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Die Erfindung betrifft einen mit Gas arbeitenden
Drehgeschwindigkeitsmesser, bei welchem insbesondere eine
Gastemperatur konstant gehalten werden kann.
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Herkömmliche Drehgeschwindigkeitsmesser umfassen eine
Halteanordnung mit in einem hermetisch abgedichteten
Metallgehäuse angeordnetem Durchfluß-Sensor, bei welchem ein
Gasfluß auf einen Thermosensor in dem Durchfluß-Sensor
injiziert wird, um die Winkelgeschwindigkeit (den Grad)
basierend auf einer Sensorausstoß-Änderung zu ermitteln,
welche erzeugt wird, wenn der Gasfluß durch eine von der
Außenseite ausgeübte Winkelgeschwindigkeit abgelenkt wird.
Da eine Änderung der Umgebungstemperatur in diesem Falle
einen nachteiligen Effekt auf die Sensorpräzession ausüben
kann, ist bereits vorgeschlagen worden, Heizdrähte um die
Außenseite des Gehäuses zu wickeln, welches die
Halteanordnung umfaßt, um das Gehäuse und dessen Innenseite auf
einer konstanten Temperatur zu halten.
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Fig. 6 gibt einen Strukturaufbau wieder, welcher den
Hauptabschnitt (Hauptkörper) eines herkömmlichen
Drehgeschwindigkeitsmessers zeigt, der mit derartigen
Heizdrähten ausgestattet ist. In der Zeichnung ist mit
Bezugszeichen 1 eine Halteanordnung, die einen Durchfluß-Sensor und
dergleichen im Inneren enthält, und mit Bezugszeichen 2
ist ein metallisches Gehäuse bezeichnet, welches die
Halteanordnung 1 umfaßt, dessen Gehäuseinnenseite hermetisch
abgedichtet ist. Heizdrähte 3 sind schraubenförmig um die
Außenseite des Gehäuses 2 unter Zwischenschaltung eines
Isolators und eines Thermistors 4 gewickelt, der aus einem
Temperatur-Detektroelement besteht, welches an die
Außenfläche des Gehäuses 2 mittels eines Klebstoffes angebracht
ist. Thermosensoren 5a und 5b sowie eine Piezo-Platte 6,
die den Durchfluß-Sensor bilden, sind in dem
Halteabschnitt 1a der Halteanordnung 1 gehalten. Gas von der
Auslaßöffnung 7 strömt, wie in der Zeichnung mit der
Pfeilmarkierung wiedergegeben, über einen Abschnitt zwischen
der Halteanordnung 1 und dem Gehäuse 2, worüber ein
Gasfluß-Weg von einer Düse 8 am Ende der Halteanordnung 1 zur
Innenseite der Halteanordnung festgelegt ist.
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In dem so gebildeten Hauptkörper des
Drehgeschwindigkeitsmessers wird in der Innenseite des hermetisch
abgedichteten Gehäuses ein konstanter Gasdurchfluß von der Düse 8
auf die Thermosensoren 5a und 5b des Durchfluß-Sensors
injiziert und abgelenkt, wenn von der Außenseite her eine
Winkelgeschwindigkeits-Bewegung ausgeübt wird. In diesem
Falle kann der Grad der Winkelbewegung durch Erfassung
einer Änderung in dem Ausgang des Durchfluß-Sensors
ermittelt werden. Der Betrieb der Heizdrähte 3 wird durch
ein Detektor-Signal des Thermistors 4 kontrolliert, so daß
die Temperaturen des Gehäuses 2 sowie in dem Gehäuse 2
durch eine Rückkopplungssteuerung konstant aufrecht
erhalten werden, wobei das Gehäuse 2 als Thermostat wirkt.
Selbst wenn die Umgebungstemperatur variiert wird, wird
aus diesem Grund keine Wirkung auf die Halteanordnung l
ausgeübt, wodurch eine hochgradige Detektor-Genauigkeit
erhalten werden kann.
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Eine Vorrichtung ähnlich dem Drehgeschwindigkeitsmesser
nach Fig. 6 ist aus der FR-A 24 79 473 bekannt. Das
Gehäuse dieser Vorrichtung weist drei Vorsprünge auf, die in
Umfangsrichtung in gleichen Abständen angeordnet sind und
diametral auf das Zentrum des Gehäuses gerichtet sind und
sich dazu axial erstrecken. Wenn ein Sensor-Körper in das
Gehäuse eingebaut wird, dann wird der axiale
Gas-Durchfluß-Weg zwischen benachbarten Vorsprüngen und den
Zugeordneten äußeren Umfangsflächen des verbleibenden Teils
der Halteanordnung gebildet.
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In dieser Ausführungsform kann ein Temperatur-Sensor in
die Innenwand des Gehäuses eingebaut werden, der mit einer
geeigneten Schaltungseinrichtung verbunden werden kann, so
daß über die Schalteinrichtung eine wiederholte
Schaltaktion als Antwort auf ein detektiertes und von dem Sensor
geliefertes Temperatursignal, um die Temperaturen in dem
Gehäuse auf dem gewünschten Wert zu halten.
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Beide Ausführungsbeispiele nach dem Stand der Technik
jedoch, d. h. dem Stand der Technik gemäß Fig. 6 dieser
Anmeldung wie der Stand der Technik gemäß der FR-A 24 79
473 beinhalten die gleichen Nachteile.
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Dabei ist der oben beschriebene Drehgeschwindigkeitssensor
allerdings so konstruiert, daß zwar die Halteanordnung 1
in das Gehäuse 2 eingesetzt ist, daß dabei aber der
Kontaktbereich des Haltes 1a mit dem Gehäuse 2 klein ist und
die Temperatursteuerung so durchgeführt wird, daß die
Temperaturen des Gehäuses 2 und der Heizdrähte 3 mittels
des Thermistors 4 erfaßt werden. Demgemäß besteht ein
Problem darin, daß die Temperatur der gesamten Anordnung
in der Halteeinrichtung 1 langsam ansteigt und sich dabei
stabilisiert, resultierend in den schlechten Detektions-
Eigenschaften und den erforderlichen Befestigungsteilen
der Halteanordnung.
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Zwischenzeitlich bekannt gewordene Druckschriften sind die
US-Patente 3,587,328 vom 28.06.1971 3,826,371 vom 21.12.
1971, 4,020,699 vom 03.05.1977, 4,020,700 vom 03.05.1977
und 4,026,159 vom 31.05.1977.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen
Drehgeschwindigkeitsmesser zu schaffen, der einen schnellen
Anstieg und eine Stabilisierung der Temperatur de
Halteanordnungs-Aufbaus ermöglicht und der dabei aus nur
wenigen Teilen besteht.
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Der erfindungsgemäße Drehgeschwindigkeitsmesser ist mit
einer Halteanordnung mit einem metallischen Halte zum
Halten des Durchfluß-Sensor und dergleichen und einem
zylinderischen Gehäuse versehen, welches die
Halteanordnung mit um deren Außenseiten herum gewickelten Heizdrähten
aufweist. Der äußere Umfang des Haltes ist mit mehreren
Vorsprüngen versehen, die in Druckkontakt mit der inneren
Umfangsfläche des Gehäuses gebracht sind, um die
Halteanordnung in dem Gehäuse zu verpressen. Ein Gas-Durchfluß-
Weg zwischen der Halteanordnung und dem Gehäuse ist mit
einem Temperatur-Detektorelement ausgestattet, um eine
Heizsteuerung für die Heizdrähte zu ermöglichen. Solch ein
Aufbau ermöglicht es, daß die Halteanordnung in dem
Gehäuse ohne Fixierteile aufgenommen wird und gleichzeitig
Kontaktbereiche vergrößert und insbesondere dadurch die
Detektions-Eigenschaften verbessert.
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Die Wanddicke jener Teile des Gehäuses, gegen die die
Vorsprünge der Halteabschnitte gepreßt werden, beträgt 1/10
oder weniger des Durchmessers dieses Teiles, wodurch auf
einfache Weise ein Aufbau mit geeigneten
Detektions-Eigenschaften geschaffen wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse aus
Eisen oder aus einer Eisenlegierung hergestellt.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die
Differenz zwischen den Durchmessern an den beiden Enden des
Außenumfangs des Gehäuses Null oder 1/10 des Durchmessers
oder weniger. Die innere Fläche davon weist einen
Stufenabschnitt auf, wodurch ein erster und zweiter in
Axialrichtung versetzt liegender Abschnitt mit
unterschiedlichen Durchmessern gebildet wird.
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Die Temperatur-Detektorelemente sind nicht nur an der
Innenseite des Gehäuses angebracht, sondern stehen auch in
Kontakt mit den Heizdrähten, um auf den Detektionssignalen
der Temperatur-Detektorelemente basierend die Heizdrähte
zu steuern und um dadurch eine extreme Übersteuerung der
Temperatur der Heizdrähte zu vermeiden.
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Fig. 1(a) und (b) illustrieren einen Strukturaufbau
zur Verdeutlichung einer Ausführungsform der Erfindung
bzw. einen Querschnitt längs der Linie A-A. Fig. 2
(a) und (b) zeigen eine Querschnittsdarstellung in
Längsrichtung bzw. eine Seitendarstellung, die das Detail der
Halteanordnung in Fig. 1 wiedergibt. Fig. 3 gibt eine
Querschnittsdarstellung wieder, die die äußere Form des
Gehäuses in Fig. 1 zeigt. Fig. 4(a) und (b) geben
eine Grundriß-Darstellung und eine Seiten-Darstellung
wieder, die den Zustand zeigen, bei welchem ein Thermistor
an der Halteanordnung angebracht ist. Fig. 5 zeigt eine
Darstellung zur Erläuterung des Durchbiegungseffektes des
Gehäuses. Fig. 6 gibt eine Längsschnitt-Darstellung eines
herkömmlichen Drehgeschwindigkeitsmessers wieder.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird
nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispieles, bei welchem in Fig. 1(a)
Strukturteile
weggeschnitten sind und in Fig. 1(b) eine
Querschnittsdarstellung längs der Linie A-A wiedergegeben
ist. Der Halteabschnitt 1a der Halteanordnung 1 in der
Zeichnung ist aus Metall mit guten thermischen
Leitungseigenschaften wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder
einer Legierung davon hergestellt und enthält einen
Durchfluß-Sensor und eine Piezo-Platte in seinem Inneren. Der
Halteabschnitt 1a ist mit mehreren (drei in der Zeichnung)
Vorsprüngen versehen, die in Preßkontakt mit dem inneren
Umfang des Gehäuses 2 gebracht sind. Das metallische
Gehäuse 2 ist mit einem Stufenabschnitt 2a als ein
Stopabschnitt versehen, um die Halteanordnung 1 an einer
vorbestimmten Position mit aufzunehmen. Die Außenseite des
Gehäuses 2 ist mit hierum gewickelten Heizdrähten 3
versehen, worin ein Thermistor 4 als
Temperatur-Detektorelement angeordnet ist. Eine Gas-(Helium-)Durchflußpassage
zwischen der Halteanordnung und dem Gehäuse 2 ist mit
einem Thermistor 9 für die Temperatur-Steuerung versehen.
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Fig. 2 betrifft eine Anordnung die das Detail der
Halteanordnung 1 zeigt, wobei Fig. 2(a) einen
Längs-Querschnitt davon und Fig. 2(b) eine Seitendarstellung davon
wiedergibt. Die Halteanordnung 1 enthält Düsen 8 zur
Erzeugung des stromlinienförmigen Flusses des Heliumgases
hierin, und zusätzlich eine konzentrische Hülse 1g, welche
durch den stromliniegen Fluß einer Geschwindigkeitsmessung
unterzogen wird, einen
Durchfluß-Sensor-Befestigungsabschnitt 1c, und eine Pumpkammer 1d, die alle einem
Hochpräzisions-Herstellverfahren unterworfen sind. Ein
Durchfluß-Sensor und eine Piezo-Platte sind in der oben
geschilderten Anordnung eingebaut.
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Der Außenumfang des Halteabschnittes 1a ist mit drei
Vorsprüngen 1b versehen, die mit Kontaktflächen ausgestattet
sind, wenn sie in das Gehäuse 2 eingepreßt werden, mit
konvexen Wandflächen 1h, die mit dem Durchflußgas in
Kontakt
stehen, welches durch diese drei Vorsprünge 1b und
die inneren Wandflächen bis zum Äußeren des Gehäuses 2
geteilt ist, mit einer Schraubenbohrung eines Thermistors 9
zum Erfassen der Gastemperatur, der Hilfsnut und der
Einführöffnung für den betreffenden Leitungsdraht von dem
Thermistor 9 und dem Durchfluß-Sensor und mit einer
Strahlenöffnung 1f, um das Gas von der Piezo-Platte in einer
konstanten Richtung weiterzuleiten. Der äußere Durchmesser
der Pumpkammer 1d, in der die Piezo-Platte angeordnet ist,
ist im Hinblick auf den Stufenabschnitt 1e maximal; dieser
wirkt als Stopper, wenn die Piezo-Platte in die Kammer
eingepreßt und darin eingebaut ist.
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Fig. 3 illustriert die äußere Form des Gehäuses 2,
welches die Form eines Bechers aufweist und welches mit einem
deformierten dreieckförmig geflanschten Abschnitt 2b
(siehe Fig. 1(b)) in der Öffnung versehen ist. Der innere
Durchmesser an deren Öffnungsseite ist für die Aufnahme
der Pumpkammer des oben beschriebenen Halteabschnittes 1a
maximal; dabei ist ein Stufenabschnitt 2a zwischen dem
Abschnitt des maximalen Durchmessers und der Kontaktstelle
des vorstehenden Abschnittes 1b in der Halteanordnung 1
vorgesehen. Der Außenumfang ist zylindrisch oder mit einem
Unterschied zwischen den Durchmessern an den beiden Enden
des Gehäuses 2 in der Größenordnung von 1/10 oder weniger
des Durchmessers versehen, wodurch ein konischer Abschnitt
zwischen beiden zylinderischen Teilen gebildet wird. Die
Dicke des Abschnittes, in welchen der Halteabschnitt 1a
der Halteanordnung 1 eingepreßt ist, beträgt 1/10 oder
weniger des Durchmessers dieses Abschnittes. Ein Abschnitt
des Außenumfanges ist mit einer Ebene zur Befestigung des
oben beschriebenen Temperatur-Steuerungs-Thermistors 4
hieran versehen, und Heizdrähte 3 sind schraubenförmig um
den Außenumfang einschließlich des Thermistors 4
gewickelt.
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Fig. 4(a) und 4(b) zeigen eine Grundrißdarstellung bzw.
eine Seitendarstellung in einem Zustand, in welchem der
Temperatur-Steuerungs-Thermistor 9 an der Halteanordnung
1 angebracht ist (siehe Fig. 1). Eine metallische
Fixierplatte 10 mit einer Lochöffnung ist an der Halteanordnung
1 mittels einer Schraube 11 angebracht, und ein mit einem
Leitungsdraht 13 verbundenes Glas-Endstück 12 ist an der
Lochöffnung gesichert. Der Thermistor 9 ist mit dem Ende
des Glas-Endstücks mittels Lötung verbunden. Solch ein
Befestigungsanbau ermöglicht eine Anordnung des
Thermistors 9 jederzeit an vorbestimmter Position in dem Gas-
Durchfluß-Weg.
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In dem, wie vorstehend beschrieben, aufgebauten mit Gas
arbeitenden Drehgeschwindigkeitsmesser ist ein Durchfluß-
Sensor in der Halteanordnung 1 vorgesehen, welcher in der
Innenseite des Gehäuses 2, wie in herkömmlichen Fällen
auch, untergebracht ist, und bei welchem eine konstante
Gas-Durchfluß-Menge von der Düse 8 zu dem thermosensitiven
Element des Durchfluß-Sensors geblasen wird.
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Die Wirkung einer winkelförmigen
(Geschwindigkeits-)Bewegung, die von außen her auf den Drehgeschwindigkeitsmesser
her ausgeübt wird, lenkt den Gasfluß ab, was zu einer
Änderung des Ausstoßwertes des Durchfluß-Sensors in einem
solchen Fall führt. Demgemäß läßt sich durch die
festgestellte Änderung des Ausstoßes des Durchfluß-Sensors die
Größe der Winkelgeschwindigkeit ermitteln. In diesem Fall
kann eine Änderung der Temperatur in dem Gehäuse 2, die
durch eine Veränderung der Umgebungstemperatur verursacht
wird, die Meßgenauigkeit nachteilig beeinflussen. Deshalb
sind Heizdrähte 3 um die Außenseite des Gehäuses 2
gewickelt, um eine Rückmeldungs-Kontrolle mittels eines
Steuerungskreises (nicht gezeigt) durchzuführen. Zwei
Thermistoren 4 und 9 messen die Temperatur des Heizdrahtes und
die Atmosphärentemperatur in dem Gehäuse 2, um eine
Betriebskontrolle der Heizdrähte 3 entsprechend diesen
gemessenen Temperaturen durchzuführen.
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Durch die überlagerte und von diesen beiden Thermistoren
4 und 9 erhaltene Information wird eine
Temperaturkontrolle erlaubt, bei welcher die Heizdraht-Temperatur
geringfügig überhöht wird, um die Zeitverzögerung der
atmosphärischen Temperaturhöhe in dem Gehäuse 2 im Hinblick auf
die Temperaturhöhe der Heizdrähte 3 zu kompensieren. Aus
diesem Grunde ist die Anstiegscharakteristik der
Temperaturerhöhung verbessert um beschleunigt eine stabile
Bedinung zu erhalten und um gleichzeitig eine extreme
Übersteuerung der Heiztemperatur zu überbrücken. Auf solchem
Weg können ebenfalls Probleme wie das Durchbrennen einer
Temperatursicherung sowie ein nachteiliger Effekt auf
einen elektrischen Schaltkreis vermieden werden.
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Im Zusammenbau kann die Halteanordnung 1 nur durch das
Verpressen der Halteanordnung 1 in dem Gehäuse 2 gesichert
werden, ohne daß Sicherungsglieder wie beispielsweise eine
Ringschraube (ein Tellerboden) oder Stanzvorgänge
erforderlich sind, wodurch sich die Zahl der Teile und die
Kosten reduzieren lassen. Wie in Fig. 5 strichliert
gezeigt ist, wird in diesem Fall beim Einpressen der
Halteanordnung 1 das Gehäuse 2 gebogen, wobei der Halteabschnitt
1a der Halteanordnung 1 leicht mit Preßkraft in einem Maß
gepreßt werden kann, welches keine Deformationen hiervon
verursacht. Demgemäß muß die innere Kontaktfläche des
vorstehenden Abschnittes 1b des Halteabschnittes 1a mit
dem Gehäuse 2 nicht mit extrem hoher Präzision bearbeitet
sein. Da die Wahrscheinlichkeit einer Druckbiegung des
Gehäuses 2 mit zunehmender Gehäusestärke abnimmt, beträgt
die Dicke des Abschnittes 1/10 oder weniger des gepreßten
Durchmessers.
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Die Halteanordnung 1 wird verpreßt, in dem die
Biegewirkung
des Gehäuses 2 genutzt wird; dabei ist der
Kontaktbereich der Halteanordnung 1 mit dem Gehäuse 2 derart groß,
daß die Hitze des Gehäuses 2 schnell zu der Halteanordnung
1 übertragen wird, wobei das Gas von beiden Seiten des
Gehäuses 2 und der Halteanordnung 1 geheizt wird. Der
Halteabschnitt 1a ist so gebildet, daß das Gas wirksam längs
der inneren Wände des Gehäuses 2 strömt, und der Aufbau
ist derart, daß ein Durchfluß-Sensor und eine Piezo-Platte
in der Halteanordnung 1 dem Gasfluß thermisch schnell
folgen, wobei die Temperaturen dieses Strukturaufbaus
schnell angehoben und stabilisiert werden, wodurch sich
verbesserte Meßcharakteristiken ergeben. Da der
Außenumfang des Gehäuses 2 zylindrisch ist oder die Form eines
einzigen flachen Konuses mit 1/10 oder weniger des
Durchmessers ohne einen konkaven oder konvexen oder einen
kurvigen Abschnitt (im Hinblick auf die Axialrichtung)
aufweist, kann das Aufwickeln der Heizdrähte leicht
durchgeführt werden, so daß die thermische Leitung von den
Heizdrähten zu dem Gehäuse 2 befriedigend ist. Zusätzlich
ist der Thermistor 9 in dem Gas-Durchfluß-Weg zwischen der
Halteeinrichtung 1 und dem Gehäuse 2 angeordnet, so daß
eine Real-Zeit-Messung der Gastemperatur möglich ist, um
eine hochwertige Temperatursteuerung durchzuführen.
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Die innerhalb und außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten
Thermistoren 4 und 9 können in Serie oder parallel
zueinander geschaltet sein.