DE916592C

DE916592C - Hitzdrahtmessgeraet zur Messung stationaerer und instationaerer Geschwindigkeiten von Gasen und Fluessigkeiten

Info

Publication number: DE916592C
Application number: DEW9124A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Ottmar Wehrmann
Original assignee: OTTMAR WEHRMANN DR ING
Current assignee: OTTMAR WEHRMANN DR ING
Priority date: 1952-07-25
Filing date: 1952-07-25
Publication date: 1954-08-12

Description

Hitzdrahtmeßgerät zur Messung stationärer und instationärer Geschwindigkeiten von Gasen und Flüssigkeiten Die Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und deren Schwankungen (Turbulenz), von Flüssigkeiten und Gasen mittels eines Hitzdrahtes ist bekannt.
Benutzt wird hierbei die Tatsache, daß der elektrische Widerstand eines Drahtes temperaturabhängig ist.
Wird ein Hitzdraht bei der Strömungsgeschwindigkeit Null auf eine bestimmte Temperatur gebracht, so ändert sich die Temperatur mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit durch Wärmeaustausch mit der Umgebung. Dadurch ist es möglich, durch die Widerstandsänderung nach erfolgter Eichung auf die Strömungsgeschwindigkeit zu schließen.
Die Widerstandsmessung erfolgt in der Praxis meist durch die Wheatstonesche Brücke. Es bestehen zwei prinzipielle Meßmöglichkeiten: a) die Messung des Widerstandes in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit bei konstantem Strom durch den Hitzdraht und b) die Messung des Heizstromes für den Hitzdraht in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit für konstanten Widerstandswert bzw. konstante Temperatur des Hitzdrahtes.
Für viele Fälle der Praxis, bei denen die Drahttemperatur über der Temperatur des Strömungsmittels liegt, hat die Methode a) den Nachteil, daß der Meßbereich nur beschränkt ist, da von einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit an die Abkühlung des Hitzdrahtes so weit fortgeschritten ist, daß keine Widerstandsänderung mehr erfolgen kann.
Dagegen bietet Methode b) den Vorteil, den Meßbereich beliebig erweitern zu können, erfordert aber dabei eine dauernde Nachregelung des Heizstromes.
Eine weitere zu beachtende Eigenschaft des Hitzdrahtes ist seine von den Dimensionen und der Drahttemperatur abhängige Trägheit, welches besonders bei Messungen von Geschwindigkeitsschwankungen zu berücksichtigen ist.
Die Trägheit ist frequenzabhängig. Bisher wurde sie kompensiert durch einen Verstärker, welcher einen mit zunehmender Frequenz ansteigenden Verstärkungsfaktor hat. Für den Fall, daß die Meßmethode b) angewendet wird, ergibt sich der Vorteil, daß die Trägheit infolge der konstant gehaltenen Drahttemperatur frequenzunabhängig wird.
Letztlich bliebe zu beachten, daß die Temperatur des strömenden Mediums einen Einfluß auf die Messung hat. Bisher angegebene Kompensationsschaltungen (Handbuch der Experimentalphysik, IV, I, 5.637) mit sechs Hitzdrähten erweisen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr als nötig. Vielmehr wird zur Kompensation nur noch ein zusätzlicher Draht benötigt.
Der Zweck der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, die bei der Methode b) erforderliche Nachregelung des Heizstromes automatisch vorzunehmen und die Hitzdrahttemperatur konstant zu halten, ohne daß zur Gewinnung einer mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit größer werdenden Regelspannung ein Kleinerwerden der Drahttemperatur nötig ist. Dadurch ist I. eine Messung der Geschwindigkeit über einen sehr großen Bereich möglich, 2. eine Messung der Geschwindigkeitsschwankungen von der Frequenz Null ab möglich und 3. eine Messung der Geschwindigkeit und der Turbulenz unabhängig von der Temperatur des Mediums möglich.
Nach der Erfindung dient eine elektronische Regeleinrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur des Hitzdrahtes.
Die Meßanordnung gemäß Fig. I besteht aus der Brückenanordnung und dem elektronischen Regelgerät. In der Brücke befinden sich R1 ein Festwiderstand, R2 der Hitzdraht und R3 zum Abgleich der Brücke. Die Speisung der Brücke an den Punkten c und d und damit die Erwärmung des Hitzdrahtes R2 erfolgt mitWechselspannung, deren Frequenz der höchsten zu messenden Turbulenzfrequenz, welche bis zu 20 kHz betragen kann, angepaßt ist. Hierzu ist es z. B. nötig, daß die Brückenfrequenz, die man auch als Trägerfrequenz ansehen kann, ungefähr die zehnfache Frequenz der Turbulenz hat.
Nachdem der Hitzdraht durch Einstellen der Amplitude des Wechselspannungsgenerators auf die gewünschte Temperatur gebracht worden ist, wird die Brücke durch den Widerstand R3 abgeglichen.
Wird der Hitzdraht R2 angeblasen, so ändert sich sein Widerstandswert, und es entsteht die Brückenspannung e#. Diese wird verstärkt, gleichgerichtet und dient nach Betätigen des Schalters S1 zur Regelung der Amplitude des Wechselspannungsgenerators, je größer die Spannung e= ist, desto größer wird E#.
Betrachtet man die gesamte Regelanordnung, so gilt, daß der Verstärkungsfaktor V = er von der Amplitude unabhängig ist: E#/e# = V = const. Dies vorausgesetzt, ergibt sich die Regelwirkung wie folgt: Annahme: Spannung zwischen b - d = E#/2 . (I) Spannung zwischen R2 a - a = @@ # @2 = . (II) R1 + R2 Damit E# E# # R2 e# = (#) (III) 2 R1 + R2 E# R1 - R2 E# R1 + R2 e# = # ; = 2 # .
2 R1 + R2 e# R1 - R2 (IV) E# Nun gilt aber nach Voraussetzung: = V = const.
R1 + R2 Also muß 2 # konstant sein. Da R1 ein Fest-R1-R widerstand ist, muß R2, der Widerstand des Hitzdrahtes, zur Erfüllung der Bedingung (IV) auch kon-E# stant bleiben. Der Quotient sagt selbst nichts e# aus über |E#|, so daß sich also, um R2 konstant zu halten, immer in Abhängigkeit von der Strömung um R2 eine solche Amplitude E#| bildet, daß die Forderung R1 + R2 2 # = constant R1 - R2 erfüllt ist.
Damit ist die Aufgabe erfüllt, eine Regelung zu erzielen, welche die Temperatur des Hitzdrahtes konstant hält.
Die Abnahme der Meßspannung (Fig. 2) zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit geschieht an den Punkten c-d. Ein weiterer Gleichrichter richtet den Träger gleich, so daß am Ausgang sowohl die Grundkomponente der Strömung als auch deren Turbulenz von o Hz ab enthalten sind. Für den Fall, daß nur die Turbulenz gemessen werden soll, kann durch einen zweiten Ausgang, welcher aus einem Kondensator besteht, der die Grundkomponente (Gleichspannung) abhält, die reine Turbulenz gemessen werden.
Die Kompensation gegen Variationen der Temperatur des strömenden Mediums geschieht wie folgt: Der Widerstand R1 wird aus demselben Material ausgeführt wie der Hitzdraht R2, nur wesentlich dicker. Er wird im Strömungsfeld derart befestigt, daß er nur der Temperatur der Strömung, nicht aber der Bewegung des Mediums ausgesetzt ist. Dies - geschieht z. B. dadurch, daß er in den vorderen oder hinteren Staupunkt eines umströmten Körpers zu liegen kommt. In der Zeichnung Fig. 3 liegt R1 beispielsweise im vorderen Staupunkt der Haltevorrichtung des Hitzdrahtes.
Für diesen Fall wäre Gleichung (IV) zu erweitern in E# R1(1 + aT) + R2 (1 + aT) = 2 # . e# R1(1 + aT) - R2 (1 + aT) Der Multiplikator (I + a T) kann im Falle des gleichen Materials für R1 und R2 in dem obigen Quotienten gekürzt werden. Dadurch ist die Temperaturunabhängigkeit erreicht.
Das dargelegte Prinzip gilt in gleicher Weise für tropfbare Flüssigkeiten und für alle Arten von Gasen, ferner in entsprechender Abwandlung für mehrere Hitzdrähte u. dgl.
PATENTANSPRVCHE: 1. Gerät zur Messung der Geschwindigkeit und ihrer Schwankungen für Gase und Flüssigkeiten nach dem Hitzdrahtverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Hitzdrahtes durch eine elektronische Regelung konstant gehalten wird.

Claims

2. Gerät zur Messung der Geschwindigkeit und ihrer Schwankungen für Gase und Flüssigkeiten nach dem Hitzdrahtverfahren nach Anspruch 1 mit einer Brückenschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß eine an die eine der beiden Brückendiagonalen einer Wheatstoneschen Brücke angeschlossene Verstärkersteuergleichrichter- und Wechselspannungsgeneratoranordnung, deren Verstärkungsfaktor von der Amplitude unabhängig ist, mit ihrer Ausgangsspannung die andere Brückendiagonale speist, so daß infolge des doppelten Gleichgewichtes der Brückenanordnung keine Veränderung der Hitzdrahttemperatur mit wechselnder Strömungsgeschwindigkeit zur Gewinnung der Regelspannung für die Temperaturkonstanthaltung nötig ist.

3. Gerät zur Messung der Geschwindigkeit und ihrer Schwankungen für Gase und Flüssigkeiten nach dem Hitzdrahtverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Brücke eine Wechselspannung verwendet ist, deren Amplitudenmodulation zur Anzeige der Geschwindigkeitsschwankungen beliebiger Frequenz dient.

4. Gerät zur Messung der Geschwindigkeit und ihrer Schwankungen für Gase und Flüssigkeiten nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem Hitzdraht ein zweiter Brückenzweig im Strömungsfeld liegt und dessen Temperatur annimmt.

5. Gerät zur Messung der Geschwindigkeit und ihrer Schwankungen für Gase und Flüssigkeiten nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Brückenzweig an einem Punkt des Strömungsfeldes angeordnet ist, an dem die Geschwindigkeit Null herrscht.

6. Gerät zur Messung der Geschwindigkeit und ihrer Schwankungen für Gase und Flüssigkeiten nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Brückenzweig im vorderen oder hinteren Staupunkt der Hitzdrahthaltevorrichtung angeordnet ist.

Angezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr. 972 353, 559 765; USA.-Patentschrift Nr. 2 412 471.