper half-shell Sensor head lower half-shell Apparatus unit with apparatus unit upper half Apparatus unit lower half, 64 refined plug-in connector Tilt sensor distance sensor

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Anordnung für Strömungsfühler und Durchströmungskanäle für ein thermisches Anemometer auf Durchflußbasis in einem als Hohlkörper gestalteten Sensorkopf. In der Klimatechnik ist neben anderen Größen die Kenntnis der Raumströmung in Bezug auf die mittlere Geschwindigkeit, die Richtung und den Turbulenzgrad im Aufenthaltsbereich von Personen unentbehrlich. Besonders dem Turbulenzgrad kommt hierbei eine entscheidende Rolle zu. Nach der Erfindung ist die Anordnung in der Lage, die in der DIN 1946 Teil 2 definierten Größen, insbesondere den Turbulenzgrad und die mittlere Geschwindigkeit zu bestimmen und den Geschwindigkeitsvektor mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung im dreidimensionalen Raum mit einer sicheren Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu erfassen.

Description

Thermisches Anemometer
Die Erfindung betrifft einen Strömungssensor, speziell ein thermisches Anemometer auf Durchflußbasis. Bei einem thermischen Anemometer besteht das Meßprinzip im Wärmeverlust beheizter Körper zum umgebenden Fluid. Dabei werden zwischen Constant-Current-Anemometer (CCA) und Constant-Temperature-Anemometer (CTA) unterschieden.
In der Klimatechnik ist neben anderen Größen die Kenntnis der Raumströmung in Bezug auf die mittlere Geschwindigkeit, die Richtung und den Turbulenzgrad im Aufenthaltsbereich von Personen unentbehrlich. Besonders dem Turbulenzgrad kommt hierbei eine entscheidende Rolle zu.
Deshalb wurde in der Industrienorm DIN 1946 Teil 2 „Raumlufttechnik - Gesundheitstechnische Anforderungen" der Turbulenzgrad als eine wesentliche Einflußgröße auf das thermische Behaglichkeitsempfinden eingeführt.
Ausgehend von der DIN 1946 sind die Grenzwerte der mittleren Raumluftgeschwin- digkeit im Behaglichkeitsbereich nur von der Lufttemperatur und vom Turbulenzgrad abhängig. Je größer der Turbulenzgrad ist, um so kleiner muß die mittlere Raumluftgeschwindigkeit sein.
Weitere wesentliche Einflußparameter auf die thermische Behaglichkeit, wie bei- spielgebend die Richtung, sowohl der mittleren Luftgeschwindigkeit als auch die der Schwankungsgeschwindigkeit, die Luftfeuchtigkeit und die Wärmestrahlung, bleiben in der aktuellen Fassung der DIN 1946 unberücksichtigt.
Die Normen DIN 1946, Teil 2, VDI-2080, EN 27726, EN 13182 verdeutlichen die Problematik der Bestimmung der Raumluftströmungen. Die aufgeführten Normen zeigen in speziellen Punkten wenig Übereinstimmung. In einigen Punkten gibt es Widersprüche. Handelsübliche Luft-Geschwindigkeitssensoren für die Klimatechnik liefern keine zuverlässige Bestimmung der Raumluftströmung, auch wenn diese Sensoren formal den technischen Anforderungen der entsprechenden Norm entsprechen.
Der Turbulenzgrad ist laut Norm definiert als Quotient aus der Varianz der Geschwindigkeit im Zähler und dem Mittelwert der Geschwindigkeit im Nenner. Die Besonderheit der Raumluftströmung besteht darin, daß sie, verglichen mit vielen anderen Strömungsformen, sehr große Turbulenzgrade aufweist. Die Luftgeschwindigkeit liegt im allgemeinen in einem Bereich von v= 0,05...0,3 m/s mit einem Turbulenzgrad Tu im Bereich von 5 bis > 100%. Aus der Definition von Tu als σ(v) / μ(v) ergibt sich bei kleinen Strömungsgeschwindigkeitswerten, also einem daraus folgenden kleinen Mittelwert der Geschwindigkeit, aufgrund des kleinen Nenners zwangsläufig ein hoher Turbulenzgrad.
Die thermische Trägheit der bestehenden Meßsonden hat zur Folge, daß schnelle Schwankungsgeschwindigkeiten nicht mehr erfaßt werden können. Es besteht die Gefahr, den Turbulenzgrad und die mittlere Geschwindigkeit falsch zu bestimmen. Im weiteren kommt es bei den in der Raumströmung typischen kleinen mittleren Geschwindigkeiten und hohen Turbulenzgraden zu einer Umkehr der Strömungsrich- tung im Bereich der Sensoren. Da die Sensoren im allgemeinen richtungsunabhängig arbeiten, kann diese Richtungsumkehr eine Fehlinterpretation des Meßsignals erzeugen. Der Wärmeübergang an der Oberfläche des Strömungssensors korreliert dann nicht mehr mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, und führt somit zu fehlerbehafteten Meßergebnissen. Turbulenzfreie beziehungsweise turbu- lenzarme Strömungszustände stellen in der Praxis eher die Ausnahme dar.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Strömungssensor zu schaffen, welcher insbesondere die Anforderungen DIN 1946.2 erfüllt und insbesondere die Messung der mittleren Geschwindigkeit, der Strömungsrichtung und des Turbulenzgrades gestat- tet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst, welcher auf eine Messung im dreidimensionalen Bereich Bezug nimmt. Der Gedanke der Erfindung wird analog auf die Messung im ebenen Bereich übertragen. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den nachfolgenden Ansprüchen. Ein Strömungssensor gemäß der Erfindung erfüllt insbesondere die Anforderungen DIN 1946.2 und unterstützt als geeigneter Strömungssensor bei fachbezogenen nationalen und internationalen Industrienormen zu einer weiteren Klarifizierung dieser Normen beizutragen.
Im folgenden wird auf die Anordnung für Meßsonden und Durchströmungskanäle für ein thermisches Anemometer auf Durchflußbasis für eine Ausprägung für eine dreidimensionale Messung nach Anspruch 1 Bezug genommen. Eine Anordnung für eine zweidimensionale Messung basiert analog auf den gleichen erfinderischen Gedanken und schließt diese Meßanordnung mit ein. Diese Anordnung liegt in einem als Hohlkörper ausgebildeten Sensorkopf. Die Signale der Strömungsfühler sind in einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung verarbeitbar, beispielgebend einem Mikrocomputer in der Form eines Notebooks oder Handheld-PC. Die Auswerte- und Anzeigeein- richtung ist vorzugsweise mit einem benutzerfreundlichen Dialogsystem gestaltet.
Ein Meßsondentragkörper dient zur Aufnahme von mindestens sechs Strömungsfühlern. Jeder dieser Strömungsfühler wird jeweils von einem zugehörigen Paar von Durchströmungskänalen durchströmt. Die Durchströmungskanäle sind mit Öffnungen des Sensorkopfes verbunden. Das Paar von zugehörigen Durchströmungskanälen verläuft dabei vom zugeordneten Strömungsfühler zu den Öffnungen im Sensorkopf, die zentrisch gegenüberliegend auf dem Sensorkopf angeordnet sind. Damit wird ein Durchfluß des zu messenden Fluids durch den zugeordneten Strömungsfühler ermöglicht. Dabei sind alle Öffnungen räumlich gleichmäßig über den Sensorkopf an- geordnet. Einem weiteren Gedanken der Erfindung folgend sind die Durchströmungskanäle formstabil und verwindungssteif. Sie sind mit dem ebenfalls formstabilen, verwindungssteifen Meßsondentragkörper verbunden und bilden so eine formstabile, verwindungssteife Apparate-Einheit.
Die Durchströmungskanäle liegen an ihrem äußeren axialen Ende an den Öffnungen des Sensorkopfes an und sind gemäß der Erfindung durch Halterungsnippel mit dem Sondenkörper festsitzend, lösbar verbunden, wobei die Halterungsnippel von der Außenseite des Sondenkörpers angebracht werden. Die Halterungsnippel greifen dabei durch die Öffnungen und gehen mit den Durchströmungskanälen eine festsitzende, lösbare Verbindung ein.
Gemäß der Erfindung wird ein rechentechnisches Verfahren verwendet, welches ei- ne dreidimensionale, zeitabhängige Messung von Betrag und Richtung der Geschwindigkeit und insbesondere des Turbulenzgrades einer Strömung ermöglicht. Die Signalansprechzeit der Strömungsfühler ist dabei um ein Vielfaches kleiner als die maximal zu erwartenden Frequenzen der Geschwindigkeitsschwankungen.
Der Strömungssensor nach der Erfindung ist in der Lage, die in der DIN 1946 Teil 2 „Raumlufttechnik - Gesundheitstechnische Anforderungen" definierten Größen, insbesondere den Turbulenzgrad und die mittlere Geschwindigkeit zu bestimmen. Hinzu kommt die ausschlaggebende Neuerung, daß der momentane Geschwindigkeitsvektor mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung im dreidimensionalen Raum mit ei- ner hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfaßt werden kann.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 Draufsicht auf die Anordnung für Strömungsfühler und Durchströmungskanäle für ein thermisches Anemometer auf Durchflußbasis gemäß der Erfindung Fig. 2 Schemadarstellung der Montage der Anordnung für Strömungsfühler und Durchströmungskanäle für ein thermisches Anemometer auf Durchflußbasis gemäß der Erfindung nach Anspruch 3.
Zunächst wird auf Figur 1 Bezug genommen.
Im folgenden wird auf eine Anordnung für Meßsonden und Durchströmungskanäle für ein thermisches Anemometer auf Durchflußbasis für eine Ausprägung für eine dreidimensionale Messung nach Anspruch 1 Bezug genommen.
Eine Anordnung für eine zweidimensionale Messung basiert analog auf den gleichen erfinderischen Gedanken. Diese Anordnung liegt in einem als Hohlkörper ausgebildeten Sensorkopf 5. Ein Meßsondentragkörper 1 dient zur Aufnahme von (mindestens) sechs Strömungsfühlern 11 bis 16. Der Strömungsfühler 11 besitzt thermoresistive Folien, die auf einem Dickfilm aus einem dielektrischen Werkstoff aufgetragen sind. Diese sind auf einen Siliziumchip gespannt. Der Strömungsfühler 11 besitzt eine Erkennung der Durchströmungsrichtung und unterscheidet positive und negative Druckdifferenzen.
Jeder dieser Strömungsfühler 11 wird jeweils von einem zusammengehörenden Paar von Durchströmungskänalen 201 bis 212 durchströmt. Die Durchströmungskanä- le 201 bis 212 sind mit Öffnungen 301 bis 312 des Sensorkopfes verbunden. Ein Paar von zusammengehörenden Durchströmungskanälen 210, 211 verlaufen dabei vom zugeordneten Strömungsfühler 310 zu den Öffnungen 301, 302 im Sensorkopf, die zentrisch gegenüberliegend auf dem Sensorkopf 5 angeordnet sind. Damit wird ein Durchfluß des zu messenden Fluids durch den zugeordneten Strömungsfüh- ler 301 ermöglicht. Dabei sind alle Öffnungen 301 bis 312 räumlich gleichmäßig über den Sensorkopf angeordnet. Es ergeben sich zwölf, in der Form und Länge verschiedene Arten von Durchströmungskanälen 201 bis 212. Diese unterschiedliche Form und Länge der Durchströmungskanäle 201 macht beim Umwandeln der Signale der Strömungsfühler 11 zu Strömungsergebnissen die Verwendung von Kali- brierungsfunktionen notwendig. Jedem Strömungsmeßfühler 11 bis 16 ist eine eigens konfigurierte Kalibrierungsfunktion zugeordnet.
Die Durchströmungskanäle 201 bis 212 sind formstabil und verwindungssteif und sind mit dem ebenfalls formstabilen, verwindungssteifen Meßsondentragkörper 1 verbunden, und bilden so eine formstabile, verwindungssteife Apparate-Einheit 60.
Die Durchströmungskanäle 201 liegen an ihrem äußeren axialen Ende an den Öffnungen 301 des Sensorkopfes 5 an und sind gemäß der Erfindung durch Halterungsnippel 401 bis 412 mit dem Sensorkopf 5 festsitzend, lösbar verbunden, wobei die Halterungsnippel 401 von der Außenseite des Sensorkopfes 5 angebracht werden. Die Halterungsnippel 401 greifen dabei durch die Öffnungen 301 und gehen mit den Durchströmungskanälen 201 eine festsitzende, lösbare Verbindung ein. Die Halterungsnippel 401 sind dabei austauschbar. Verschiedene Arten von Halterungsnippeln 401 können verwendet werden, um eine Anpassung an verschiedene Meßbereiche vorzunehmen. Mit Vorzug wird die Art der verwendeten Halterungsnippel 401 in die Steuereinheit eingegeben - sofern keine automatische Erkennung vor- liegt - und es wird im folgenden ein entsprechend für diese Halterungsnippel 401 konfigurierter Berechnungsalgorithmus zum Umwandeln der Signale der Meßsonden in Strömungsmeßwerte verwendet.
Zur Dokumentation und für eine weitere Leistungsfähigkeit der Anordnung ist diese mit Mitteln zur Lagebestimmung im Raum versehen. Diese sind im ersten Fall als Neigungssensor 71 ausgeprägt. Mit einem mikromechanischen Meßelement wird die Neigung gemessen und an die Steuereinheit weitergeleitet, wobei im folgenden beim Umwandeln der Signale der Strömungsfühler 11 in Strömungsmeßwerte ein zum Ausgleich der Neigung konfigurierter Berechnungsalgorithmus verwendet wird. Mit diesem Mittel kann die Messung der Strömung über einer Tischplatte oder - beispielgebend im allgemein sehr unzugänglichen Fertigungsbereich - vorgenommen werden, wobei die Anordnung auf einem geknickt, geneigten Stativ angeordnet ist und diese Neigung automatisch in den Strömungsmessungen rechentechnisch kompensiert wird.
Für die Dokumentation der Meßergebnisse sind weitere Erhebungsdaten sinnvoll und notwendig, z.B. die genaue Lage der Anordnung im Meßbereich, also beispielgebend der Abstand zum Boden, der Wand oder der Decke. Ein Distanzsensor 72 stellt diese Daten bereit, gibt diese an die Steuereinheit weiter und macht sie so weiter verarbeitbar.
Im weiteren ist ein Signalgeber zur Lagebestimmung im Raum integriert. Dieser Signalgeber besteht aus mehreren Laserpointem 73, welche die Lage im Raum optisch durch die erzeugten Lichtpunkte anzeigen und verarbeitbar machen. Überdies ist die Anordnung mit weiteren Sensoren zur Bestimmung der Stoffwerte ausgestattet. Beispielgebend werden Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren integriert. Gemäß der Erfindung wird ein rechentechnisches Verfahren verwendet, welches eine dreidimensionale, zeitabhängige Messung von Betrag und Richtung der Geschwindigkeit und insbesondere des Turbulenzgrades einer Strömung ermöglicht. Der Turbulenzgrad ist der Quotient aus der Varianz und dem Mittelwert der Strö- mungsgeschwindigkeit. Die Signalansprechzeit der Strömungsfühler 11 ist dabei um ein Vielfaches kleiner als die maximal zu erwartende Frequenz der Geschwindigkeitsschwankungen.
Für die Bestimmung von turbulenten Strömungen oder von instationären Strömungs- Vorgängen besteht ein Teil des verwendeten Algorithmus in der Bestimmung der statistischen Charakteristiken der Geschwindigkeitsfluktuationen und der spektralen Kenngrößen. Dazu gehören unter anderem Mittelwert, Varianz, Korrelation, Amplitudenverteilung und das Frequenzspektrum.
Infolge der nichtlinearen Übertragungsfunktion des Meßumformers lassen sich die statistischen Charakteristiken nicht direkt aus der Meßsignalspannung berechnen. Es erfolgt deshalb zuerst eine Linearisierung des Meßsignals über eine Kalibrierfunktion. Weiterhin hat die Kalibrierfunktion die Aufgabe, den Einfluß von Stoffwerten auf das Meßsignal zu korrigieren. Die Kalibrierfunktionen werden im Zuge der Auslegung der Meßanordnung für jeden Strömungskanal errechnet und getrennt abgelegt, so daß sowohl Fertigungstoleranzen als auch Abweichungen der Kennlinien der Meßumformer voneinander berücksichtigt werden können. Für das linearisierte Ausgangssignal wird damit eine sehr gute Genauigkeit garantiert. Für die Signalanalyse werden die folgenden statistischen Größen berechnet: Mittelwert, Varianz, Schiefe, Kurtosis. In der Turbulenzbetrachtung gibt das Spektrum Aufschluß über die Energieübertragung zwischen Wirbeln verschiedener Größe.
Im weiteren wird auf Figur 2 Bezug genommen. Auch diese Figur zeigt die Ausprägung der Erfindung für eine dreidimensionale Messung nach Anspruch 1. Figur 2 zeigt die Aufteilung einer Apparate-Einheit 60, aufgeteilt in eine obere Hälfte der Apparate-Einheit 61 und eine untere Hälfte der Apparate-Einheit 62. Die untere Hälfte 62 der Apparate-Einheit besteht aus dem Meßsondentragkörper 1 und den sechs darin angeordneten Strömungsfühlern 11 bis 16 und den der unteren Hälfte zugehörigen Durchströmungskanäle 201. Die der unteren Hälfte zugeordneten Halte- rungsnippel 401 bis 416 greifen durch die Öffnungen 301 des Sensorkopfes 52 von außen durch und fixieren die Durchströmungskanäle 201 gegen die Halbschale des Sensorkopfes 52. Die Durchströmungskanäle 201 und der Meßsondentragkörper 1 sind formstabil und verwindungssteif, so daß mit der Fixierung der Haltenippel 401 von außen diese Apparate-Einheit 62 festsitzend, lösbar mit der unteren Halbschale des Sensorkopfes 52 verbunden ist.
Die Steckverbindung der unteren Apparate-Einheit 62 zur oberen Apparate- Einheit 61 , insbesondere die Übergänge der Durchströmungskanäle 63 und die Übergänge zu den Strömungsfühlern 64 sind hochpräzise formgenau, abdichtend, gratfrei gestaltet. Nachdem die obere Apparate-Hälfte 61 analog in die obere Halbschale 51 fixiert ist, sind die genannten Steckverbindungen 63, 64 betriebssicher verbunden, sobald die Halbschalen 51 , 52 des Sensorkopfes 5 verschlossen werden.
Im weiteren werden die Halterungsnippel 401 und die innere Berandung der Durchströmungskanäle 201 durch eine nanotechnische Beschichtungstechnik und Oberflächentechnik veredelt. Damit wird das Eindringen von Fremdkörpern und Feuchtigkeit und das Festsetzen von Ablagerungen vermieden.
e in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen haben folgende Bedeutung:
Meßsondentragkörper mit bis 16 Strömungsfühler 1/202 Durchströmungskanäle 1/302 Öffnungen 1/402 Halterungsnippel Sensorkopf mit Sensorkopf obere Halbschale Sensorkopf untere Halbschale Apparate-Einheit mit Apparate-Einheit obere Hälfte Apparate-Einheit untere Hälfte , 64 veredelte Steckverbindung Neigungssensor Distanzsensor

Claims

Patentansprüche
1. Thermisches Anemometer bestehend aus einer Anordnung für Strömungs- fühler und Durchströmungskanäle für ein thermisches Anemometer auf Durchflußbasis in einem als Hohlkörper ausgebildeten Sensorkopf (5), wobei die Signale der Strömungsfühler(11) in einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung verarbeitbar sind,
einem Meßsondentragkörper(l), der zur Aufnahme von mindestens sechs Strö- mungsfühlern(11-16) dient, wobei jeder Strömungsfühler(11) jeweils von einem zusammengehörenden Paar von Durchströmungskänalen(201) durchströmt ist,
und diese zusammengehörenden Durchströmungskanäle(201) mit Öffnungen(301) des Sensorkopfes(5) verbunden sind, die zentrisch gegenüberliegend auf dem Sen- sorkopf angeordnet sind, und einen Durchfluß des zu messenden Fluids durch den zugeordneten Strömungsfühler(11) ermöglichen,
alle Öffnungen(301-312) räumlich gleichmäßig über den Sensorkopf angeordnet sind,
und die Durchströmungskanäle(201) formstabil, verwindungssteif sind und mit dem formstabilen, verwindungssteifen Meßsondentragkörper(l) eine formstabile, verwin- dungssteife Apparate-Einheit(öO) bilden
und die
Durchströmungskanäle(201) an ihrem äußeren axialen Ende an die Öffnungen(301) des Sensorkopfes anliegen und durch je einen Halterungsnippel(401) mit dem Sensorkopf festsitzend, lösbar verbunden sind,
und die Halterungsnippel(401) von der Außenseite des Sensorkopfes durch die Öff- nungen(301) greifen und mit den Durchströmungskanälen(201) eine festsitzende, lösbare Verbindung eingehen,
und mittels rechentechnischer Verfahren eine dreidimensionale zeitabhängige Mes- sung von Betrag und Richtung der Geschwindigkeit und insbesondere des Turbulenzgrades einer Strömung, also dem Quotient aus der Varianz und dem Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit mit einer kleinen Signalansprechzeit der Strömungs- fühler(11), welche die Frequenz der auftretenden Geschwindigkeitsschwankungen vielfach übersteigt, ermöglicht, und im weiteren die Anordnung über Vorrichtungen zur Lagebestimmung im Raum verfügt.
2. Thermisches Anemometer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Apparate-Einheit(60) aus zwei Hälften gestaltet ist, wobei die obere Hälfte der Apparate-Einheit(61) in die obere Halbkugelschale des Sensorkopfes, die untere Hälfte in die untere Halbkugelschale des Sensorkopfes(62) lösbar festsitzend angebracht ist, und eine Apparate-Einheit-Hälfte(61) mit der anderen Ap- parate-Einheit-Hälfte(62) abdichtend, formschlüssig durch eine Steckverbin- dung(63,64) verbunden ist, sobald die Halbkugelschalen(51 ,52) des Sensorkopfes geschlossen sind.
3. Thermisches Anemometer nach einem oder mehreren der genannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsnippel(401) mit Reduzierungsvorrichtungen, wie Blenden, Düsen, zur Veränderung des Meßbereichs versehen sind, und die Art der verwendeten Halterungsnippel(401) in die Steuereinheit eingespeist und ein entsprechend für diese Halterungsnippel(401) konfigurierter Berechnungsalgorithmus zum Umwandeln der Signale der Strömungsfühler(11) in Strömungsmeßwerte verwendet wird.
4. Thermisches Anemometer nach einem oder mehreren der genannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß es einen Neigungssensor(71) zur Lagebestimmung der Anordnung im Raum aufweist.
5. Thermisches Anemometer nach einem oder mehreren der genannten Ansprü- ehe dadurch gekennzeichnet, daß ein Distanzsensor(72) zur Lagebestimmung im
Raum vorhanden ist.
6. Thermisches Anemometer nach einem oder mehreren der genannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsnippel(401) und/oder die innere Bewandung der Durchströmungskanäle (201) durch eine nanotechnische Beschichtung in der Oberfläche veredelt sind.
7. Thermisches Anemometer nach einem oder mehreren der genannten Ansprü- ehe dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mit weiteren Sensoren zur Bestimmung der Stoffwerte ausgestattet ist.
8. Thermisches Anemometer nach einem oder mehreren der genannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung Constant Current Anemometer (CCA) oder Constant-Temperature-Anemometer (CTA) einschließt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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