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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen einer aus einer Düse austretenden Gasströmung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Verfahrens.
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Bei der Vermessung von Düsen für Gasströmungen, insbesondere für hochenergetische Gasströmungen gibt es prinzipiell verschiedene Ansätze. In unterschiedlichen Technologien ist die Vermessung derartiger Gasströmungen bzw. Gasstrahlen aus Düsen, insbesondere hinsichtlich der Gasgeschwindigkeiten, von entscheidender Bedeutung. Ein wichtiger Anwendungszweig liegt dabei in der Vermessung von Düsen für das thermische Spritzen, insbesondere für das Lichtbogendrahtspritzen. Wird die Düse bzw. der Brenneraufbau zuerst auskonstruiert und dann im realen Einsatz getestet, ist dies sehr aufwändig, sowohl hinsichtlich der Konstruktion, der Produktion als auch der Messungen. Wünschenswert wäre es daher, ein Verfahren einsetzen zu können, welches bereits in einem frühen Stadium der Entwicklung eingesetzt werden kann, um insbesondere die Charakteristik des Gasstrahls zu vermessen und konstruktiv zu optimieren, da diese Charakteristik des Gasstrahls wesentlich für die spätere Charakteristik des Spritzstrahls beim thermischen Spritzen ist.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind dabei verschiedene Sensoren bzw. Messverfahren zur Erfassung von Windgeschwindigkeiten bzw. Gasgeschwindigkeiten bekannt. Sehr oft werden Flügelradsensoren verwendet. Der Nachteil dieser Flügelradsensoren liegt darin, dass diese keinen sonderlich großen Messbereich aufweisen und darüber hinaus bei kleineren Geometrien des Gasstrahls ungeeignet sind. Insbesondere bei der Vermessung von aus einer Düse austretenden Gasstrahlen ist jedoch die Geometrie typischerweise eher klein und es ist, vor allem bei hochenergetischen Gasstrahlen, ein entsprechender großer Messbereich notwendig.
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Ein weiteres aus dem allgemeinen Stand der Technik bekanntes Verfahren ist die sogenannte Hitzdraht-Anemometrie, die mittels feinen elektrisch beheizten Drähten den Gasstrahl vermisst. Dabei ist es typischerweise so, dass der elektrische Widerstand des im jeweiligen Bereich angeordneten Drahts von der Temperatur abhängt. Diese Temperatur ist wiederum abhängig von der Gasgeschwindigkeit des den Draht in diesem Bereich umströmenden Gasstroms, welcher Wärme von dem Draht abführt. Letztlich wird also der durch die Umströmung stattfindende Wärmetransport als Maß für die Gasgeschwindigkeit genutzt. Auch dieses Verfahren stößt bei hohen Drücken und insbesondere auch bei Verunreinigungen in dem Gas sehr schnell an seine Grenzen und ist damit nur sehr bedingt zur Weiterentwicklung und Verifizierung der Eigenschaft von Düsen in der Serienproduktion geeignet. Außerdem verursacht sowohl das Messsystem als auch seine Kalibrierung erhebliche Kosten.
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Eine weitere grundsätzlich existierende Möglichkeit, eine Strömung hochgenau zu vermessen, ist die sogenannte Laser-Doppler-Anemometrie, welche auch als IDA bezeichnet wird. Hierbei ist es jedoch notwendig, sogenannte Tracerpartikel in der Gasströmung mitzuführen. Dies ist einerseits häufig störend und kann andererseits zu einem ungewollten abrasiven Verschleiß führen. Darüber hinaus ist IDA als Messtechnik außerordentlich aufwändig und verursacht entsprechend hohe Kosten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Vermessen einer aus einer Düse austretenden Gasströmung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet und ein einfaches serientaugliches Verfahren ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 9 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung für das Verfahren angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt zum Vermessen einer aus einem Gasführungssystem, welches typischerweise auch als Düse bezeichnet wird, austretenden Gasströmung eine Staudruckmessung. Hierfür werden an unterschiedlichen Punkten der Gasströmung in Strömungsrichtung nach der Düse die entsprechenden Messwerte mittels einer Staudruckmessung erfasst. Hierdurch wird eine sehr einfache und effiziente Messung möglich, welche insbesondere auch für die Vermessung einer großen Zahl von Düsen sehr gut funktioniert und daher beispielsweise zur Entwicklung oder zur Freigabe entsprechender Düsen für die Serienfertigung einfach und zuverlässig herangezogen werden kann.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dabei in zeitlicher Abfolge die unterschiedlichen Punkte von einer Messeinrichtung angefahren, welche dort den Staudruck misst. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann dies automatisiert erfolgen, beispielsweise indem über einen Roboter die Messeinrichtung an die einzelnen Punkte verbracht wird. Die einzelnen Punkte, welche insbesondere über mehrere Ebenen verteilt in Strömungsrichtung nach der Düse liegen, können dabei insbesondere so angefahren werden, dass eine eventuelle Beeinträchtigung der Strömung durch die Messeinrichtung zeitlich bereits wieder abgeklungen ist, bevor am benachbarten Punkt gemessen wird. Somit lässt sich sehr einfach und gemäß der vorteilhaften Weiterbildung insbesondere vollautomatisiert ein hochenergetischer Gasstrahl, welcher aus der Düse austritt, vermessen. Die Messung ist dabei sehr leicht reproduzierbar und erlaubt damit eine einfache und prozesssichere Aussage über die Qualität bzw. Charakteristik der Düse und des aus der Düse austretenden Gasstrahls. Außerordentlich einfach und auch bei Düsen, welche aus einem kostengünstigen Material, beispielsweise durch 3D-Drucktechnik aus Kunststoff hergestellt werden, lässt sich so die Charakteristik des Gasstrahls erfassen und für ein späteres Brennersystem, wie es beispielsweise beim thermischen Spritzen eingesetzt werden kann, optimieren. Hierdurch wird ein sehr kostengünstiges Verfahren verwirklicht, welches Aussagen über Verwirbelungen bzw. die Konstanz des Gasstrahls die Gasstrahlform und Gasstrahlgeschwindigkeit ermöglicht. Hierdurch werden einerseits Optimierungsmöglichkeiten für die Düsen bzw. für Brenner, welche zum thermischen Spritzen eingesetzt werden, aufgezeigt und Neuentwicklungen können bereits in einem frühen Entwicklungsstadium auf ihre Eignung hin überprüft werden.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist es, dass hierdurch eine einfache Möglichkeit zur Freigabe neu gekaufter oder gewarteter Systeme möglich wird, indem sie auf ihren charakteristischen Gasstrahl hin vermessen werden. Dann kann sehr leicht und ohne realen Test im thermischen Spritzen entschieden werden, ob die Form, die Geschwindigkeit und die Verwirbelungen im Rahmen der gewünschten referenziellen Kennwerte liegen.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dabei als Messeinrichtung eine sogenannte Prandtl-Sonde eingesetzt werden, welche auch als Pitot-Rohr bezeichnet wird. Eine solche Prandtl-Sonde stellt eine sehr einfache und zuverlässige Messeinrichtung dar, welche auch entsprechend miniaturisiert realisiert werden kann, um hochenergetische Gasströme mit entsprechend kleinen Gasstrahlgeometrien zuverlässig zu vermessen.
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Im Kern ist dabei ist die Geschwindigkeit des Gasstrahls in den einzelnen Messpunkten interessant. Deshalb ist es gemäß einer günstigen Weiterbildung der Idee vorgesehen, dass die erfassten statischen Drücke rechnerisch in Gasgeschwindigkeiten umgewandelt werden. Das entsprechende Formelwerk ist dabei für Prandtl-Sonden bzw. Pitot-Rohre allgemein bekannt, da diese beispielsweise auch zur Geschwindigkeitsmessung im Luftverkehr eingesetzt werden. Für den speziellen Anwendungsfall kann darüber hinaus bei der rechnerischen Umwandlung gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee, und dies gilt insbesondere bei höheren Gasgeschwindigkeiten, die Kompressibilität des Gases und/oder bei überschallschnellen Gasgeschwindigkeiten die sich bildenden Schockwellen mathematisch berücksichtigt werden. Die Messwerte lassen sich so sehr genau in ein Geschwindigkeitsprofil des Gasstrahls umrechnen.
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Zusätzlich zu der Messung des Staudrucks kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich vorgesehen sein, dass eine schlierenoptische Messung durchgeführt wird. Eine solche schlierenoptische Messung ist grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt. Der zu vermessende Gasstrahl wird dabei in ein optisches System eingebracht, welches aus einer Lichtquelle und einem entsprechenden Aufnehmer, beispielsweise einer Kamera, besteht. Das Licht wird gezielt beispielsweise über Spiegel und Hohlspiegel durch den Gasstrahl hindurchgelenkt. Durch unterschiedliche Temperaturen, Drücke und Geschwindigkeiten des Gases in unterschiedlichen Bereichen des Gasstrahls kommt es zu einer unterschiedlichen Brechung des Lichts. Über eine sogenannte Schlierenkante können dann einzelne Bestandteile des Lichts, insbesondere solche, welche entsprechend stark gebrochen worden sind, herausgefiltert werden. Übrig bleibt ein sogenanntes Schlierenbild, welches eine qualitative Beurteilung des Gasstrahls, nicht jedoch eine quantitative erlaubt. Die über die Staudruckmessung erfassten quantitativen Werte können so ideal durch die qualitative schlierenoptische Messung ergänzt werden, da hier gerade turbulente Strömungen sehr gut sichtbar gemacht werden. Somit lassen sich ergänzend zur quantitativen Messung über den Staudruck Problemstellen der Gasstrahlführung und damit letztlich der Düsengeometrie bzw. der Strahlführungsgeometrie sehr leicht identifizieren. Entsprechende Optimierungsmaßnahmen können dann eingeleitet werden, sodass mithilfe der Kombination der beiden Analyse- bzw. Messverfahren eine besonders effiziente Optimierung der Einstellungen bzw. der geometrischen Parameter von Düse und Strahlführungsgeometrie durchgeführt werden kann.
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Wie bereits mehrfach erwähnt liegt die besonders geeignete Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vermessen von Düsen und/oder Düsen-Brenner-Systemen zur Verwendung beim thermischen Spritzen, insbesondere beim Lichtbogendrahtspritzen. Daneben ist es jedoch auch denkbar, über das erfindungsgemäße Verfahren andere aus Düsen austretende, insbesondere hochenergetische, Gasstrahlen bzw. Gasströmungen sicher und zuverlässig zu vermessen, um insbesondere die Düsengeometrie beurteilen und gegebenenfalls optimieren zu können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Prüfstands zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine Prinzipdarstellung einer Messeinrichtung zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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3 Prinzipdarstellung eines Prüfstands zur schlierenoptischen Messung; und
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4 beispielhafte schlierenoptische Aufnahme einer Hochgeschwindigkeitskamera.
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In der Darstellung der 1 ist die Prinzipdarstellung eines Prüfstands zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erkennen. In der Darstellung der 1 ganz links befindet sich eine Düse 1, in diesem Fall ein Düsen-Brenner-System, welches zum Lichtbogendrahtspritzen eingesetzt werden kann. Über das Lichtbogendrahtspritzen können dabei insbesondere die Zylinderlaufbahnen von Zylindern in Brennkraftmaschinen entsprechend beschichtet werden.
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Ausgehend von der Düse 1 weitet sich ein hochenergetischer Gasstrahl 2 auf. Diese Gasströmung 2 soll nun vermessen werden. Hierfür dient ein in der Darstellung der 1 ganz rechts angedeuteter Roboter 3, welcher eine Messeinrichtung 4, in diesem Fall eine Prandtl-Sonde, durch den Gasstrahl 2 führt, um eine Staudruckmessung an unterschiedlichen prinzipmäßig angedeuteten Punkten durchzuführen. Die Messung kann dabei insbesondere so erfolgen, dass zuerst die unterschiedlichen Punkte einer ersten Messebene e1 durchgeführt wird. Anschließend werden verschiedene weitere hier nicht dargestellte Messebenen bzw. die einzelnen unterschiedlichen Punkte innerhalb der Messebene erfasst. Abschließend wird eine Messebene n, welche in der Darstellung der 1 mit en bezeichnet ist, vermessen.
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Die Messeinrichtung 4 in Form der Prandtl-Sonde, welche auch als Pitot-Rohr bezeichnet wird, ist in der Darstellung der 2 nochmals dargestellt. An der Spitze der Prandtl-Sonde, welche in der Darstellung der 2 mit dem Bezugszeichen 5 versehen ist, liegt der in der Darstellung der 2 mit pt bezeichnete Gesamtdruck an, welcher durch eine im Bereich der Spitze 5 befindliche Öffnung in das Innere des Pitot-Rohrs 4 strömt. Hier liegt dann der sogenannte statische Druck ps an. Dieser statische Druck ps bildet zusammen mit dem sogenannten dynamischen Druck pd den Gesamtdruck pt. Ps + Pd = Pt (1)
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Der dynamische Druck pd hängt letztlich von der Dichte des Gases und dessen Geschwindigkeit ab. Dabei gilt folgender Zusammenhang: pd = ρ / 2v2 (2)
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Insbesondere kann zur vereinfachten Vermessung Druckluft herangezogen werden, da diese einfach und günstig eine zuverlässige Messung ermöglicht und vergleichsweise viel des beispielsweise beim thermischen Spritzen ansonsten als Schutzgas eingesetzten Stickstoffs enthält, sodass die Messwerte durchaus vergleichbar sind. Wird nun also Luft verwendet, dann gilt für die Dichte der Luft:
p
0 ist dabei der atmosphärische Druck, T die Temperatur und R
s die spezifische Gaskonstante.
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Löst man die Formeln (1) und (2) nun nach der Geschwindigkeit auf, so ergibt sich:
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Hierin kann man für die Dichte die Dichte der Luft gemäß Formel (3) einsetzen. Somit kann also für jeden der in 1 angedeuteten unterschiedlichen Punkte der Staudruck gemessen und hieraus die Geschwindigkeit des Gases an exakt diesem Punkt berechnet werden. Bei höheren Gasgeschwindigkeiten kann dabei rechnerisch auch die Kompressibilität einberechnet werden, sodass die Genauigkeit steigt. Bei überschallschnellen Gasgeschwindigkeiten kann mathematisch zusätzlich die sich ausbildende Schockwelle kompensiert werden. Durch ein an die jeweilige Situation angepasstes Bearbeiten der Rohdaten des Staudrucks lassen sich so sehr gute und zuverlässige charakteristische Geschwindigkeitsprofile der Gasstrahlen 2 aus den jeweiligen Düsen 1 erfassen.
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Zusätzlich kann der Gasstrahl 2 aus der Düse 1 einer schlierenoptischen Messung unterzogen werden. Hierfür kann beispielsweise ein Aufbau verwendet werden, wie er in der Darstellung der 3 angedeutet ist. Ausgehend von einer Lichtquelle 6 wird das Licht über eine Linse 7 fokussiert und gelangt dann durch eine Irisblende 8 zu einem ersten Planspiegel 9. Von dort wird das Licht im Winkel in einen ersten Hohlspiegel 10 geleitet, von welchem aus es dann durch den mit MB bezeichneten Messbereich hindurchtritt und von einem weiteren Hohlspiegel 11 zu einem zweiten Planspiegel 12 gelenkt wird. Im Messbereich wird das Licht teilweise gebrochen, da der Brechungsindex insbesondere vom Druck und der Temperatur des Gases, letztlich jedoch auch bis zu einem gewissen Grad von geschwindigkeitsabhängigen Faktoren beeinflusst ist. Das so entstandene Bündel von teilweise gebrochenen und teilweise ungebrochenen bzw. unterschiedlich stark gebrochenen Lichtstrahlen gelangt dann über den zweiten Hohlspiegel 11 zu einem zweiten Planspiegel 12 und wird über eine sogenannte Schlierenkante 13 hinweg in ein optisches Aufnahmesystem, beispielsweise eine Kamera 14, geleitet. An der Schlierenkante 13 werden einzelne stärker gebrochene Teile des Strahlenbündels (in der 3 strichpunktiert) blockiert, sodass letztlich ein Bild entsteht, welches eine qualitative Beurteilung des Gasstrahls zulässt, und zwar insbesondere hinsichtlich eventuell auftretender Verwirbelungen oder dergleichen. Ein solches Bild ist beispielhaft in der Darstellung der 4 zu erkennen.
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Dieses Bild kann nun insbesondere mit dem über die Staudruckmessung ermittelten Geschwindigkeitsprofil in dem Gasstrahl 2 überlagert werden, beispielsweise indem eine farbige die Geschwindigkeit symbolisierende Skala über die Schwarzweißaufnahme der schlierenoptischen Messung gelegt wird. Hierdurch ist eine sehr gute und zuverlässige Beurteilung der Charakteristik des Gasstrahls 2 möglich, welche insbesondere zu den oben bereits beschriebenen Zwecken vorteilhaft eingesetzt werden kann.
