DE1270864B - Device for measuring the flow velocity of a medium - Google Patents

Device for measuring the flow velocity of a medium

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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.Device for measuring the flow velocity of a medium The invention relates to a device for measuring the flow velocity with two in the flow of the medium to be measured at such a distance one behind the other arranged, heated heat sensors that the flow of the medium is a different Cooling of the two sensors results in their resulting temperature difference determines the measurement result. The invention specifically deals with directly heated metallic ones Flow measuring probes.

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. It is known as a heat sensor in a suitably designed flow channel to use stretched or helically wound wires (e.g. according to the German Patents 242038 resp.

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.876 484), the electrical resistance of which can be measured with the temperature changes. The wires consist for example of copper, nickel or platinum and are directly heated to around 100 to 2000 C by electric current. Two of those Heat wires are in the flow of the medium to be measured at such a distance behind one another arranged that the flow a different cooling of the two sensors for The consequence is that the flow medium is caused by the heat dissipation of the first hot wire and possibly any intermediate radiator (e.g. according to German patent 745 639) is heated before it meets the second hot wire. This results a temperature difference of the heating resistors and thus because of their temperature dependence a resistance difference measured using known electrical methods and is transmitted to a display device as a measure of the flow velocity.

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. Such hot wire flow measuring probes have the disadvantage of greatly decreasing Display sensitivity with increasing flow velocity, because that of the first The heat energy given off by the hot wire is shared by an increasing amount of the flowing Medium with, so that its lower heating on the cooling of the second After all, the hot wire barely has any impact and the display even declines. Man tried to produce the cooling effect by means of a directed nozzle flow or to support (e.g. according to German patent specification 633 881 or the USA patent 2,379,293), but without coming close enough to the goal of a linear display to be.

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.Furthermore, the low electrical resistance of the hot wires is disadvantageous, which causes a high power consumption of corresponding flow meters. That's why and in order to get a sufficiently fast response from the display, very thin, mechanically sensitive wires are used, their holder in particular moving devices is problematic. Wire coils still offer the cheapest Compromise solution.

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. First of all, the present invention is based on the knowledge that as a heat sensor heated by an electric current, temperature-dependent metal film resistors serve, which are applied in the manner of an etched circuit to an insulating carrier film which means that there is no turbulence in the flow on individual wires. The metal film resistors with their serpentine or spiral lines Conductors, which have the function of resistance wires, act like a uniform, self-contained resistance surface with a flow between the individual resistance tracks is impossible. Due to the well-smooth, coherent The surface of the metal film resistors is limited to that between the two heat sensors, which can be applied to a common film, transported thermal energy on a thin boundary layer without being caused by turbulence in the flow medium to spread the entire width of the flow channel. That affects in a considerable way Increased sensitivity and improved linearity compared to hot wires. Therefore, a greater distance between the heat sensor and the duct wall can be maintained which means less loss of heating energy. Due to the low The thickness of the metallic film results together with the relatively large overall length the metallic conductors (e.g. nickel) also have relatively large electrical resistances the heat sensor, what with a low power consumption of the measuring device connected is. The supply voltage of movable transistorized devices is with 12 volts high enough to even connect both heat sensors in series to save energy.

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.On the other hand results from the small thickness of the metallic Film due to the low heat capacity and the relatively large surface Significant increase in display speed compared to hot wire probes. Furthermore, even with increasing flow velocity, the heat dissipation of the front Metal film resistance is still strong enough to allow the to cause rear resistance through the heated flow medium.

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. Both effects of heat transport in a thin boundary layer and the high heat dissipation thus lead to an amplification of the flow-dependent Temperature effects and too extensive a linearization of the display of the flow velocity. Due to the great geometric and electrical uniformity of the etched metal film resistors there is also a good symmetry of the displays for both directions of flow, which is particularly important for variometers for aircraft. Finally have the metal film resistors have the advantage of great mechanical stability, too important for aviation equipment.

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. Furthermore, the invention is based on the knowledge that the metal film resistors in the manner of a grid, a spiral or a serpentine line, one each across the flow of the medium running plane arranged directly behind one another at a small distance a flow shadow effect on each other depending on the direction of flow exercise.

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.An air cushion can form between the two metal film resistors, which protects the rear heat sensor from cooling down, which is not possible with hot wires is. This allows the linear display area to be used at even greater flow velocities expand.

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. The figure shows two corresponding perspectives in the flow path of the medium to be measured directly behind one another. According to the invention For example, two insulating plates 1, 2 are used as heat sensors, which are like a printed circuit with a serpentine one Electric conductors are provided, which has the function of a resistance wire in the circuit of the measuring bridge is included. The insulating platelets 1,2 can but also carry a conductor that is not shaped like a serpentine, but instead is applied in the manner of a spiral or square winding. The device works the more sensitive, the smaller the metal film resistances are.

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.The turns of the conductor can be made using photo-etching technology 3 apply with such a fineness that even with a larger number of Turns the dimensions of the platelets 5 2 are very small and of the order of magnitude of 1 mm. The conductor 3 is in this case by an electric current flowed through, which is so strong that the plate in question 1, 2, for example heated to 1500 C. The heating current flowing through the conductor 3 can at the same time be the bridge measuring current.

Heiz- und Meßstrom können sich aber auch überlagern, indem für die Heizung etwa Gleichstrom und für die Messung Wechselstrom verwendet wird.Heating and measuring currents can also be superimposed by the Heating about direct current and alternating current is used for the measurement.

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. The two plates 1, 2 are inside a small one, the flowing one Medium-carrying tube held by means of the connecting wires 4, 5. Under the influence the flow in the tube becomes the first metal film resistance from the flow medium Depending on the flow rate, it is most strongly cooled during the The second metal film resistor is, so to speak, in the slipstream of the first and accordingly only experiences less cooling or no cooling at all.

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. A preferred field of application of the flow measuring device is the variometer, which essentially isolated from temperature influences Compensating tank is closed except for an access opening and in this mouth or a supply line connected to it a sensitive device for measuring the flow velocity. Such variometers are mainly used in aircraft to determine the speed at which moves the aircraft up or down. When the aircraft approaches the surface of the earth, outside air flows into the expansion tank as the air density increases. Because Conversely, increasing air dilution occurs when the aircraft climbs out of the expansion tank a certain amount of air.

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.The speed at which the air is removed from the expansion tank in this case emerges, forms a measure for the rate of climb of the aircraft. It has found that the measuring device according to the invention has such a sensitivity and display speed that with a corresponding glider variometer The smallest updrafts can be recognized and exploited, especially since the zero point constancy and long-term stability of the metal film flowmeter among the various atmospheric pressure and temperature conditions other electrical flow measuring devices with heated heat sensors.

Claims (3)

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. Claims: 1. Device for measuring the flow velocity with two in the flow of the medium to be measured at such a distance directly one behind the other, directly heated heat sensors that the flow of the Medium results in different cooling of the two sensors, which after Kind of a resistance thermometer are included in the circuit of a measuring bridge and the resulting temperature difference determines the measurement result, d a -by characterized in that as a heat sensor heated by electric current, temperature-dependent Metal film resistors are used, which are etched in the manner of insulating circuits Carrier film are applied. 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. 2. Device according to claim 1, characterized in that the metalffiimwiderorbencies in the manner of a grid, a spiral or a serpentine line, one each across the flow of the medium running plane arranged directly behind one another at a small distance are. 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. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the heat sensor for the purpose of measuring the inflow into an expansion tank or the outflow from the same in the manner of a variometer for aircraft in the Muzzle or supply line of the expansion tank are arranged. 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, Considered publications: German Patent Specifications No. 242 038, 433 398, 631 660, 633 881, 745 639, 876484; U.S. Patent No. 2,379 293, 2,509,889; "VDI-Zeitschrift", 1961, No. 24 of August 21, 1961, 5. 1206, 1207; "Zeitschrift für Instrumentenkunde", No. 8, 1962, pp. 183 to 187; »Archive for technical matters Messen ", sheet V 116-4 from February 1954,
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