DE202014007778U1

DE202014007778U1 - Cost-effective air speed meter

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Publication number: DE202014007778U1
Application number: DE202014007778.9U
Authority: DE
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Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2015-12-18
Anticipated expiration: 2024-09-18
Also published as: DE102015115685A1

Abstract

Gasbewegungsmessgerät, gekennzeichnet durch die Erzeugung elektrischer Ladungen und die Messungen elektrischer Felder.Gas movement measuring device, characterized by the generation of electrical charges and the measurements of electric fields.

Description

1. Einführung1. Introduction

Diverse Anwendungen und Systeme benötigen für eine ordnungsgemäße Funktionsweise oder um Schäden zu vermeiden Informationen über Luftströme/Windgeschwindigkeiten. Es handelt sich zum Beispiel um im Freien betriebene Einrichtungen wie zum Beispiel Viergelenkgetriebe, die an vielen ausstellbaren Fenstern eingesetzt werden und eine offene, eine geschlossene und eine zwischenliegende Position ermöglichen. Einige dieser Anwendungen mit Viergelenkgetrieben können sich bei einem Betrieb im Freien an größeren Objekten wie ein Segel verhalten und erhebliche Schäden verursachen.Various applications and systems require information about airflows / wind speeds for proper operation or to avoid damage. These are, for example, open-air devices such as four-bar linkages, which are used on many deployable windows and allow open, closed and intermediate positions. Some of these four-link gearbox applications may behave like a sail when operated outdoors, causing significant damage.

Derzeit bekannte Lösungen zum Windmessen umfassen 3D-Beschleunigungssensoren, Thermistoren, Umgebungs-Luftgeschwindigkeitsmesser und so weiter. Jede dieser funktionierenden Lösungen hat zumindest einen begrenzenden Faktor, der dazu führt, dass einige Anwendungserfordernisse wie zum Beispiel Dimensionierungen, Kosten, Genauigkeit nicht erfüllt werden.Currently known wind measurement solutions include 3D accelerometers, thermistors, ambient airspeed meters and so on. Each of these working solutions has at least one limiting factor, which means that some application requirements such as sizing, cost, accuracy are not met.

Die vorgeschlagene kostengünstige Lösung bietet eine hohe Genauigkeit und eine hervorragende Verlässlichkeit bei kleinen Abmessungen, geringem Gewicht und geringem Energieverbrauch. Im Falle eines Batteriebetriebes ermöglicht sie eine lange Betriebszeit, ohne die Batterie ersetzen zu müssen. Darüber hinaus erlaubt die modulare Bauweise mit geringen Änderungen eine flexible Anpassung an die Genauigkeit, die Kosten und Messparameter (zum Beispiel die Windrichtung) mit den gleichen Grundbausteinen.The proposed cost effective solution offers high accuracy and excellent reliability with small dimensions, low weight and low power consumption. In the case of battery operation, it allows a long operating time without having to replace the battery. In addition, the modular design with small changes allows a flexible adaptation to the accuracy, the cost and measurement parameters (for example, the wind direction) with the same basic building blocks.

2. Wirkungsweise2nd mode of action

Der Ansatz ist in 1 gezeigt, er besteht aus einer Oberfläche, auf der ein Ionengeneratorstreifen (IGS) angeordnet ist, in welchem Ionen erzeugt werden, und aus einer Reihe leitender Sensorbereiche namens S1, S2 und S3. Bei einem Luftstrom (der als laminar angenommen wird) wird die über den IGS streichende Luft ionisiert und dann über den Sensorbereich bewegt, was eine Änderung des elektrischen Felds und das Induzieren eines Potenzials auf den leitenden Bereichen zur Folge hat.The approach is in 1 it consists of a surface on which an ion generator strip (IGS) is arranged, in which ions are generated, and of a series of conductive sensor areas called S1, S2 and S3. In an airflow (assumed to be laminar), the air passing over the IGS is ionized and then moved across the sensor area, causing a change in the electric field and inducing a potential on the conductive areas.

Zum Zeitpunkt t0 wird auf dem IGS ein Spannungsimpuls ausgelöst, der Ionen erzeugt. Durch Anpassen des Spannungsniveaus kann die Ionengenerierungsrate geändert werden, was gemeinsam mit der Zeitdauer mit der Gesamtanzahl der genererierten Ionen korreliert. Dies ist für die Kompensation geänderter Umgebungsbedingungen wichtig. Die Ionen, die sich über den Sensorbereich bewegen, erzeugen eine Änderung des elektrischen Feldes, wodurch eine Spannung induziert wird. Zu den Zeitpunkten t1, t2 und t3 erreicht die Spannung in den Sensorbereichen einen Schwellenwert.At time t0, a voltage pulse is triggered on the IGS, which generates ions. By adjusting the voltage level, the ion generation rate can be changed, which, together with the time duration, correlates with the total number of generated ions. This is important for compensating for changed environmental conditions. The ions that move over the sensor area produce a change in the electric field, which induces a voltage. At times t1, t2 and t3, the voltage in the sensor areas reaches a threshold.

Die Zeitpunkte t1, t2, t3 hängen von der Luftgeschwindigkeit und dem Abstand des Sensorbereichs zum Ionengenerator ab. Die Impulsamplitude hängt von dem Abstand, aber auch in erheblicher Weise von den Wetterverhältnissen (Feuchtigkeit, Temperatur ...) ab. Es ist zu erwarten, dass nach wenigen Zentimetern keine gute Korrelation zur Luftgeschwindigkeit mehr besteht, da die Ladungen vor allem aufgrund von Luftverwirbelungen zerstreut werden.The times t1, t2, t3 depend on the air velocity and the distance of the sensor area to the ion generator. The pulse amplitude depends on the distance, but also on the weather conditions (humidity, temperature ...). It is to be expected that after a few centimeters no good correlation with the air velocity will exist anymore, because the charges are scattered mainly due to air turbulence.

2.1 Ionengeneratorstreifen2.1 Ion generator strip

Der Ionengenerator IGS kann als ein Feld mit leitenden Pins ausgeführt sein, deren Enden eine scharfe Spitze aufweisen.The ion generator IGS may be embodied as a field with conductive pins whose ends have a sharp tip.

Die Pinhöhe ist für eine optimale Ionenausbreitung wichtig (eine zu große Höhe reduziert die Empfindlichkeit, bei zu geringer Höhe enden diese in einer Region mit Luftturbulenzen, die durch Geschwindigkeitsdifferenzen zur Oberfläche entstehen). Die Modellierung dieser Turbulenzen ist bekannt, wobei die Höhe angepasst werden kann, um Konstruktionsanforderungen am besten zu erfüllen. Im vorliegenden Fall kann das Design an hohe Luftgeschwindigkeiten angepasst sein. In der Figur ist eine Kombination extremer Verhältnisse von Pinhöhe und Luftgeschwindigkeit dargestellt. Allgemein steigt die Höhe mit der Geschwindigkeit an.The pin height is important for optimal ion propagation (too high a height reduces sensitivity, too low a height ends in a region with air turbulence caused by velocity differences from the surface). The modeling of these turbulences is known, and the height can be adjusted to best meet design requirements. In the present case, the design can be adapted to high air speeds. In the figure, a combination of extreme ratios of pin height and air velocity is shown. Generally the altitude increases with the speed.

Die Ionenkonzentrationen an den Kanten des IGS sind nicht einheitlich, so dass der Sensor eine Breite haben sollte, die geringer ist als die Breite des IGS. Unter der Annahme einer verhältnismäßig gleichförmigen Ionenbewegung kann folgende Berechnung aufgestellt werden: Luftgeschwindigkeit sa = (d2 – d1)/(t2 – t1) The ion concentrations at the edges of the IGS are not uniform, so the sensor should have a width that is less than the width of the IGS. Assuming a relatively uniform ion motion, the following calculation can be made: Air velocity sa = (d2 - d1) / (t2 - t1)

2.2 Design von S1, S2 und S32.2 Design of S1, S2 and S3

Hauptaufgabe von S1 ist es, den Zeitpunkt für die Berechnung der Luftgeschwindigkeit in Gang zu setzen. Wenn das Potenzial bei S1 den Schwellenwert erreicht, wird der Zeitgeber für die Geschwindigkeitsberechnung gestartet. Die Ionenkonzentration bei S1 ist höher als bei S2 und anschließend bei S3. Als Basis für die Auslegung soll der Schwellenwert für die Sensorbereiche auf dem gleichen Niveau gehalten und unterschiedliche elektrische Felder der verschiedenen Bereichsgrößen und -formen mit sich überlappenden, geerdeten Abschirmungsbahnen kompensiert werden. Dies wird durch Simulation oder über eine Folge von Testmessungen durchgeführt.The main task of S1 is to set the time for calculating the air speed. When the potential at S1 reaches the threshold, the speed calculation timer is started. The ion concentration at S1 is higher than at S2 and then at S3. As a basis for the design, the threshold value for the sensor areas should be kept at the same level and different electric fields of the different area sizes and shapes should be compensated for with overlapping grounded shielding paths. This is done by simulation or by a series of test measurements.

Allgemein nimmt die Breite des Sensorbereichs von S1 zu S3 ab, wobei S1 beinahe die gleiche Breite wie der IGS aufweist und S3 mehr auf die Mitte beschränkt ist, da während der Luftbewegung die Gleichförmigkeit der Ionen im Seitenbereich abnimmt. Generally, the width of the sensor region decreases from S1 to S3, where S1 is nearly the same width as the IGS, and S3 is more centered, because during the air movement, the uniformity of ions in the side region decreases.

2.3 Messverfahren2.3 measuring method

Kombiniert mit dem Messverfahren und bei Inbetriebnahme läuft ein Kalibrierungsvorgang ab. Die Kalibrierung arbeitet auf der IGS-Spannungs- und Zeitebene.Combined with the measuring procedure and during commissioning, a calibration process is running. The calibration works at the IGS voltage and time level.

Die Messschritte sind:
Bei t0 wird ein hoher Spannungsimpuls auf den IGS aufgebracht, und es werden Ionen erzeugt. Nach einer bestimmten Zeit ist der Potenzialschwellenwert bei S1 erreicht, und es wird der Zeitpunkt t1 gemessen. Die Differenz t1 – t0 wird bei der Inbetriebnahme gemessen und auf einen Minimum-Maximum-Bereich angepasst. Diese Anpassung erfolgt durch Änderung der IGS-Spannungseinstellung und Wiederholung des Messschrittes nach einer definierten Wartezeit, die auf der Grundlage ermittelt wird, wie lange das Potenzial von S1 über dem Potenzial V liegt (kürzere Wartezeit bei höherem Luftstrom).The measuring steps are:
At t0, a high voltage pulse is applied to the IGS and ions are generated. After a certain time, the potential threshold is reached at S1 and time t1 is measured. The difference t1 - t0 is measured during commissioning and adjusted to a minimum-maximum range. This adjustment is made by changing the IGS voltage setting and repeating the measuring step after a defined waiting time, which is determined on the basis of how long the potential of S1 exceeds the potential V (shorter waiting time with higher air flow).

Nachdem der erste Kalibrierungsschritt abgeschlossen ist, werden t2 und t3 gemessen. (Nachdem S1 den Schwellenwert erreicht hat, wird die Zeitmessung gestartet. Der Zeitpunkt t2 wird gemessen, wenn V bei S2 erreicht ist, ebenso t3 bei S3.) Berechnung der Luftgeschwindigkeit:
falls < x% (t2 – t3)/t2 wird die Geschwindigkeit berechnet gemäß sa = (d3 – d1/(t3 – t1)
falls < w% (t2 – t3)/t2 erhält man sa = (d3 – d2/(t3 – t2)
falls t3 >> t2 ist die Messung unzuverlässig, wahrscheinlich wegen einer sehr geringen Geschwindigkeit.After the first calibration step is completed, t2 and t3 are measured. (After S1 has reached the threshold, the time measurement is started.) The time t2 is measured when V reaches S2 and t3 at S3.) Calculation of air velocity:
if <x% (t2 - t3) / t2 the velocity is calculated according to sa = (d3 - d1 / (t3 - t1)
if <w% (t2 - t3) / t2 one obtains sa = (d3 - d2 / (t3 - t2)
if t3 >> t2 the measurement is unreliable, probably because of a very slow speed.

Eine zusätzliche IGS-Kalibrierung kann zur Verbesserung der Genauigkeit auf der Basis der geschätzten Luftgeschwindigkeit durchgeführt werden.An additional IGS calibration may be performed to improve accuracy based on the estimated airspeed.

3. Ausführung3rd execution

3.1 Mechanischer Aufbau3.1 Mechanical structure

Das Gerät kann als ein zylindrischer Kunststoffkasten ausgeführt sein, dessen Außenseite beispielsweise aus korrosionsfreiem Polycarbonat besteht (5).The device can be embodied as a cylindrical plastic box, the outside of which consists, for example, of corrosion-free polycarbonate ( 5 ).

Auf der Oberseite kann das PCB mit den elektronischen Komponenten angeordnet sein. Es können zwei Sensorblöcke angeordnet sein, einer für jede Achsrichtung. Durch Verdoppeln der Sensorblöcke auf 4 (2 für jede Achse) kann die Leistung verbessert werden, wenngleich dies in dieser Anwendung nicht erforderlich ist. Wahrscheinlich ist nur ein Sensorblock ausreichend (bei fehlender Information über die Windrichtung fehlt), allerdings werden aus Sicherheitsgründen 2 angenommen.On the upper side, the PCB can be arranged with the electronic components. Two sensor blocks can be arranged, one for each axial direction. Doubling the sensor blocks to 4 (2 for each axis) can improve performance, although this is not required in this application. Probably only one sensor block is sufficient (missing information about the wind direction is missing), however, for safety reasons 2 accepted.

In dem Kasten befinden sich 4 Teiler, die eine Kanalisierung des Windes in zwei senkrechte Achsen wie in der Seitenansicht gemäß 4 dargestellt erlauben. Das PCB mit den zwei Sensorblöcken ist wie in der Draufsicht gemäß 5 auf der Oberseite des Kastens angeordnet. Das PCB ist ein doppelseitiges PCB, auf einer Seite sind die Komponenten angeordnet, auf der anderen Seite Bahnen für die Sensorbereiche, die sich mit den Bahnen abwechseln, welche geerdet sind, um einen Abschirmeffekt zu erzielen, wobei an diese Seite Pinstreifen zur Herstellung des IGS gelötet sind. Ein beispielhafter Aufbau ist in 6 gezeigt.In the box are 4 dividers, which channel a wind in two vertical axes as shown in the side view 4 allow shown. The PCB with the two sensor blocks is as in plan view 5 arranged on the top of the box. The PCB is a double-sided PCB, on one side the components are arranged, on the other side tracks for the sensor areas which alternate with the tracks which are grounded to achieve a shielding effect, to which side pin strips for making the IGS are soldered. An exemplary construction is in 6 shown.

3.2 Elektronischer Schaltkreis3.2 Electronic Circuit

Ein Blockdiagramm mit den zwei Sensorblöcken ist in 6 gezeigt.A block diagram with the two sensor blocks is in 6 shown.

Es basiert auf einem einfachen Mikroprozessor, einer Batterie, einem Impulsgenerator-Schaltkreis zum Erzeugen einer passenden Spannungswellenform für den IGS, einer Anzahl von Sensor-MOS und den elektronischen Schnittstellen. Bei diesem Design wird von externen MOS-Potenzialsensoren ausgegangen, wenngleich es heutzutage relativ leicht ist, einen Mikroprozessor zu finden, in das diese Funktion integriert ist.It is based on a simple microprocessor, a battery, a pulse generator circuit for generating an appropriate voltage waveform for the IGS, a number of sensor MOS and the electronic interfaces. This design is based on external MOS potential sensors, although it is now relatively easy to find a microprocessor incorporating this feature.

Einige Worte zu dem Impulsgenerator für den IGS:
Es handelt sich um eine Standardausführung eines Sperrwandlers. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, wird Energie in den Induktor geladen, die zum Kondensator übertragen wird. Durch Änderung der Impulsfrequenz und des Arbeitstakts ist es möglich, die Spannung einzustellen. Der Widerstand parallel zu C bestimmt die Spannungsabfallzeit, nachdem der Generator abgeschaltet ist.A few words about the pulse generator for the IGS:
It is a standard version of a flyback converter. When the transistor is turned on, energy is charged into the inductor, which is transferred to the capacitor. By changing the pulse frequency and the working clock, it is possible to adjust the voltage. The resistance parallel to C determines the voltage drop time after the generator is turned off.

3.2.13.2.1

Die gemessenen Geschwindigkeiten können in einer Anzeige dargestellt werden, die auf dem Kasten angeordnet ist (nicht dargestellt), oder sie werden entweder über Kabel oder kabellos nach außen übertragen.The measured velocities can be displayed in a display placed on the box (not shown), or transmitted to the outside either by cable or wirelessly.

– Analoges/digitales, verkabeltes Interface- Analog / digital, wired interface

Der Mikroprozessor überträgt seriell den Ablesewert. Es gibt mehrere Standardoptionen wie zum Beispiel IIC-Bus oder SPI, aufgrund der sehr niedrigen Bit-Rate handelt es sich um eine sehr kostengünstige Lösung. In ähnlicher Weise kann der Mikroprozessor eine analoge Ausgangsspannung erzeugen, die proportional zur geschätzten Luftgeschwindigkeit ist.The microprocessor serially transmits the reading. There are several standard options such as IIC bus or SPI, because of the very low bit rate is a very cost effective solution. Similarly, the microprocessor may generate an analog output voltage that is proportional to the estimated airspeed.

– RF Interface- RF Interface

In diesem Fall kann es sich um einen 433 MHz-Transmitter handeln. In Abhängigkeit der Übertragungsentfernung kann ein Mikroprozessor mit einem RF-Umfeld- oder Standard-Einsteckmodul gewählt werden, welches bereits FCC-zertifiziert ist.In this case, it can be a 433 MHz transmitter. Depending on the transmission distance, a microprocessor with an RF environment or standard plug-in module, which is already FCC certified, can be selected.

Letztendlich kann in Abhängigkeit von den Übertragungsanforderungen eine Auswahl an Antennentypen getroffen werden, die unmittelbar auf dem PCB oder hiervon separat mit größerer Dimension angeordnet sind. Typische Anwendungen erfordern eine Übertragungsdistanz kleiner als 50 m.Finally, depending on the transmission requirements, a choice may be made of types of antennas located directly on the PCB or separately therefrom with a larger dimension. Typical applications require a transmission distance of less than 50 m.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: IonengeneratorstreifenIon generator strips
1111: AbschirmbahnenAbschirmbahnen
1212: leitende Messbereiche S1, S2, S3conductive measuring ranges S1, S2, S3
1313: IGS-Spannungsniveau, kann angepasst werdenIGS voltage level, can be customized
1414: IGS-Impulszeit, kann angepasst werdenIGS pulse time, can be adjusted
1515: E-Mess-SchwellenwertE-measurement threshold
1616: große Pinhöhe, hohe Luftgeschwindigkeitbig pin height, high air speed
1717: geringe Pinhöhe, kleine Luftgeschwindigkeitlow pin height, small airspeed
1818: geringe Pinhöhe, hohe Luftgeschwindigkeitlow pin height, high air velocity
1919: große Pinhöhe, kleine Luftgeschwindigkeitbig pin height, small airspeed
2020: Messblöckemeasuring blocks
2121: Teilerdivider
2222: Mikroprozessormicroprocessor
2323: zum Messbereich S1, S2, S3 Block 1 und 2to the measuring range S1, S2, S3 block 1 and 2
2424: Ausgang digital/analog oder RFIFOutput digital / analog or RFIF
2525: Induktorinductor
2626: Impulsgenerator 1Pulse generator 1
2727: Impulsgenerator 2Pulse generator 2
2828: zum IGSto the IGS
2929: Messstreifengauges
3030: geerdete Abschirmstreifengrounded shielding strips

Claims

Gas movement measuring device, characterized by the generation of electrical charges and the measurements of electric fields.

Gas movement measuring device according to claim 1, characterized in that the charges are ionized molecules.

Gas movement measuring device according to claim 1, characterized in that the electrical measurement is performed by measuring the electrical potential of conductive means.

Gas movement measuring device according to claim 2 or 3, characterized in that the ions are generated by high-voltage pins with sharp edges.

Gas movement measuring device according to claim 1, characterized in that the measuring direction is modified by conductive means which are grounded.

Gas movement measuring device according to claim 4 or 5, characterized in that the conductive means are strips.

Gas movement measuring device according to claim 4, 5 or 6, characterized in that a field of pins is arranged alternately with the electrically conductive measuring strips.

A gas movement measuring device according to claim 7, characterized in that the speed is determined by measuring the time required to reach a potential of two or more strips.

Gas movement measuring device according to claim 8, characterized in that the calculation is carried out by determining time differences.

Gas movement measuring device according to claim 3 or 4, characterized in that the high voltage applied to the pins is adjusted by measuring the time required to reach a certain potential in the conductive means.

Gas movement measuring device with any combination of claims 8, 9 and 10.