DD293654A5

DD293654A5 - Sensor zur messung des gradienten der stroemungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen gewaessern

Info

Publication number: DD293654A5
Application number: DD33966290A
Authority: DD
Inventors: Hartmut Prandke
Original assignee: Adw Institut Fuer Meereskunde,De
Priority date: 1990-04-11
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1991-09-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung des Gradienten der Stroemungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen Gewaessern. Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen Meszfuehler, vorzugsweise als Bestandteil frei sinkender oder kabelgebundener Sonden, zu schaffen, der unter Vermeidung der Nachteile bekannter Loesungen die Registrierung des Gradienten der Stroemungsgeschwindigkeit bis hin zu Skalen im Bereich Zentimeter ermoeglicht. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz das in Sondierungsrichtung weisende Ende des mit einer Isolierschicht umgebenen piezokeramischen Elementes mit einer stroemungsdynamisch guenstig gestalteten, in Biegerichtung des piezokeramischen Elementes leicht beweglichen Kappe durch ein elastisches Formelement verbunden ist, wobei das umgebende Medium durch OEffnungen am Umfang der Kappe ungehindert in den Innenraum der Kappe stroemen kann. Figur{Stroemungsmessung; Gradient; Meszgeraete; Sensor; Ozeanologie; Limnologie}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar zur Messung des Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen Gewässern, vorzugsweise als Bestandteil einer kabelgebundenen oder frei sinkenden Meßsonde.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Untersuchung kleinskaliger Schichtungsstrukturen und Vermischungsvorgänge in marinen und limnischen Gewässern, insbesondere kleinskaliger Turbulenz, erfordert die Messung des Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit (Stromscherung) bis hin zu Skalen im Zentimeterbereich.

Die Messung erfolgt dabei im allgemeinen längs eines Vertikalprofiles mit Hilfe kabelgebundener oder frei sinkender Sonden, die mit einem geeigneten Sensor ausgerüstet sind. International hat sich als Sensor der sogenannte „airfoil"-Typ durchgesetzt, der besonders gute strömungsdynamische und meßtechnische Eigenschaften aufweist/1/. Derartige Sensoren tragen an dem in Sondierungsrichtung weisenden Ende ehes Schaftes ein piezokeramisches Element, das seitliche Biegebeanspruchungen als Folge von Stromscherungen im umgeber.den Medium aufnimmt. Das piezokeramische Element ist von einer elastischen Ummantelung gekapselt, die eine rotationsparabolische oder ähnlich strömungsdynamisch günstige Form aufweist. Die typische Länge der aus piezokeramischem Element und Ummantelung bestehenden sensiblen Meßspitze beträgt 1 Zentrimeter. Sensoren dieses Typs weisen verschiedene Mängel auf:

- Eine schnelle Änderung der Umgebungstemperatur, z. B. beim Sondieren durch eine Temperatursprungschicht, führt zu thermisch bedingten mechanischen Verspannungen in der Ummantelung. Dadurch wird eine mechanische Biegebelastung für das piezokeramische Element erzeugt, die zu Signalen führen kann, die weit größer sind als die durch die Stromscherung bedingten. Die Folge ist eine Verfälschung der Meßwerte und eine Einschränkung der Empfindlichkeit des Sensors durch die notwendige Begrenzung der Verstärkung der nachgeschalteten elektronischen Verstärkerschaltung.

- Eine Änderung des Umgebungsdruckes durch die zunehmende Meßtiefe während einer Sondierung führt wegen der nicht vollständigen Inkompressibilität des Materiales der Ummantelung ebenfalls zu mechanischen Verspannungen, die eine Verfälschung der Meßwerte bewirken können und zu einer tiefenabhängigen Änderung der Empfindlichkeit des Sensors führen.

Dieser Charakterisierung liegt folgende Literatur zugrunde:

1 OSBORN,T.R., CRAWFORD, W. R.: Turbulent Velocity Measurements with an Airfoil Probe.- NATO Advanced Study Institute on Instruments and Methods in Air/See Interaction. April 1970.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Sensor zur Messung des Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen Gewässern zu schaffen, der unter Vermeidung der Nachteile bekannter Lösungen, aber bei Beibehaltung bekannter strömungsdynamisch und meßtechnisch optimaler Formgestaltung und Abmessungen, die Messung bis hin zu Skalen im Bereich Zentimeter bei hoher Empfindlichkeit und Störsicherheit gestattet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor, vorzugsweise als Bestandteil kabelgebundener oder frei sinkender Meßsonden, zur Messung des Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen Gewässern zu schaffen, der unter Beibehaltung bekannter strömungsdynamisch und meßtechnisch optimaler Formgestaltung und Abmessungen, die Messung bis hin zu Skalen im Bereich Zentimeter bei hoher Empfindlichkeit und Störsicherheit gestattet. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das von einer dünnen Isolierschicht überzogene piezokeramische Element an seinem freien, in Sondierungsrichtung weisende Ende mit der strömungsdynamisch günstig gestalteten, dünnwandigen, am Umfang mit Öffnungen versehenen, aus festem Material bestehunden Kappe durch ein elastisches Formelernent verbunden ist. Die Öffnungen am Umfang der Kappe sind so bemessen, daß ein ungehindertes Einströmen des umgebenden Mediums in den Innenraum der strömungsdynamisch günstig gestalteten Kappe erfolgen kann. Die Kappe ist auf dem Schaft des Meßfühlers so gelagert, daß sie in Biegerichtung des piezokeramischen Elementes leicht beweglich ist.

Ausführungsbeispiel

Eine konstruktive Ausführung des Sensors als Bestandteil einer frei sinkenden Sonde stelt die Figur dar. In den metallischen Schaft 1 des Sensors ist ein Ende des mit einer dünnen Isolierschicht 2 überzogenen piezokeramischen Elementes 3 mittels Kunstharzes 4 eingegossen. Das freie Ende des piezokeramischen Elomontes ist durch ein elastisches Formelement 5 mit der strömungsdynamisch günstig gestalteten, dünnwandigen metallischen Kappe 6 verbunden. Durch die öffnungen 7 am Umfang der Kappe strömt das umgebende Medium In den Innenraum der Kappe, Die beiden Lagerstifte 8 bewirken eine leichte Beweglichkeit der Kappe in Biegerichtung des piezokeramischen Elementes. Ein elastischer Ring 9 zwischen dem Schaft des Sensors und der Ummantelung sichert einen konzentrischen Sitz der Kappe auf dem Schaft.

Claims

1. Sensor zur Messung des Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen Gewässern, dadurch gekennzeichnet, daß das in Sondierungsrichtung weisende Ende des piezokeramischen Elementes mit der strömungsdynamisch günstig gestalteten Kappe durch ein elastisches Formelement verbunden ist und daß die strömungsdynamisch günstig gestaltete dünnwandige Kappe aus festem Material am Umfang mit Öffnungen versehen ist.

2. Vorrichtung gemäß Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsdynamisch günstig gestaltete Kappe so auf dem Schaft des Meßfühlers gelagert ist, daß sie in Biegerichtung des piezokeramischen Elementes leicht beweglich ist.