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.