DE3013686A1

DE3013686A1 - Vorrichtung zum messen der geschwindigkeit eines stroemenden mediums

Info

Publication number: DE3013686A1
Application number: DE19803013686
Authority: DE
Inventors: Egon 214 56 Malmö Wolfshörndl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-01-04
Filing date: 1980-04-09
Publication date: 1981-10-15
Also published as: GB2046922B; US4306453A; DE3013686C2; GB2046922A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums.

Vorrichtungen dieser Art messen die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten auf Grundlage vieler verschiedener Grundsätze. Eine Art von Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit baut auf den Umstand, dass ein strömendes Medium einen erhitzten Körper in einem Grade abkühlt, der unter anderem von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums abhängt.

Bei einer vorbekannten Messvorrichtung dieser Art werden zwei Thermistoren verwendet, die sich beide im strömenden Medium befinden, von denen aber nur der eine erhitzt wird. Durch Feststellung des Unterschieds zwischen den Resistanzwerten der beiden Thermistoren, z.B. mittels einer Brückenschaltung, hat man die Strömungsgeschwindigkeit messen können. Der mit dieser Messmethode verknüpfte Nachteil besteht darin, dass die Methode sehr hohe Anforderungen an die Abstimmung der Thermistoren aufeinander stellt. Ein sehr geringer Unterschied zwischen ihren Resistanz-Temperaturcharakteristiken kann leicht einen Fehler von hauptsächlich der gleichen Grosse wie die des Messwertes ergeben.

Die sehr engen Toleranzen bedingen, dass Strömungsgeschwindigkeitsmesser dieser Art sehr kostspielig sind.

Andere bekannte Strömungsgeschwindigkeitsmesser (siehe beispielsweise das US-Patent 3 030 806) der genannten Art gehen von Thermoelementen aus, d.h. zwei aus verschiedenen Metallen bestehenden Drähten, die an zwei Stellen miteinander verlötet sind, wodurch eine thermoelektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn die Lötstellen bei verschiedenen Temperaturen gehalten werden. Werden die beiden Lötstellen im strömenden Medium angebracht und wird eine der Lötstellen mittels einer äusseren War-

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mequello erhitzt, so wird die vom Thermoelement erzeugte Spannung ein !lass der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums sein. Diese Art von Strömungsgeschwindigkeitsmeseer i.i-i. uir_: ■-fern nachteilig, dass das Thermoelement eine verhä] Ini irjirissig niedrige Empfindlichkeit hat (die erzeugte; Spannung ist von ner Größenordnung 40 iiV/°C, wenn Kupfor-Konstantan veiwsnid.irt v.^:ird).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vonichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eine?- strömenden Mediums zu messen, welche eine höhere Empfindlichkeit besitzt als die Vorrichtungen, die auf Thermoelemente bauen, aber welche dennoch zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Dies wird erfindungsmässig dadurch erreicht, dass die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch einen in das strömende Medium einzuführenden Halbleiterkörper mit zwei elektrischen Anschlüssen, Glieder zum Zustandebringen eines Temperaturgradienten im Halbleiterkörper zwischen den Anschlüssen, und einen Spannungsverstärker, an dessen Eingang die genannten Anschlüsse gekuppelt sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltschema einer Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 ein Schema, das die Spannungs-Temperaturcharakteristiken einiger Halbleitermaterialien darstellt.

Bei der Strömungsgeschwindigkeits-Messvorrichtung in Fig. 1 ist ein stabförmiger Halbleiterkörper 1 im Inneren eines Rohres 2 angebracht, in dem das Medium strömt, des-

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sen Strömungsgeschwindigkeit man zu messen wünscht. Eine Heizspirale 3 in der Form einer Wicklung um den einen Endteil des Körpers 1 ist an eine nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen. Mittels an den Enden des stabförmigen Halbleiterkörpers 1 gelegener, elektrischer Anschlüsse ist der Halbleiterkörper in Reihe mit einem Widerstand 4 an die Eingangsseite eines Operationsverstärkers 5 gekuppelt. Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 5 und dem invertierenden Eingang desselben ist ein Widerstand 6 gekuppelt, der zusammen mit dem Widerstand 4 die Verstärkung des Verstärkers 5 festlegt. Ein Voltmeter 7 zeigt die Grosse der Spannung am Ausgang des zweckmässigerweise eine hohe Eingangsimpedanz aufweisenden Verstärkers 5 an.

Die oben beschriebene Vorrichtung arbeitet in folgender Weise. Die Heizspirale 3 erhitzt das eine Ende des Körpers 1 so dass ein Temperaturgradient und somit ein Temperaturunterschied zwischen den Enden des Körpers 1 entstehen. Dieser Temperaturunterschied wird in variierendem Grad von dem im Rohr 2 strömenden Medium reduziert. Aufgrund des Temperaturgradienten wird im Halbleiterkörper 1 eine Spannung zwischen dessen Anschlüssen erzeugt, die vom Verstärker 5 verstärkt und vom Voltmeter 7 angezeigt wird.

Die zwischen den Anschlüssen des Halbleiterkörpers 1 erzeugte Spannung U ist in der Hauptsache der Form U = K · ν , worin K eine von dem strömenden Medium und der Form des Körpers abhängige Konstante, ν die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und a eine vom Medium bestimmte Konstante ist (die in erster Linie davon abhängig ist,ob es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handelt) .

Der mit der Anwendung eines Halbleiterkörpers 1 als Fühler

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verbundene Vorteil besteht vor allem in der höheren Empfindlichkeit, die man im Vergleich zu einem üblichen Thermoelement erzielt. Eine Empfindlichkeitserhöhung mit einem Faktor 10 lässt sich ohne weiteres erzielen. Somit können die an den Körper 1 angeschlossenen Auswertungskreise einfach, zuverlässig und billig gemacht werden. Die erfindungsmässige Vorrichtung ist demnach als z.B. Kraftstoffverbrauchsmesser für Kraftwagen besonders gut geeignet.

Als Beispiel anwendbarer Halbleiterkörper ist in Fig. 2 eine erste Spannungs-Temperaturkurve A für einen von Philips hergestellten NTC-Widerstand gezeigt. Dieser Widerstand hat eine Resistanz von 4,7 kohm und ist aus Nickeloxyd mit Zusatz von Titaniumionen hergestellt, er ist also ein Halbleiter des N-Typs. Der Widerstand ist stabförmig mit einer Länge von etwa 11 mm und einem Durchmesser von etwa 2,8 mm. Wie die Kurve zeigt, hat dieser Widerstand eine Empfindlichkeit von etwa 0,4 mV/°C. Ein zweites Beispiel eines Halbleiterkörpers ist in Fig. 2 mit einer Spannungs-Temperaturkurve B gezeigt, die für einen von Siemens hergestellten PTC-Widerstand gilt. Dieser Widerstand ist scheibenförmig mit einem Durchmesser von etwa 8 mm und einer Dicke von etwa 2 mm, hat eine Resistanz von 30 ohm und besteht aus mit Titaniumionen dotiertem Bariumtitanat.

Die in Fig. 2 gezeigten Kurven wurden unter Anwendung eines elektrischen Widerstandsdrahtes als Wärmequelle und eines Thermoelements aus Kupfer-Konstantan als Temperaturgeber festgelegt. Ein und derselbe Verstärker wurde zum Messen der Spannungen vom Halbleiterkörper und zum Messen der Spannungen der Thermoelemente verwendet.

Der Grund zu der im Halbleiterkörper 1 infolge des

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Teniperaturgradinnten erzeugten Spannung ist in der allgemeinen Stromtransportg]eichung:

j" = α^ · ϊϊ + o₂ · VT 5

zu linden, v;o j der Stromdichtevektor, E die Feldstärke, VT der Temperaturgradient sowie α, und a„ Material konstanten sind. Da die Zahl der Ladungsträger eines Halbleiters kräftig temperaturabhängig sind, ist die Konsinnte α- nicht versäumbar, weshalb eine Temperaturdifferonz eine nicht unwesentlic]je Spannung zustandebringt.

Es sei. schl.ieysl ich erwähnt, dass die oben beschriebene Ausführungεform im Rahmen der Erfindung in mehreren HJn-sichten abgeändert werden kann. Somit kann eine ändert Wärmequelle als die Heizspirale 3 verwendet werden und statt einer Erhitzung kann ein Teil des Halbleiterkörpers 1 abgekühlt werden.

Anstatt das Ausgangssignal des Verstärkers 5 als ein Mass der Strömungsgeschwindigkeit auszunützen, kann dieses Ausgangssignal in an sich bekannter Weise in einer Servoschleife verwendet werden, mittels welcher der Temperaturunterschied über den Körper 1 durch Regelung des der Heizspirale 3 zugeführten Stromes unverändert gehalten wird. Demnach ist der Strom ein Mass der betreffenden Strömungsgeschwindigkeit.

Patentanwalts

Dipl.-ing. Ej£der Dipl.-Ing. K.SjSWeschke

8 München 40, Eila

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Claims

Paientanw&ite

Dlpl.-Ing. E. Eder O η 1 Q P Q R

Dlpl.-Ing. K. Schieschke OU I 0 Ό ζ5 Q

München 40, ElisabethstraBe 34

Egon WOLFSHÖRNDL
Adjunktsgatan 4 A
S-214 56 MALMÖ
Schweden

VORRICHTUNG ZUM MESSEN DER GESCHWINDIGKEIT EINES STRÖMENDEN MEDIUMS

Patentansprüche

'!.Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums, gekennzeichnet durch einen in das strömende Medium einzuführenden Halbleiterkörper (1) mit zwei elektrischen Anschlüssen, Glieder (3) zum Zustandebringen eines Temperaturgradienten im Halbleiterkörper zwischen den Anschlüssen, und einen Spannungsverstärker (5), an dessen Eingang die genannten Anschlüsse gekuppelt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) ein Thermistor ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η nzeichnet, dass die Glieder (3) zum Zustandebringen des Temperaturgradienten eine um einen Teil des Halbleiterkörpers gewickelte, an eine Stromquelle angeschlossene Heizspirale ist.

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4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch eine Servoschleife, in der der Verstärker (5) mit enthalten ist und die zum Konstanthalten des Temperaturgradienten im Halbleiterkörper (1) dient.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Verstärkers (5) an einen Spannungs-Stromwandler angeschlossen ist, der die Glieder (3) zum Zustandebringen eines Temperaturgradienten im Halbleiterkörper (1) steuert.

Patentanwälte

Dipl.-Ing. E.Eder Dipl.-Ing. K. sphieschke 8 München 40, EUfSbtethstraß« 34

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