CH424331A - Verfahren und Vorrichtung zur Messung augenblicklicher Geschwindigkeiten in Flüssigkeiten - Google Patents

Description

  



  Verfahren und Vorrichtung zur Messung   augenblicklicher    Geschwindigkeiten in Fliissigkeiten
Zur Messung augenblicklicher Strömungs  geschwinldigkeiten,    besonders bei der   Messung schnel-    ler   Fluktuatioms. geschwinjdigkeiten    zur   Besbimmung    von   Turbulenzcharakterijstiken, wird    in Gasen am häufigsten das   Hitzdrahtanemometer    benützt. Seine verbreitete Benützung ist die Folge der vorteilhaften Eigenschaften dieses Anemometers : Es ist richtungsempfindlich, hat eine   verhältnismässig geringe Träg-    heit, ermöglicht Messungen in einem weiten Bereich , und seine Einführung verurscaht minimale Strö   mungsstörungen.

   Auch die Theorie seiner    Anwen   dung und die zugehörige Gerätetechmk sinjd. ausführ-    lich durchgearbeitet. Eine Modifikation des   Hitz-    drahtanemome ters ist   Idas Anemometer    mit einem Platin-Hitzfilm, bei dem als Messelement statt ides feinen Drahtes auf gleiche Weise ein   Platinfilm    funk  tioniert,    der tauf dem messerartigen Ende des keramischen oder glxäsernen Sondenkörpers aufgetragen ist. Das Funktionsprinzip der angeführten   Anemome-    ter beruht darin, dass   die Wärmeabfühmnig    aus dem   Hitzdraht oder Film    von der Strömungsgeschwindigkeit in der Umgebung dieser Messelemente abhängig ist.

   Aus der Messung der Draht-oder Filmtemperatur nach der Methode konstanten Stromes oder aus der Messung der abgeführten Wärmemenge mittels der Methode konstanter Temperatur wird dann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Solange die re  lative Turbulenzintensität genügend klein    ist,   lineali-    siert man üblich die abhängigkeit   zwischen den elek-      trischen    Spannungs- oder Stromänderungen und den Fluktuationen der mittleren Geschwindigkeit. Der Draht t oder Film wird vom elektrischen Strom er  hitzt, und    die Temperaturänderungen äussern sich durch Änderungen des elektrischen Widerstandes des Drahtes oder Films.



   Versuche, das Hitzdraht-oder   Filmanemome-      ter fiir ähnliche Messungen    in Flüssigkeiten zu benützen, stosslen jedoch auf grosse Schwiergkeiten, die bisher nicht überwunden werden konnten. Besonders bei Messungen in Wasser sind die infolge höherer Temperatur und Elektrolyse sich bildenden   Nieller-       schläge und Gasbläschen hinderlich. Die übrigen    Messmethoden, die in Flüssigkeiten anwendbar sind, wie z. B.

   Methdden, die auf der Sichtbarmachung    der Strömung, der Druckentnahme, der elektroma-    gnetischen Induktion oder der Messung mittels kleiner   Flügelräder    beruhen, haben verschiedene spezifische Nachteile und Beschränkungen, infolge deren die Möglichkeiten der Messungen von Turbulenz   charakteristiken du Flüssigkeiten gegenüber den Mög-    kichkeiten analoger Messungen in Gasen bedeutend im Rückstand bleiben.



   Die angeführten Schwierigkeiten beseitigt das Verfahren zur Messung augenblicklicher Geschwin  digkeiten    in Flüssigkeiten gemäss der Erfndung und das Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens, das die Vorteile des   Hitzdrahtanemometers bewahrt und    besonders fiir Messungen in   Flüssigkeiten spezisssch    anwendbar ist. Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit auf den Transport eines einer   elektroly-    tischen Reduktion oder Oxydation fähigen Stoffes einwirkt, welcher zum Messelement einer Messsonde sich bewegt, wobei an diesem als Elektrode wirkenden Messelement die Reduktion oder Oxydation des transportierten Stoffes vor sich geht und die Ge  schwindigkeitsmessung    durch Feststellung des elektrischen.

   Stromes oder des elektrischen Potentials am Messelement stattfindet.



   Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht darin, dass sie aus einer Messsonde, einer Hilfssonde, einem Messinstrument und einer Quelle elektrischen Stromes oder elektrischer Spannung besteht, wobei beide Sonden im Betrieb in die Flüssigkeit getaucht sind, alle genannten Teile in einem   Stromkreis einge-    schaltet   sinld,    eine Elektrodenfläche leines. Messelementes der   Messsonde gegenüber einer Elektroden-    fläche der Hilfssonde sehr klein ist.



   Eine beispielsweise Ausführungsform der Vorrichtung   wird.    anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen :
Fig.   1    einen Schnitt durch die Mess-und Hilfssonde und
Fig. 2 eine schematische Darstellung der   Anord-    nung der Sonden in der Flüssigkeit und ihre Schaltung.



   Das Gerät zur Messung augeblicklicher Ge  schwindigkeiten in    der Flüssigkeit V, z. B. zur Mesr   sungvonTurbulenzcharakteristiken    in waagrechter Wasserströmung, ist aus der Messsonde M, der Hilfssonde   P, dam Messinstrument 7 zur Messung von      Augenblickswerten des    Stromes und der Gleichspan  nungsquelle    E zusammengesetzt.



   Die Messsonde M besteht aus dem sehr feinen Metalldraht 1, die auf metallene Träger 2 angeschweisst ist, die im Sondenkörper 3 eingelagert sind. Die metallenen Träger 2 sind einschliesslich der   Bemihrungspunkte. mit dem    Draht   1    mit einer Isolierschicht 4 überzogen. Das Messelement der Messsonde M ist der feine Metalldraht   1.    Die Elektro   denfläche des Messelementes wird von der umsolier-    ten Oberfläche des   Drahtes'l'gebildet.

   Die Hilfs-    sonde P besteht aus   dem. unisolierten Metallplättchen    1, das von metallenen Trägern 2   festgeh, alten wirld,    die im Sondenkörper 3 eingelassen unid von einer Isolierschicht 4 isoliert werden, und zwar auf gleiche Weise wie bei der Messsonde M ; die Elektrodenfläche wird bei der Hilfssonde P von der unisolierten Oberfläche des Plättchens 1 gebildet. Bei der Messung sind gemäss dem Schema in Fig. 2 die Messsonde M und die   Hilfssonde    P   in den Strom der Flüssig-    keit   V einigetaucht,    z. B. in   Wasser, m dem vor der    Messung Komponenten eines Redoxsystems und ein    Grundelektrolyt. gelöst und. gleichmässig verteilt wur-    den, z. B.

   Kaliumferrocyanid,   Kaliumferricyanid    und   Kaliunichlorid.    Das Wasser hat eine freie Oberfläche   H.    Die Sonden sind an die Gleichspannungsquelle E angeschlossen, und in den Stromkreis ist das Messinstrument 7 zur Messung von augenblicklichen Wer  ten des durchfliessenden    Stromes eingeschaltet. Die   Hilfssonde    P ist in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit V hinter der Messsonde M so angeondnet,   dass die Strömuag der Flüssigkeit F    um die Messsonde M durch die Anwesenheit der Hilfssonde P mechanisch nicht beeinflusst wird.



   Die   Mess-unid iHilfissonde    M, P sind aus geeignetem, leitendem Material hergestellt, z. B. aus Platin, wobei die Fläche, an der die Elektrodenoxydation   oder-reduktion    verläuft, d. h. die Elektroden  Sache des Messelementes der Messsonde    M, sehr klein gegenüber der Elektrodenfläche der Hilfssonde P ist. Als Hilfssonde P kann, auch eine entsprechende   Referenzelektrode beniitzt    werden, z.   B.    eine Kalo  melelektrode.    Das Redoxsystem wird von einem igeeigneten, in der Flüssigkeit V gelösten Stoff gebildet, dessen oxydierte und reduzierte Form in der Lösung stabil bleibt, z.   B.    Chinhydron oder Ferro-Ferri  cyanjtd.

   Falls mehrere Messsonden    zur gleichzeitigen Messung an mehreren Stellen benützt werden, genügt für   : aille eine Hilfssonde P.    Das Messelement der Messsonde M kann, entsprechend der Anwendungsweise, verschiedener Form sein ; zur Messung von   Richtungscharakteristiken    oder Turbulenz auf analoge Weise wie in Gasen ist ihre passendste Form ähnlich wie beim Hitzdraht-oder Filmanemometer, nämlich die form eines Drahtes oder einer Messerschneide. Die Mess- und die   HiMssonde    können entweder voneinander getrennt sein oder konstruktiv in einem Sonderkörper vereinigt werden.

   An die Mess-und die Hilfssonde M, P die sich in der Strömung der ein Redoxsystem enthaltenden Flüs   sigkeit befinden,. ist eine bestimmte elektrische Spannung. angelegt, die den Durchgang des elek-    trischen Stromes durch die Flüssigkeit V verursacht.



  Beim Durchgang des elektrischen Stromes kommt es an der einen Sonde zur Redulction und an der zweiten zur Oxydation, wodurch sich die Konzentration der Komponenten des Redoxsystems an den   Elsktrodanfläcben    ändert Da die   Blektrodemläche    des Messelementes der Messsonde M gegenüber der   Eleiktrodenfläche    der   Hilfssonde P sehr Mein ist,    ist die Intensität des durchfliessenden elektrischen Stromes an dem Messelement der Messsonde M sehr gross im Vergleich mit der   Stromintensität. an    der Elektrodenfläche der Hilfssonde P, und infolge dessen ist die Konzentrationsänderung der   Komponenr    ten des Redoxsystem bei der Elektrodenfläche der    Hilfssonde P vemachlässigbar klein.

   gegenüber der Konzenfrationsänderung bei. der Elektrodenfläche des      Messelementes der Messsonfde    M. Daher verlaufen praktisch alle Konzentrationsänderungen der Redoxsystemkomponenten, die vom Durchgang des elek  trischen    Stromes zwischen den Sonden verursacht werden, in   der'unmittelbaren Umgebung der Elektro-      denfläche des Messelementes der Messsonde    M. Die    Intensität des durchifliessenden elektrischen Stromes    ist dabei von der Diffusion der Redoxsystemkomponenten in jenem Gebiete   abhängig, wo die Kontzen-      tr. ationsänderungen verlaufen,    d. h. bei der   Elektro-      denoberfläche (des Messelementes dter Messsonde    M.



  Da a diese diffusion durch die Strömung der Flüssigkeit V beeinflusst wird, ist die   Intensität des durch-    fliessenden elektrischen Stromes von der   Geschwin-    digkeit der Flüssigkeit V an dem Messelement der Messsonde M abhängig. Aus der Intensität des elek  trischen Stromes    ist es daher möglich, die Geschwindigkeit der Flüssigkeit V zu bestimmen.



   Die Arbeitsweise des beschriebenen Gerätes ist folgende : Der aus der Quelle E führende elektrische Stromkreis schliesst   sich über. die Hilfssonde    P, die   Flüssigkeit F, die Messsonde    M und das Instrument   1    zur Messung der Stromstärke zurück an   dite ruelle    E. Infolge der elektrischen Gleichspannung der Quelle E fliesst durch den angeführten Stromkreis elektri scher Strom, dessen Intensität vom Messinstrument   1    gemessen wird. Da die Intensität des elektrischen Stromes von den Konzentrationsänderungen des Re  doxsystems bei    der kleineren der beiden Elektroden bestimmt wird,   d.    h. bei dem.

   Messelement, das vom Draht   1    am Ende der Messsonde M gebildet wird, und diese Änderungen von der   Stromungsgeschwin-    digkeit der Flüssigkeit V an der angeführten Stelle abhängig sind, hängt die Intensität des elektrischen Stromes von, der   Flüssigkeitsgeschwindigkeit    bei   Idem    Draht 1 der Messsonde M ab. Mit sich erhöhender   Flüssigkeitsgeschwindiigkeit beim    Draht 1 der Messsonde   M erhöht sich    die Intensität des gemessenen elektrischen Stromes.

   Ausser der angeführten Verfahrensweise, wo bei angelegter Spannung der Strom gemessen wird, kann das Gerät auch derart funk   tionieren, dass'bei. angelegtem Strom die Spannung    gemessen wird ; in der Mehrzahl der Fälle ist jedoch   diese V'erfahrenswaiss    weniger vorteilhaft.



   Die Form der Beziehung des elektrischen Stromes oder der Spannung zu der Geschwindigkeit der Flüssigkeit V ist von der Form des Messelementes der Messsonde abhängig. Aber auch im Fall, dass dieses Messelement die Form eines Drahtes oder einer Messerschneide hat,. ist die angeführte   Bezie-      hung allgemein eine andere    als bei einem m Hitzdrahtoder Hitzfilmanemometer. Ist jedoch die relative   Turbulenzintensität'genügend    klein, ist es möglich, die Beziehung zwischen den Änderungen des elektrischen Stromes oder der Spannung und den Ge  schwindigkeitsfluktuationen zu line'arisieren,    was dann zur Messung von Turbulenzcharakteristiken die Anwendung jener Theorie und Methodik erlaubt, die für das   Hitzdraht-oder    Hitzfilmanemometer ausgearbeitet ist.



   Das angeführte Messungsverfahren und das Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens ermöglichen somit eine richtungsempfindliche Messung der augenblicklichen   Flüssigkeitsgeschwindigkeiten    und demzufolge auch die   Messin,    von Turbulenzcharakteristiken in Flüssigkeiten sowie bei kleiner relativer Turbulenzintensität die Anwendung der Theorie und Methodik sowie des grössten Teiles der   Hilfsappara-    tur der bisher benützten Hitzdraht- oder   Hitzfilm-    anemometer.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Messung augenblicklicher Flüssigkeitgeschwindigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit auf -don Transport eines einer elektrolytischen Reduktion oder Oxydation fähigen Stoffes einwirkt, welcher zum Messelement einer Messsonde (M) sich bewegt, wobei an diesem als Elektrode wirkenden Messelement die Reduktion oder Oxydation des transportierten Stoffes vor sich geht und die Geschwindig- keitsmessung durch Feststellung des elektrischen Stromes oder des elektrischen Potentials am Messelement stattfindet.

   II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Messsonde (M), einer Hilfssonde (P), einem Messinstrument (I) und einer Quelle (E) elektrischen Stromes oder elektrischer Spannung besteht, wobei beide Sonden (M, P) im Betrieb in die Flüssigk, eit (V) getaucht sind, alle genannten Teile in'einem Stromkreis eingeschaltet sind, eine Elek- trodenfläche eines Messelementes (l) der Messsonde (M) gegenüber einer Elektrodenfläche der Hilfs- sonde (P) sehr klein ist.