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Sonde zur Ausmessung von Geschwindigkeits-und Temperaturfeldern eines
strömenden Mediums Die Erfindung betrifft eine Sonde zur Ausmessung von ebenen und
räumlichen Geschwindigkeits- und! oder Temperaturfeldern eines strömenden Mediums
mit ,leichmäßiger oder stark wechselnder Strömungsrichtung.
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Zur Ausmessung eines Geschwindigkeitsfeldes hinsichtlich der Strömungsrichtung
und der Strömungsgedlwindigkeit sind beispielsweise das Prandtlsche Staurohr oder
die Venturidüse bekanntgeworden.
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Diese Geräte sind dann gut geeignet, wenn es sich um Geschwhldigkeitsfelder
handelt, deren Strömungsrichtung gleichmäßig ist; sofern es sich dagegen um Geschwindigkeitsfelder
mit örtlich und/oder zeitlich stark wechselnder Strömungsrichtung handelt, sind
diese Gerste nicht mehr zu gebrauchen, weil sie richtungsempfindlich sind. Dartiber
hinaus sind Stankörper bekanntgeworden, die mit verschiedenen Bohrungen versehen
sind, so daß mehrere Drücke unabhängig voneinander gemessen werden können. Bei Verwendung
von Eichkurven ist es möglich, aus diesen Messungen die Strömungsrichtung zu bestimmen.
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Werden die Bohrungen solcher Staukörper entsprechend zusammengeschaltet,
so ist es auch möglief, unter Verwendung einer entsprechenden Eichkurve die Strömungsgeschwindigkeit
zu ermitteln.
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Weitedzin ist eine Sonde zur Ausmessung von ebenen und räumlichen
Geschwindigkeitsfelderr eines strömenden Mediums mit stark wechselnder Strömungsriclltung
bekanntgeworden, die insbesondere als stabförmige Sonde ausgebildet ist. Diese Zy]indersonde
besitzt in einer Ebene des zylindrischen Teils der Sonde symmetrisch zu einer Bohrun
für die Messung des Gesamtdruckes je eine rechts und links von jener Bohrung liegende.
lotrecht zur tangentialen Strömungsrichtung um den Zylinder angeordnete Bohrung
zur Messung des statischen Druckes des strömenden Mediums und eine weitere. lotrecht
zur benannten Ebene angeordnete Bohrung im Sondenkopf, so daß unabhangig von den
obengenannten Meßstellen und der Stellung der Sonde die Ström ungsnchtung und Strömungsgeschwindigkeit
bestimmt werden kann. Mittels dieser Sonde kann mit Hilfe einer Einstellung die
Strömungsrichtung, der Gesamtdruck, der dynamische Druck und der statische Druck
eines strömenden Mediums, insbesondere mit stark wechselnder Strömungsrichtung,
ermittelt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Gegensatz zu allen bekannten
Meßsonden nunmehr eine solche Sonde zu entwickeln, mit deren Hilfe nicht nur die
Druckverhältnisse sowie die Strömungs-
richtung eines strömenden Mediums ermittelt
werden können, sondern auch die Temperaturverhältnisse sowie die Temperaturverteilung.
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Es ist bisher nicht möglich gewesen, die statische Temperatur in
einem schnellströmenden Medium zu messen. Lediglich bekannt ist, eine durch die
Stauwirkung der Strömung beeinflußte Temperatur zu messen. Die Erfindung gibt nun
ein Mittel an, die wirkliche statische Temperatur in einem schnellströmenden Medium
ebenso einwandfrei zu messen. wie es beispielsweise mit verschiedenen Drucksonden
möglich ist, die statischen Drücke einwandfrei zu messen. Des weiteren werden noch
die Gesamttemperatur. die sogenannte Staupunkttemperatur und die dynamische Temperatur
ermittelt.
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Ein neues Anwendungsgebiet eröffnet sich der Erfindung auch bei bisher
noch nicht möglich gewesenen direkten Messungen von beispielsweise Flammengeschwindigkeiten
von Abgasstrahlen, wie sie in der Raketenteehnik auftreten, und Höchstgeschwindigkeiten
von Projektilen aller Art.
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Die Erfindung besteht darin, daß in einer Ebene der Sonde symmetrisch
zu einem Temperaturfühler für die Messung der Gesamttemperatur im Staupunkt je ein
rechts und links von diesem Temperaturfühler liegender, lotrecht zur tangentialen
Strömungsrichtung um die Sonde angeordneter Temperaturfühler zur Messung der statischen
Temperatur und der Richtung in der zur Sondenachse senkrechten Ebene des strömenen
Mediums vorgesehen ist und daß durch einen weiteren lotrecht zur benannten Ebene
angeordneten
Temperaturfühler die achsparallelen Komponenten der
Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden können.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht nun die Icssung der statischen
Temperatur des strömenden Mediums, insbesondere bei hohen Drücken und Temperaturen,
und gleichzeitig die Bestinbmung der Stautemperatur, d. h. der Gesamttemperatur
im Staupunkt. Aus der Differenz der Stautemperatur und der statischen Temperatur
erhalt man sofort die dynamische Temperatur, welche der Temperaturerhöhung im Staupunkt
infolge vollständiger Abbremsung der Strömung auf Null gegenüber der statischen
Temperatur entspricht. Des weiteren lassen sich aus der Messung der statischen Temperatur
und der Stautemperatur der räumliche Strömungswinkel und die Strömungsgeschwindigkeit
des strömenden Mediums unmittelbar bestimmen.
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Eine Sonde, die es gestattet, die statischen Temperaturen sowie die
Stautemperaturen in strömenden Medien zu ermitteln, hat gegenüber allen bekannten
Sonden den Vorteil eines erweiterten Anwendungsbereiches, insbesondere ist dabei
an das Naßdampfgebiet von strömenden Dämpfen und an strömende Medien sehr hoher
Temperaturen und Drücke gedacht. In dem Bereich der nassen Dämpfe sind die obenerwähnten
Druckmeßsonden nicht mehr mit genügender Meßgenauigkeit anwendbar, da die mitgeführten
Flüssigkeitstropfen die Meßbohrungen der Drucksonden zusetzen und so eine Messung
sehr erschweren.
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Die im Staupunkt erfolgte adiabatische Temperaturerhöhung kann sich
lediglich bei trockenen Gasen als strömendem Medium dem theoretischen Wert nähern.
Bei Naßdampf als strömendem Medium ist die adiabatische Temperaturerhöhung verlustbehaftet,
d. h., es tritt eine geringere Temperaturerhöhung ein, da ein Teil der Wärme im
Staupunkt für Verdampfungswärme der Wassertropfen aufgewendet wird.
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Aus der Temperaturdifferenz von theoretischer, adiabatischer Temperaturerhöhung
und gemessener Temperatur können nun aber Aussagen über den Feuchtigkeitsgehalt
des strömenden Mediums, d. h.
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Naßdampfes, gemacht werden.
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Die Anordnung der Temperaturfühler zur Messung der statischen Temperatur
wird an solchen Stellen vorgenommen, an denen die Strömung parallel zur Meßsondenwand
verläuft bzw. bei Zylinder- oder Kugelsonden an einer Stelle, an der die Strömung
tangential zum Radius verläuft. Bei Strömungen mit stark wechselnden Strömungsrichtungen
kann die statische Temperatur durch Mittelwertbiidung noch innerhalb weiter Winkelbereiche
genau angegeben werden.
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Als Meßsonde eignen sich für die vorliegende Erfindung neben Zylindersonde
und Kugelsonde auch Dreiecksonden, Venturidüse, Sersche Scheibe und das Prandtische
Staurohr.
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Als Temperaturfühler sind insbesondere Thermoelemente, Widerstandselemente
und Halbleiterfühler, sogenannte Thermistoren, geeignet, die innerhalb kürzester
Zeit bereits auf kleine Temperaturdifferen zen ansprechen. Da bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten
auch die Temperaturerhöhung im Staut punkt nur gering ist, erweisen sich insbesondere
die Thermistoren für das Gebiet niedrigerer Temperaturen und Drücke sowie kleiner
Geschwindigkeiten als vorteilhaft. Dabei ist bei kleinen zu messenden
Wånnekapazitäten
eine punktförmige, gut vorn Sondenkörper isolierte Anordnung der Temperaturfühler
anzuwenden.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, den Temperaturfühler, der senkrecht
außerhalb der in einer Ebene angeordneten Temperaturfühler zur Frtnìttlung der räumlichen
Temperaturverhältnisse vorgesehen ist, in einem Segment beweglich zu lagern. Aus
der Stellung des Segmentes zur Sonde ist dann der räumliche Winkel der Temperaturverteilung
zu entnehmen, der wiederum ein Maß für den Strömungswinkel ist.
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An Hand einer Zeichnung sind schematische Ausführungsbeispiele einer
Sonde nach der Erfindung wiedergegeben.
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Fig. 1 stellt eine Zylindersonde 1 dar und F i g. 2 einen Schnitt
durch die Sonde. Die Zylindersondel ist mit mehreren Temperaturfühlern 2, 3, 4,
5 versehen, wobei die Temperaturfühler 2 und 4 zur Messung der statischen Temperatur
so angebracht sind, daß die Strömung X tangential an ihnen vorbeiläuft.
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Wird durch Drehen um die Zylinderachse die Sonde so eingestellt, daß
die Temperaturdifferenz zwischen Temperaturfühler 2 und 4 zu Null wird, dann wird
an dem Temperaturfühler 3 die Gesamttemperatur des strömenden Mediums gemessen.
Aus der Differenz von Gesamttemperatur und Stautemperatur erhält man so die dynamische
Temperatur, die wiederum ein Maß für die Größe der Geschwindigkeit ist.
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Außerdem ist dann durch die Winkellage der Sonde um ihre Längsachse
die Strömungsrichtung gegeben.
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In der Fig.3 ist ebenfalls eine Zylindersonde 1 dargestellt, und
F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch diese Zylindersonde. Bei dieser Sonde ist der
Temperaturfühler durch einen in einem Segment6 gelagerten beweglichen Temperaturfühler
7 ersetzt, der über ein elektrisches und/oder mechanisches Getriebe mit Winkelanzeige
so gedreht werden kann, daß die Temperatur, die in dem Fühler 7 gemessen wird, ein
Maxirnum hat. Aus der Stellung der Sonde und des Segmentes ist dann der räumliche
Winkel der Strömung ermittelbar.
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Die Ei g. 5 stellt eine Kugelsonde8 dar mit Temperaturfühlern9, die
in der gleichen Weise wie die Zylindersonde arbeitet. F i g. 6 zeigt ein Temperaturmeßgerät
für strömende Medien nach Art eines Prandtischen Staurohres 11 mit Temperaturfühlern
2 und 3, das ebenfalls wie die Zylindersonde 1 arbeitet.
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In gleicher Art lassen sich z. B. auch Venturidüsen ausbilden. Fig.7
zeigt die schematische Schaltung einer Zylindersonde nach F i g. 1, mit deren Hilfe
die ebenen Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder strömender Medien mit gleichmäßiger
Strömungsrichtung ermittelt werden.
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Fig. 8 zeigt eine Schaltung zum Messen der statischen Temperatur
von strömenden Medien mit stark schwankender Richtung, wobei die Temperaturgeber
2 und 4 hintereinandergeschaltet sind, so daß deren Summe gemessen wird, woraus
durch Halbierung der Mittelwert ermittelt wird.
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Die vorliegende Erfindung hat ein sehr weites Anwendungsgebiet und
ermöglicht es insbesondere, bisher nicht ausgeführte direkte Temperaturmessungen
in strömenden Medien sehr hoher Temperaturen und Drücke vorzunehmen. insbesondere
auch bei stark schwankenden Strömungsrichtungen. Es sei noch einmal auf die Anwendung
für Naßdampf, Flammengeschwindigkeiten von Abgasstrahlen und alle Messungen bei
chemischen Prozessen des Hochdruck-und
Hochtemperaturbereiches
hingewiesen. Eine erfindungsgemäße Sonde eignet sich aber ebenso als Geber bzw.
Fühler für Mengenmessungen, beispielsweise bei chemischen Prozessen für Regelungseinrichtungen.
Die Erfindung ist keineswegs auf die ausgeführten Beispiele beschränkt.