DE3234146A1

DE3234146A1 - Flowmeter with heat pulse marking

Info

Publication number: DE3234146A1
Application number: DE19823234146
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr. 2308 Preetz Kroebel
Original assignee: KROEBEL WERNER
Current assignee: Hdw-Elektronik 2300 Kiel De GmbH
Priority date: 1982-09-15
Filing date: 1982-09-15
Publication date: 1984-03-15

Abstract

Published without abstract.

Description

Strömungsmesser mit Wärmeimpuls Markierung Flow meter with heat pulse marking

Strömungsmessungen von Wasserkörpern nehmen in meereskundlichen Forschungen einen zentralen Platz ein. Es gibt daher viele Anstrengungen und Lösungen für die Durchführung derartiger Messungen. Indessen ist die Mannigfaltigkeit der meereskundlichen Strömungs-Phänomene so groß, daß zu ihren Problemlösungen sehr verschiedene Meßmethoden benötigt werden. Die Bemühungen um Möglichkeiten und Realisierungen von Strömungsmessungen sind daher ein Dauerproblem.Current measurements of water bodies take part in marine research a central place. There are therefore many efforts and solutions for that Carrying out such measurements. The multiplicity, however, is that of oceanography Flow phenomena are so great that very different measurement methods can be used to solve their problems are needed. The efforts to find possibilities and realizations of flow measurements are therefore a permanent problem.

Von H. Kuhn, - s. Rep. OCEAN 1976 S. 1091 - ist ein Meßverfahren zur Strömungsmessungen beschrieben und studiert worden, bei dem ein Wärmeimpuls der Strömung aufqepräat, mit dieser mitgenommen und etwas später thermometrisch gemessen wurde. Aus dem Zeitabstand zwischen Erzeugung des Wärmeimpulses und seinem Eintreffen am distanziert fixierten Thermometer konnten dann Strömungen gemessen werden.By H. Kuhn, - see Rep. OCEAN 1976 p. 1091 - is a measuring method for Flow measurements have been described and studied in which a heat pulse of the Flow aufqepräat, taken with it and measured thermometrically a little later became. From the time interval between the generation of the heat pulse and its arrival Currents could then be measured on the thermometer, which was fixed at a distance.

Indessen die H. Kuhn zur Verfügung gestaK1B7en Heizer und Thermometer hatten sehr große Zeitkonstanten, störten wegen ihrer relativ großen Dimensionen das Strömungsfeld und ergaben keine verwertbaren Meßergebnisse.In the meantime, the H. Kuhn provided heaters and thermometers had very large time constants, interfering with their relatively large dimensions the flow field and gave no usable measurement results.

29 10 957.7 u. P 3024887.4 Der Anmelder hat nun in s. Anm. P Thermometer und Heizer erdacht, die es erlauben, eine Strömungsmessung in Wasser mit Anordnungen zu erzielen, mit denen das Problem einer Strömungsmessung -l mit einer Wärmeimpuismarkierung lösbar ist. Sie bilden den Gegenstand der Erfindung, die nachfolgend beschrieben wird. 29 10 957.7 and P 3024887.4 The applicant now has in see note P thermometer and heaters that allow a flow measurement in water with assemblies to achieve with which the problem of a flow measurement -l with a heat impulse marking is solvable. They form the subject of the invention, which is described below will.

Eine erste Ausfrührungsform des neuen Strömungsmessers ist in Fig. la, b schematisch dargestellt. Er befindet sich in einem durch Str bezeichneten Strömungsfeld. In der Anordnung Fig. la,b trifft diese Strömung auf einen Heizer: H, der mit elektrischen Kurzzeitimpulsen periodisch geheizt wird. Er besteht aus einem dünnen Draht von ca 0,01 mm Durchmesser und läßt sich durch einen Stromimpuls einer Halbwertsdauer von etwa 10m Sek. aufheizen. Durch die Strömung Str bewegt sich dann ein Wärmemarkierungsimpuls, der mit der Strömung an das Thermometer Th mit einer Zeitverzögerung gelangt, die gemessen wird und über den bekannten konstruktiv gegebenen Abstand d die Strömungsgeschwindigkeit ergibt. Da auch das Thermometer Th aus einem sehr dünnen elektrischen Widerstandsdraht besteht, ist der Einfluß von H und Th im Strömungsfeld auf die Strömung Str auch noch für Abstände d von ca 0,5 2 mm zu vernachlässigen.A first embodiment of the new flow meter is shown in Fig. la, b shown schematically. It is located in a designated by Str Flow field. In the arrangement Fig. La, b this flow meets a heater: H, which is periodically heated with electrical short-term pulses. It consists of a thin wire approx. 0.01 mm in diameter and can be driven by a current pulse for a half-life of about 10m sec. Moved by the flow Str Then a thermal marker impulse, which with the flow to the thermometer Th arrives with a time delay that is measured and beyond the known constructive given distance d gives the flow velocity. There is also the thermometer Th from a very thin electrical resistance wire consists, the influence of H and Th in the flow field on the flow Str is also for Distances d of approx. 0.5 2 mm are negligible.

Nun strömt der Markierungsimpuls im Strömungsfeld nur innerhalb eines engen Kanals K wie dies die Fig. 1b zeigt. Würden daher die Drähte H und Th parallel zueinander angeordnet, sind Strömungsmessungen nur möglich, wenn der Strom seiner Richtung nach von H nach Th verläuft. Strömungsgeschwindigkeitsmessungen mit einer solchen Anordnung erfordern daher im freien Wasser bekannte Richtungsfahnen, die dafür sorgen, daß das System H - Th stets in Strömungsrichtung gehalten wird.Now the marking impulse flows in the flow field only within one narrow channel K as shown in FIG. 1b. Hence, wires H and Th would be parallel arranged to each other, flow measurements are only possible if the flow of its Direction from H to Th. Flow velocity measurements with a such an arrangement therefore require known directional flags in the open water ensure that the system H - Th is always kept in the direction of flow.

Thermometer nach der oben bezeichneten Anmeldung des Anmelders sind indessen so temperaturempfindlich, daß auch in Anordnungen nach Fig. 2a u. b der vom Heizer H ausgehende und mit dem Strom mitgeführte Wärmeimpuls noch ausreichend gut gemessen werden kann. In dieser Anordnung stehen Heizer H und Thermometer Th senkrecht aufeinander, wie dies perspektivisch Fig. 2a und im Querschnitt Fig. 2b zeigt. Daraus folgt, daß in einer solchen Anordnung die Strömungsrichtung in Ebenen senkrecht zum Heizer H jeweils die x-Komponente der Strömungsgeschwindigkeit ergibt. Mit zwei solchen senkrecht zueinander angeordneten Meßanordnungen noch Fig. 2a und b können daher sowohl die x- wie auch die y- Komponente der Strömung gemessen werden.Thermometers according to the registration of the applicant referred to above however, so temperature sensitive that even in the arrangements according to Fig. 2a and b of The heat pulse emanating from the heater H and carried along with the current is still sufficient can be measured well. In this arrangement there are heater H and thermometer Th perpendicular to one another, as shown in perspective Fig. 2a and in cross section Fig. 2b shows. It follows that in such an arrangement the direction of flow is in planes perpendicular to the heater H results in the x-component of the flow velocity. With two such measuring arrangements arranged perpendicular to one another, see FIGS. 2a and b, both the x and the y components of the flow can therefore be measured.

Für räumliche Messungen wäre dann eine weitere sinngemäße Anordnung zur Z-Komponente nötig, und um Strömungen über 3600 Winkel messen zu können, ist jede der Anordnungen nach den Fig. 1 u. 2 durch ein zweites zusätzliches Thermometer symmetrisch zu H zu ergänzen.A further analogous arrangement would then be used for spatial measurements to the Z-component is necessary, and to be able to measure flows over 3600 angles each of the arrangements of Figures 1 and 2 by a second additional thermometer to be added symmetrically to H.

Die Fig. 3a zeigt demgegenüber eine bessere Lösung. In ihr umgibt das Thermometer Th den Heizer H kreisförmig. Dadurch wird unabhängig von der Strömungsrichtung in der Ebene des kreisförmig ausgebildetenThermometers Th stets der absolute Betrag des Stromes gemessen. Da gemäß die Mitführung des Heizimpulses gemäß Fig. 3b in einem schmalen Kanal erfolgt, läßt sich mit einer Anordnung nach Fig. 4a perspektivisch und Fig 4b im Querschnitt die Strömungsrichtung mit Hilfe eines 2. Thermometers Th2 bestimmen, wenn dieses spiralig ausgeführt wird und das kreisförmige Thermometer Th umschließt. Denn mit Th2 ergeben sich Zeitabstände, die richtungsabhängig sind. Mit 2 derartigen Anordnungen lassen sich dann auch Vertikalkomponenten der Strömung messen.In contrast, Fig. 3a shows a better solution. In it surrounds the thermometer Th the heater H circular. This makes it independent of the direction of flow always the absolute value in the plane of the circular thermometer Th of the current measured. Since according to the entrainment of the heating pulse according to FIG. 3b in takes place in a narrow channel, can be seen in perspective with an arrangement according to FIG. 4a and FIG. 4b, in cross section, the direction of flow with the aid of a second thermometer Determine Th2, if this is done in a spiral and the circular one Thermometer encloses th. Because with Th2 there are time intervals that are direction-dependent are. With two arrangements of this type, vertical components of the Measure flow.

Durch die beschriebene Erfindung erlaubt Strömungsmessungen erst durch die Anwendung der oben bezeichneten Anm. Denn erst durch diese ist es möglich, die in den Figuren schematisch dargestellten Anordnungen mit Drähten für den Heizer und die Thermometer zu realisieren, die wegen ihrer Dimensionierung smöglichkeiten bis herunter zu Durchmessern von 0,01 mm und weniger keinen Einfluß in Bezug auf die Strömungsmessungen selbst bei Abständen von d kleiner als 1 mm ausüben. Außerdem sind nur mit solchen Drähten die erforderlichen kleinen Zeitkonstanten erreichbar. Diese Möglichkeit der Anwendung sehr kleiner Dimensionen bieten auch überhaupt erst die Durchführbarkeit von Strömungsmessungen bei Geschwindigkeiten von Millimeter-und Zentimeter pro Sekunde und dies noch in kleinen Volumina wie dies für meereskundliche Problemlösungen nötig ist.The described invention allows flow measurements only through the application of the above-mentioned note. Because only through this it is possible, the Arrangements with wires for the heater shown schematically in the figures and to realize the thermometers that are possible because of their dimensioning down to diameters of 0.01 mm and less no influence in relation to perform the flow measurements even at distances of d smaller than 1 mm. aside from that the required small time constants can only be achieved with such wires. This possibility of using very small dimensions is only offered in the first place the feasibility of flow measurements at speeds of millimeters and Centimeters per second and this even in small volumes like this for oceanography Problem solving is needed.

Die beschriebenen Möglichkeiten von Strömungsmessungen sind indessen in ihrer Anwendung auf marine und limnologische Forschungen nicht beschränkt.The possibilities of flow measurements described are, however not limited in their application to marine and limnological research.

Insbesondere finden sie z.B. auch Anwendungen in der medizinischen Forschung und Diagnose. Denn die Erfindung läßt sich z.B. sehr gut anpassen an die Messungen von Strömungen des Blutes in den Blutgefäßen des Menschen.In particular, they are also used, for example, in medical Research and diagnosis. Because the invention can, for example, be adapted very well to the Measurements of blood flow in human blood vessels.

Die Anmeldung soll daher keinesfalls auf marine Anwendungen beschränkt bleiben und die besonderen Anpassungsmöglichkeiten der Anmeldung, Strömungsmessungen unter besonderen Bedingungen durchzuführen, liegen nach dem Anmelder lediglich im Bereiche des Standes der Technik.The application is therefore in no way intended to be restricted to marine applications stay and the special customization options of registration, flow measurements to be carried out under special conditions are, according to the applicant, only in Prior art areas.

Die Messung von Zeitabständen zwischen dem Erzeugerimpuls und dem durch die Mitführung des Wärmeimpulses mit der Strömung ist bekannt, macht aber erhöhte Meßungenauigkeiten. Nun kann der Heizimpuls bei Zeitkonstanten bis herunter zu 0,1 mSek sehr kurz gemacht werden. Es ist daher möglich die Heizimpulse periodisch aufeinander folgen zu lassen. Die Meßergebnisse zeigen, daß mit solchen periodischen Impulsen Frequenzen bis etwa 100 Hz erreicht werden können. Das bedeutet, daß es für die Messungen der Strömungsgeschwindigkeit nur darauf ankommt, die Zeitverschiebung zweier Impulsfolgen zu bestimmen.The measurement of time intervals between the generator pulse and the by the entrainment of the heat impulse with the flow is known, but makes increased measurement inaccuracies. Now the heating pulse can go down to time constants can be made very short to 0.1 msec. It is therefore possible to have the heating pulses periodically to let them follow one another. The measurement results show that with such periodic Pulse frequencies up to about 100 Hz can be achieved. That means it for the measurements of the flow velocity only the time difference is important to determine two pulse trains.

Das erlaubt dann eine wesentlich erhöhte Meßgenauigkeit. Wenn dann die Zeitabstände der Impulsreihen mehrdeutig werden, kann entweder die Frequenz herabgesetzt werden oder es kann z.B. jeder 2. oder nte Impuls schwächer oder stärker gemacht werden oder ausfallen.This then allows a significantly increased measurement accuracy. If then the time intervals between the pulse series become ambiguous, either the frequency can be reduced or e.g. every 2nd or nth impulse can be weaker or stronger be made or fail.

Claims

Claims Claim 1 flow meter with thermal pulse marking thereby characterized that the measuring arrangement consists of an extremely thin heating wire with extremely small time constant for marking a narrowly limited heat front in the measuring medium and consists of an extremely thin electrical resistance wire as a thermal Sensor with extremely small time constant and high thermal resolution for the purpose the display of the arrival time in the presence of a flow from the heater to the Thermal sensor entrained heat front, with the duration of the heat front entrainment The flow velocity over the distance from the heater to the thermometer with a known distance is determined.

Claim 2 flow meter with heat pulse .................. after according to claim 1, characterized in that in the measuring arrangement the heating wire both arranged parallel to the thermal sensor as well as perpendicular to it up to such small distances it may be that the heater and thermal sensor do not yet influence the flow field.

Claim 3 flow meter with heat pulse ..................... after according to claim 1 and 2, characterized in that to achieve one of the flow direction independent speed measurements of the thermal sensor centric and circular is set around the heater arranged perpendicular to the circular plane.

Claim 4 flow meter with heat pulse .................... that that the arrangement according to claim 1 - 3 for determining the direction of the flow of one second thermal sensor preferably at a slightly greater distance than the circular one first thermal sensor is designed in a spiral, so that from the measurement of the transit time the heat front between the heater and the second thermal sensor determines the direction the flow becomes possible in the plane of the thermal sensors.

Claim 5 flow meter with heat pulse ............... that after Claims 1-4 with a spatial arrangement in preferably perpendicular to each other located planes of two measuring systems according to claim 4 also spatial angles of the flow can be measured.

Claim 6 flow meter with heat pulse ................... after Claim 1 characterized in that the heater and the thermal sensor are so small be carried out so that their use is also possible in small vascular systems.