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Meßeinrichtung zum Ermitteln der Richtung strömender Medien Die Erfindung
bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zum Ermitteln der Richtung strömender Medien
in Form zweier, in Strömungsrichtung hintereinanderliegender Thermoelemente, deren
Spannungsdifferenz ein Maß für die Strömungsrichtung bildet.
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Bei der Untersuchung strömender Medien spielt die Messung bzw. Feststellung
der Strömungsrichtung neben anderen physikalischen Zustandsgrößen eine große Rolle.
Die genaue Kenntnis dieser Größen ist von ausschlaggebender Bedeutung für die Berechnung
und Gestaltung der Anlagen oder Maschinen, wie Verdichter und Gasturbinen, die die
Strömung der Medien erzeugen oder die durch diese angetrieben werden. Eine exakte
Ermittlung der Richtung des strömenden Mediums ist vor allem wichtig am Ein-und
Austritt der Lauf- und Leitschaufelgitter von Kreiselmaschinen.
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Bisher wurde die Ermittlung der Strömungsrichtung auf der Basis einer
mechanisch arbeitenden Druck- bzw. Druckdifferenzmessung durchgeführt.
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Am bekanntesten sind die Zylinder-, Kugel- -und Krallensonden. Die
Nachteile der Kugel- und Zylindersonden liegen vor allem in falschen Meßergebnissen
beim Auftreten von Geschwindigkeitsgradienten (Nachlaufdellen), weil einerseits
die Bohrungen mit verschiedenen Geschwindigkeiten angeströmt werden und weil andererseits
sich unsymmetrische Strömungsablösungen ausbilden. Diesen letzteren Nachteil vermeiden
zwar die Krallensonden; sie sind aber räumlich nicht gedrängter als in einem Kreisquerschnitt
von etwa 8 mm Durchmesser unterzubringen.
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Bei der Doppelrohrsonde, die aus zwei parallel aneinandergelöteten,
keilförmig zugespitzten Röhrchen besteht, sind die Maßbohrungsabstände zwar gering
und die Druckdifferenz je Grad Verdrehung etwa doppelt so groß als bei der Krallensonde;
es treten jedoch starke Schwankungen der Meßsäule auf, die durch Strömungsablösungen
hervorgerufen werden und die daher eine Benutzung dieser Art von Sonde für den praktischen
Gebrauch weitgehend ausschließen. Um den Fehler bei Auftreten eines Geschwindigkeitsgradienten
klein zu halten, ist es daher notwendig, die Meßsonde genügend klein auszuführen.
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Eine Verkleinerung der Abmessungen der Sonden ist auch dann sehr wünschenswert,
wenn in relativ engen Strömungskanälen gemessen werden soll, um die Strömung durch
Einführen der Sonde wenig zu stören. Einer Verkleinerung der räumlichen Abmessungen
der bekannten mechanischen Meßsonden steht jedoch die unumgänglich notwendige Aufrechterhaltung
ihrer erforderlichen mechanischen Festigkeit im Wege. Außerdem därf dabei die Anzeigeträgheit
ein bestimmtes Maß nicht überschreiten.
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Ferner sind Meßeinrichtungen zum Ermitteln der Richtung strömender
Medien bekannt, die aus einer senkrecht zur Strömungsrichtung stehenden, zylindrischen
Staunadel mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser und aus zwei in Strömungsrichtung
vor der und symmetrisch zur Staunadel befindlichen, parallel zu dieser verlaufenden
Drähten gleicher Länge besteht. Wenn bei einem - Meßvorgang der Luftstrom das Meßsystem
senkrecht von vorn trifft, so sind die elektrischen Widerstände der beiden Drähte
gleich groß. Herrscht jedoch eine schräge Anströmrichtung vor, so wird der Wärmeverlust
des auf der Leeseite liegenden Drahtes größer als der Wärmeverlust des auf der Luvseite
befindlichen Drahtes, wodurch eine meßbare elektrische Widerstandsdifferenz auftritt,
die mit Hilfe einer Brückenschaltung ein proportionales Maß für die Strömungsrichtung
liefert. Diese bekannte Meßeinrichtung ist jedoch nicht in der Lage, den Nullpunkt
der Spannungsdifferenz, der genau in Strömungsrichtung liegt, exakt zu »fixieren«
und schon die geringste Abweichung vom Nullpunkt mit Hilfe eines steil verlaufenden
Spannungsgradienten zur Anzeige zu bringen.
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Eine andere bekannte Meßeinrichtung zum Ermitteln der Strömungsrichtung
besteht aus einem dünnen Platindraht und aus einem in Strömungsrichtung vor diesem
in einem bestimmten Abstand angeordneten, im Durchmesser stärkeren Manganindraht.
Die Strömungsrichtung wird in der Weise ermittelt, daß die Meßeinrichtung so lange
um ihre Längsachse ge-
dreht wird, bis der dünnere Platindraht sich
voll im Windschatten des Manganindrahtes 'b,eandet,.Ein rasche Auffindung des Nullpunktes
ist auch mit dieser Meßeinrichtung auf Grund des breiten »Nullpunktbandes« nicht
möglich.
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Weiter ist eine Einrichtung zum Messen der E)rehzahl von Turboverdichtern
mit rein radialer Beschaufelung bekannt. diese Meßeinrichtung benutzt die bei Radialverdichtern
auftretende--physikaI;sche Erscheinung, daß die Temperaturerhöhungen- der durchtretenden
Luft bei konstanter Drehzahl nahezu unabhängig vom durchströmenden Volumen sind
und außerdem proportional zum Quadrat der Drehzahl ansteigen. Hierdurch ergeben
sich insbesondere bei hohen Drehzahlen sehr genaue Meßwerte. Die Meßeinrichtung
selbst besteht aus einem am Verdichtereintritt und am Verdichteraustritt- angeordneten,
von zusammengelöteten Blechstreifen gebildeten Thermoelement, an deren Differenzspannung
ein Drehspuleninstrument angeschlossen ist, das als Anzeigegerät für die Maschinendrehzahl
dient. Auf eine solche Meßeinrichtung mit zwei in einem großen Abstand angeordneten
Thermoelementen bezieht sich die Erfindung jedoch nicht, sondern auf eine typische
Meßsonde mit zwei in einem sehr kurzen Abstand hintereinanderliegenden Meßdrähten
als Thermoelemente.
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Im Gegensatz zu den bekannten Meßgeräten ist die Meßeinrichtung gemäß
der Erfindung, deren auf gabe es ist, im Bereich des Nullpunktes eine feinfühlige
»Meßgrenzsituation« zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der
Thermoelemente im Verhältnis zueinander so bemessen sind bzw. der gegenseitige Abstand
der Thermoelemente so gewählt ist, daß das in Strömungsrichtung hintere Thermoelement
nahezu mit seinem gesamten Querschnitt in der Zone der verzögerten, etwa konstanten
Strömungsgeschwindigkeit sich befindet, seine Außenseiten jedoch noch in die Übergangszonen
zwischen der verzögerten, etwa konstanten Strömung und der freien Strömung greifen.
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Zweckmäßig ist die erfindungsgemäße Meßeinrichtung so ausgeführt,
daß an ihrem Schaft zwei parallel zueinander verlaufende Leitungen bzw.
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Drähte aus Thermomaterial, z.B. Eisen, herausragen, die durch eine
hakenförmige Leitung bzw. einen Draht, z. B. aus Konstantan, in an sich bekannter
Weise elektrisch leitend miteinander zu Thermoelementen verbunden sind.
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Gemäß der Erfindung werden also die beiden Thermoelemente in einer
besonderen Konstellation zueinander angeordnet, um eine ganz bestimmte Wirkung zu
erhalten, nämlich das genau in Strömungsrichtung liegende Maximum der Spannungsdifferenz
exakt zu »fixieren«, wobei jede Abweichung davon durch beidseitigen, unmittelbaren
Spannungsabfall sofort feststellbar ist (Meßgrenzsituationen).
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Durch die Erfindung wird also bei der Messung der Strömungsrichtung
durch Einengung des Suchwinkels praktisch auf den Wert Null die Meßempfindlichkeit
bis an die Grenze des Möglichen gesteigert.
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An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 die Meßeinrichtung in stark- vergrößertem Maßstab,
F i g. 2 eine Draufsicht auf die Meßeinrichtung (Thermoelemente) mit dem dazugehörigen
Geschwindigkeitsdiagramm, vereinfacht veranschaulicht, und
Fig. 3- einDiagramm- überden.V-erlauf
der.Differenzspannung.
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Die Meßeinrichtung besteht aus einem Schaft 11, aus dem zwei in einem
Abstand voneinander angeordnet und;paral-le-l-zueinander verlaufende --Leitungen
wljzwA Drähte 12, und 13: aus Thermornater-ial, z. B. aus Eisen, herausragen. Die
Enden dieser beiden Drähte 12 und 13 sind durch eine hakenförmige Leitung bzw. einen
Draht 14, 14', z. B. aus Konstantan, verbunden, wobei die Verbindungsstellen 15
und 16 in üblicher Weise elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise miteinander
verlötet sind. Das anströmende Medium ist durch Pfeile 17 dargestellt, wobei in
der freien Strömung die hqchste Geschwindigkeit vt herrscht.
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Wie insbesondere åus der F i g. 2 hervorgeht, liegen die Drähte 12,
14 bzw. 13, 14' in Strömungsrichtung hintereinander. Dabei ist je nach Strömungsgeschwindigkeit
der Abstand zwischen den Drähten 12, 14 bzw. 13, 14' so groß bemessen bzw. der Durchmesser
der in Strömungsrichtung hinteren Drähte 13', 14' so groß, daß nahezu ihr gesamter
Querschnitt noch innerhalb der Zone 18 liegt, in der eine durch die ersten Drähte
12, 14 verminderte, etwa konstante Strömungsgeschwindigkeit v2 herrscht, während
ihre Außenseiten noch in die tXbergangszonen 19 hineingreifen. In den Übergangszonen
19, die durch die Linien a und b einerseits und durch die Linien c und d andererseits
begrenzt werden, herrschen die Übergangsgeschwindigkeiten v2 vor, d. h., der Geschwindigkeitsgradient
ist hier sehr groß.
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Bekanntlich wird durch die Aufstauung der Strömung an den Drähten
12, 14 und 13, 14' die Energie der Geschwindigkeit in Wärme umgewandelt. Dabei wird
durch die Thermoelemente 12, 15, 14 und 13, 16, 14' eine Spannung erzeugt. Die Spannungsdifferenz
zwischen dem vorderen und hinteren Thermoelement beträgt genau in Strömungsrichtung
ein Maximum. Gemessen wird die Spannungsdifferenz mit einem geeigneten Spannungsmesser
21.
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Wird die Meßeinrichtung in Pfeilrichtung X oder Y geschwenkt, so
wird auf Grund des in den Üb ergangszonen 19 herrschenden großen Geschwindig- -keitsgradienten
schon bei kleinsten Winkelbewegungen die Spannungsdifferenz stark verkleinert, so
daß der Maximumbereich eng begrenzt ist, wodurch eine genaue Ermittlung der Strömungsrichtung
auf einfache und schnelle Weise möglich ist.
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Den Verlauf der Differenzspannung JE über dem Schwenkwinkel X-Y zeigt
das Diagramm in F i g. 3.