DE1270864B

DE1270864B - Einrichtung zur Messung der Stroemungsgeschwindigkeit eines Mediums

Info

Publication number: DE1270864B
Application number: DE19631270864
Authority: DE
Inventors: Martin Hornig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1963-12-31
Filing date: 1963-12-31
Publication date: 1968-06-20

Description

Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit mit zwei im Strom des zu messenden Mediums in einem solchen Abstand hintereinander angeordneten, beheizten Wärmefühlern, daß die Strömung des Mediums eine unterschiedliche Kühlung der beiden Fühler zur Folge hat, deren resultierende Temperaturdifferenz das Meßergebnis bestimmt. Die Erfindung behandelt speziell direkt erhitzte metallische Strömungsmeßsonden.
Es ist bekannt, als Wärmefühler in einem geeignet ausgebildeten Strömungskanal aufgespannte oder wendelförmig gewickelte Drähte zu verwenden (z. B. nach den deutschen Patentschriften 242038 bzw.
876 484), deren elektrischer Widerstand sich meßbar mit der Temperatur ändert. Die Drähte bestehen beispielsweise aus Kupfer, Nickel oder Platin und werden durch elektrischen Strom direkt auf etwa 100 bis 2000 C aufgeheizt. Zwei derartige Hitzedrähte sind im Strom des zu messenden Mediums in einem solchen Abstand hintereinander angeordnet, daß die Strömung eine unterschiedliche Kühlung der beiden Fühler zur Folge hat, da das Strömungsmedium durch Wärmeabgabe des ersten Hitzdrahtes und gegebenenfalls zwischenliegender beliebiger Heizkörper (z.B nach der deutschen Patentschrift 745 639) erwärmt wird, bevor es auf den zweiten Hitzdraht trifft. Dadurch resultiert eine Temperaturdifferenz der Heizwiderstände und somit wegen deren Temperaturabhängigkeit eine Widerstandsdifferenz, die mit bekannten elektrischen Methoden gemessen und als ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit auf ein Anzeigegerät übertragen wird.
Derartige Hitzdraht-Strömungsmeßsonden haben den Nachteil stark nachlassender Anzeigeempfindlichkeit bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit, denn die vom ersten Hitzdraht abgegebene Wärmeenergie teilt sich einer immer größeren Menge des strömenden Mediums mit, so daß sich dessen geringere Erwärmung auf die Kühlung des zweiten Hitzdrahtes schließlich kaum noch auswirkt und die Anzeige sogar zurückgeht. Man hat versucht, den Kühlungseffekt durch eine gerichtete Düsenströmung hervorzurufen oder zu unterstützen (z.B. nach der deutschen Patentschrift 633 881 bzw. dem USA.-Patent 2 379 293), ohne jedoch dem Ziel einer linearen Anzeige ausreichend nahegekommen zu sein.
Weiterhin ist der geringe elektrische Widerstand der Hitzdrähte nachteilig, was einen hohen Stromverbrauch entsprechender Strömungsmeßgeräte verursacht. Deshalb und um eine ausreichend schnelle Anzeigereaktion zu erhalten, müssen sehr dünne, mechanisch empfindliche Drähte verwendet werden, deren Halterung insbesondere bei beweglichen Geräten problematisch ist. Drahtwendeln bieten hierbei noch die günstigste Kompromißlösung.
Zunächst liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß als Wärmefühler durch elektrischen Strom erhitzte, temperaturabhängige Metallfilmwiderstände dienen, die nach Art einer geätzten Schaltung auf isolierende Trägerfolie aufgebracht sind, wodurch eine Verwirbelung der Strömung an einzelnen Drähten nicht vorkommt. Die Metallfilmwiderstände mit ihren schlangenlinienförmig oder spiralig verlaufenden Stromleitern, die die Funktion der Widerstandsdrähte haben, wirken wie eine einheitliche, in sich geschlossene Widerstandsfläche, bei welcher eine Durchströmung zwischen den einzelnen Widerstandsbahnen unmöglich ist. Durch die gut glatte, zusammenhängende Oberfläche der Metallfilmwiderstände beschränkt sich die zwischen den beiden Wärmefühlern, die auf einer gemeinsamen Folie aufgebracht sein können, transportierte Wärmeenergie auf eine dünne Grenzschicht, ohne sich durch Verwirbelung des Strömungsmediums in der ganzen Breite des Strömungskanals auszubreiten. Das wirkt sich in einer erheblichen Empfindlichkeitssteigerung und Linearitätsverbesserung gegenüber Hitzdrähten aus. Daher kann auch ein größerer Abstand der Wärmefühler von der Kanalwandung eingehalten werden, was einen geringeren Verlust an Heizenergie bedeutet. Durch die geringe Dicke des metallischen Films ergeben sich zusammen mit der relativ großen Gesamtlänge der metallischen Stromleiter (z. B. Nikkel) auch relativ große elektrische Widerstände der Wärmefühler, was mit einem geringen Stromverbrauch des Meßgerätes verbunden ist. Die Versorgungsspannung beweglicher transistorisierter Geräte ist mit 12 Volt hoch genug, um sogar beide Wärmefühler stromsparend in Reihe zu schalten.
Andererseits ergibt sich durch die geringe Dicke des metallischen Films infolge der geringen Wärmekapazität und der relativ großen Oberfläche eine erhebliche Steigerung der Anzeigegeschwindigkeit gegenüber den Hitzdrahtsonden. Ferner ist auch bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit die Wärmeabgabe des vorderen Metallfilmwiderstandes noch ausreichend stark, um eine schwächere Abkühlung des hinteren Widerstandes durch das erwärmte Strömungsmedium zu verursachen.
Beide Effekte des Wärmetransports in einer dünnen Grenzschicht und der hohen Wärmeableitfähigkeit führen also zu einer Verstärkung der strömungsabhängigen Temperatureffekte und zu weitestgehender Linearisierung der Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit. Durch die große geometrische und elektrische Gleichmäßigkeit der geätzten Metallfilmwiderstände ergibt sich außerdem eine gute Symmetrie der Anzeigen für beide Strömungsrichtungen, was insbesondere bei Variometern für Luftfahrzeuge wichtig ist. Schließlich haben die Metallfilmwiderstände den Vorteil einer großen mechanischen Stabilität, ebenfalls wichtig für Luftfahrtgeräte.
Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die Metallfilmwiderstände nach Art eines Gitters, einer Spirale oder Schlangenlinie in je einer quer zur Strömung des Mediums verlaufenden Ebene in geringem Abstand unmittelbar hintereinander angeordnet eine Strömungsschattenwirkung je nach Strömungsrichtung gegenseitig aufeinander ausüben.
Zwischen beiden Metallfilmwiderständen kann sich ein Luftpolster ausbilden, das den hinteren Wärmefühler vor Abkühlung schützt, was bei Hitzdrähten nicht möglich ist. Dadurch läßt sich der lineare Anzeigebereich zu noch größeren Strömungsgeschwindigkeiten ausweiten.
Die Abbildung zeigt perspektivisch zwei dementsprechend im Strömungsweg des zu messenden Mediums unmittelbar hintereinander angeordnete Wärmefühler. Erfindungsgemäß werden als Wärmefühler beispielsweise zwei isolierende Plättchen 1, 2 verwendet, die nach Art einer gedruckten Schaltung mit einer schlangenlinienförmig verlaufenden Stromleiter versehen sind, der die Funktion eines Widerstandsdrahtes hat, der in den Stromkreis der Meßbrücke einbezogen ist. Die isolierenden Plättchen 1,2 können aber auch einen Stromleiter tragen, der nicht nach Art einer Schlangenlinie, sondern statt dessen nach Art einer Spirale oder quadratischen Wicklung aufgebracht ist. Die Einrichtung arbeitet um so empfindlicher, je kleiner die Metallfilmwiderstände sind.
Mittels Fotoätztechnik lassen sich die Windungen des Stromleiters 3 mit einer derartigen Feinheit aufbringen, daß selbst bei einer größeren Zahl von Windungen die Abmessungen der Plättchen 5 2 sehr gering sind und in der Größenordnung von 1 mm liegen können. Der Stromleiter 3 wird hierbei von einem elektrischen Strom durchflossen, der so stark ist, daß sich das betreffende Plättchen 1, 2 beispielsweise auf 1500 C erhitzt. Der den Stromleiter 3 durchfließende Heizstrom kann zugleich der Brückenmeßstrom sein.
Heiz- und Meßstrom können sich aber auch überlagern, indem für die Heizung etwa Gleichstrom und für die Messung Wechselstrom verwendet wird.
Die beiden Plättchen 1, 2 sind im Innern eines kleinen, das strömende Medium führenden Röhrchens mittels der Anschlußdrähte 4, 5 gehalten. Unter dem Einfluß der Strömung in dem Röhrchen wird der erste Metallfilmwiderstand von dem Strömungsmedium in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit am stärksten gekühlt, während der zweite Metallfilmwiderstand sozusagen im Windschatten des ersten liegt und dementsprechend nur eine geringere bzw. gar keine Kühlung erfährt.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Strömungsmeßeinrichtung ist das Variometer, welches im wesentlichen aus einem gegen Temperatureinflüsse isolierten Ausgleichsgefäß besteht, das bis auf eine Zutrittsöffnung geschlossen ist und in dieser Mündung oder einer mit dieser verbundenen Zuleitung eine empfindliche Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit besitzt. Solche Variometer werden vor allem in Flugzeugen zur Bestimmung derjenigen Geschwindigkeit verwendet, mit welcher sich das Flugzeug nach oben oder unten bewegt. Nähert sich das Flugzeug der Erdoberfläche, so strömt Außenluft in das Ausgleichsgefäß ein, da die Luftdichte größer wird. Wegen zunehmender Luftverdünnung tritt umgekehrt beim Steigen des Flugzeuges aus dem Ausgleichsgefäß eine gewisse Menge Luft aus.
Die Geschwindigkeit, mit der in diesem Fall die Luft aus dem Ausgleichsgefäß austritt, bildet ein Maß für die Steiggeschwindigkeit des Flugzeuges. Es hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Meßeinrichtung eine solche Empfindlichkeit und Anzeigeschnelligkeit aufweist, daß mit einem entsprechenden Segelflugrariometer kleinste Aufwinde erkannt und ausgenutzt werden können, zumal die Nullpunktkonstanz und Langzeitstabilität der Metallfilm-Strömungsmeßsonde unter den verschiedenen atmosphärischen Luftdruck- und Temperaturbedingungen andere elektrische Strömungsmeßeinrichtungen mit erhitzten Wärmefühlern übertrifft.

Claims

Patentansprüche: 1. Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit mit zwei im Strom des zu messenden Mediums in einem solchen Abstand unmittelbar hintereinander angeordneten, direkt beheizten Wärmefühlern, daß die Strömung des Mediums eine unterschiedliche Kühlung der beiden Fühler zur Folge hat, die nach Art eines Widerstandsthermometers in den Stromkreis einer Meßbrücke einbezogen sind und deren resultierende Temperaturdifferenz das Meßergebnis bestimmt, d a -durch gekennzeichnet, daß als Wärmefühler durch elektrischen Strom erhitzte, temperaturabhängige Metailfilmwiderstände dienen, die nach Art geätzter Schaltungen auf isolierende Trägerfolie aufgebracht sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalffiimwiderstände nach Art eines Gitters, einer Spirale oder Schlangenlinie in je einer quer zur Strömung des Mediums verlaufenden Ebene in geringem Abstand unmittelbar hintereinander angeordnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmefühler zwecks Messung der Einströmung in ein Ausgleichsgefäß bzw. der Ausströmung aus demselben nach Art eines Variometers für Luftfahrzeuge in der Mündung oder Zuleitung des Ausgleichsgefäßes angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 242 038, 433 398, 631 660, 633 881, 745 639, 876484; USA.-Patentschriften Nr. 2 379 293, 2 509 889; »VDI-Zeitschrift«, 1961, Nr. 24 vom 21. 8. 1961, 5. 1206, 1207; »Zeitschrift für Instrumentenkunde«, Heft 8, 1962, S. 183 bis 187; »Archiv für Technisches Messen«, Blatt V 116-4 vom Februar 1954,