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.
Method and device for measuring instantaneous velocities in liquids
For measuring instantaneous flow velocities, especially when measuring rapid fluctuations. velocities to determine turbulence characteristics, the hot-wire anemometer is most often used in gases. Its widespread use is the result of the advantageous properties of this anemometer: it is directionally sensitive, has a relatively low inertia, enables measurements over a wide range, and its introduction causes minimal flow disturbances.
The theory of its application and the associated equipment technology are also included. worked through in detail. A modification of the hot wire anemometer is Ida's anemometer with a platinum hot film, in which a platinum film works in the same way as the measuring element instead of the fine wire, which is applied to the knife-like end of the ceramic or glass probe body. The functional principle of the anemometers listed is based on the fact that the heat dissipation from the hot wire or film depends on the flow velocity in the vicinity of these measuring elements.
The flow rate is then determined from the measurement of the wire or film temperature using the constant current method or from the measurement of the amount of heat dissipated using the constant temperature method. As long as the relative turbulence intensity is sufficiently small, the dependency between the electrical voltage or current changes and the fluctuations in the mean speed is usually linearized. The wire or film is heated by the electric current, and the temperature changes are expressed by changes in the electrical resistance of the wire or film.
Attempts to use the hot-wire or film meter for similar measurements in liquids, however, encountered great difficulties which so far could not be overcome. Particularly when measurements are taken in water, the niche impacts and gas bubbles that form as a result of higher temperature and electrolysis are a hindrance. The other measurement methods that can be used in liquids, such as B.
Methods that are based on the visualization of the flow, the pressure taking, the electromagnetic induction or the measurement by means of small impellers have various specific disadvantages and limitations, as a result of which the possibilities of measuring turbulence characteristics and liquids compared to the possibilities of analog measurements remain significantly in the residue in gases.
The stated difficulties are eliminated by the method for measuring instantaneous velocities in liquids according to the invention and the device for carrying out this method, which preserves the advantages of the hot-wire anemometer and is particularly applicable to measurements in liquids. The method according to the invention consists in the fact that the flow velocity of the liquid acts on the transport of a substance capable of electrolytic reduction or oxidation, which moves to the measuring element of a measuring probe, with the reduction or oxidation of the transported substance in front of this measuring element acting as an electrode goes and the Ge speed measurement by determining the electrical.
Current or the electrical potential takes place on the measuring element.
The device according to the invention consists in that it consists of a measuring probe, an auxiliary probe, a measuring instrument and a source of electrical current or voltage, with both probes being immersed in the liquid during operation, all parts mentioned being switched on in one circuit, one Electrode area leash. The measuring element of the measuring probe is very small compared to an electrode surface of the auxiliary probe.
An example embodiment of the device is. explained in more detail below with reference to the drawing. Show it :
1 shows a section through the measuring and auxiliary probe and FIG
2 shows a schematic representation of the arrangement of the probes in the liquid and their circuit.
The device for measuring instantaneous Ge speeds in the liquid V, z. B. for measuring turbulence characteristics in horizontal water flow, is composed of the measuring probe M, the auxiliary probe P, the measuring instrument 7 for measuring instantaneous values of the current and the DC voltage source E.
The measuring probe M consists of the very fine metal wire 1, which is welded to metal supports 2 which are embedded in the probe body 3. The metal supports 2 are inclusive of the points of reference. with the wire 1 covered with an insulating layer 4. The measuring element of the measuring probe M is the fine metal wire 1. The electrode surface of the measuring element is formed by the insulated surface of the wire '1'.
The auxiliary probe P consists of the. uninsulated metal plate 1, fixed by metal carriers 2, which are embedded in the probe body 3 and insulated by an insulating layer 4, in the same way as with the measuring probe M; the electrode surface in the auxiliary probe P is formed by the uninsulated surface of the plate 1. During the measurement, according to the scheme in FIG. 2, the measuring probe M and the auxiliary probe P are immersed in the flow of the liquid V, e.g. B. in water, m the components of a redox system and a base electrolyte before the measurement. solved and. were evenly distributed, e.g. B.
Potassium ferrocyanide, potassium ferricyanide and potassium dichloride. The water has a free surface H. The probes are connected to the DC voltage source E, and the measuring instrument 7 for measuring instantaneous values of the current flowing through is switched into the circuit. The auxiliary probe P is in the direction of flow of the liquid V behind the measuring probe M so that the flow of the liquid F around the measuring probe M is not mechanically influenced by the presence of the auxiliary probe P.
The measuring unid i auxiliary probes M, P are made of suitable conductive material, e.g. B. of platinum, the surface on which the electrode oxidation or reduction takes place, d. H. the electrodes are a matter of the measuring element of the measuring probe M, very small compared to the electrode area of the auxiliary probe P. A corresponding reference electrode can also be used as an auxiliary probe P, e.g. B. a Kalo melelectrode. The redox system is formed by a suitable substance dissolved in the liquid V, the oxidized and reduced form of which remains stable in the solution, e.g. B. Quinhydrone or Ferro-Ferri cyanjtd.
If several measuring probes are used for simultaneous measurement at several points, all that is needed is: one auxiliary probe P. The measuring element of the measuring probe M can be of different shapes, depending on the application; For measuring directional characteristics or turbulence in a manner analogous to that in gases, their most suitable shape is similar to that of a hot wire or film anemometer, namely the shape of a wire or a knife edge. The measuring probe and the HiM probe can either be separated from one another or structurally combined in a special body.
To the measuring probe and the auxiliary probe M, P, which are located in the flow of the liquid containing a redox system. is a certain electrical voltage. which causes the passage of the electric current through the liquid V.
When the electrical current passes through, one probe leads to reduction and the second to oxidation, which changes the concentration of the components of the redox system on the electrode surface. the intensity of the electric current flowing through the measuring element of the measuring probe M is very large in comparison with the current intensity. on the electrode surface of the auxiliary probe P, and as a result, the change in concentration of the components of the redox system in the electrode surface of the auxiliary probe P is negligibly small.
compared to the change in concentration. the electrode surface of the measuring element of the measuring probe M. Therefore, practically all changes in the concentration of the redox system components, which are caused by the passage of the electrical current between the probes, take place in the immediate vicinity of the electrode surface of the measuring element of the measuring probe M. The intensity of the electric current flowing through depends on the diffusion of the redox system components in the area where the changes in concentration take place, i. H. at the electrode surface (of the measuring element of the measuring probe M.
Since this diffusion is influenced by the flow of the liquid V, the intensity of the electric current flowing through is dependent on the speed of the liquid V at the measuring element of the measuring probe M. It is therefore possible to determine the speed of the liquid V from the intensity of the electric current.
The operation of the device described is as follows: The electrical circuit leading from the source E closes over. the auxiliary probe P, the liquid F, the measuring probe M and the instrument 1 for measuring the current intensity back to the dite ruelle E. As a result of the electrical direct voltage from the source E, an electrical current flows through the circuit, the intensity of which is measured by the measuring instrument 1. Since the intensity of the electric current is determined by the changes in the concentration of the redox system at the smaller of the two electrodes, i. H. in which.
Measuring element, which is formed by the wire 1 at the end of the measuring probe M, and these changes are dependent on the flow rate of the liquid V at the specified point, the intensity of the electric current depends on the liquid speed at wire 1 of the measuring probe M. . The intensity of the measured electrical current increases as the liquid velocity increases in the wire 1 of the measuring probe M.
In addition to the procedure mentioned, where the current is measured when the voltage is applied, the device can also function in such a way that applied current the voltage is measured; in the majority of cases, however, this procedural waiss is less advantageous.
The form of the relationship between the electrical current or the voltage and the velocity of the liquid V depends on the form of the measuring element of the measuring probe. But also in the case that this measuring element has the shape of a wire or a knife edge. the relationship is generally different from that of a hot wire or hot film anemometer. If, however, the relative turbulence intensity is sufficiently small, it is possible to linearize the relationship between the changes in the electric current or voltage and the fluctuations in speed, which then allows the application of the theory and methodology which are necessary for the measurement of turbulence characteristics to be used Hot wire or hot film anemometer is worked out.
The stated measurement method and the device for carrying out this method thus enable a direction-sensitive measurement of the instantaneous liquid velocities and consequently also the measurement of turbulence characteristics in liquids and, in the case of a small relative turbulence intensity, the application of the theory and methodology as well as most of the auxiliary equipment of the previously used Hot wire or hot film anemometer.