DE1220148B - Messeinrichtung zum Ermitteln der Richtung stroemender Medien - Google Patents

Messeinrichtung zum Ermitteln der Richtung stroemender Medien

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DE1220148B
DE1220148B DED38662A DED0038662A DE1220148B DE 1220148 B DE1220148 B DE 1220148B DE D38662 A DED38662 A DE D38662A DE D0038662 A DED0038662 A DE D0038662A DE 1220148 B DE1220148 B DE 1220148B
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DE
Germany
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wires
thermocouple
flow
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thermocouples
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Pending
Application number
DED38662A
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Siegfried Spaeth
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Daimler Benz AG
Original Assignee
Daimler Benz AG
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables

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Description

  • Meßeinrichtung zum Ermitteln der Richtung strömender Medien Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zum Ermitteln der Richtung strömender Medien mit einer Staunadel und mindestens einem im Abstand von dieser angeordneten Thermoelement.
  • 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 diese strömenden Medien erzeugen bzw. 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.
  • Bisher wurde die Ermittlung der Strömungsrichtung vielfach auf der Basis einer mechanisch arbeitenden Druck- bzw. Diruckdifferenzmessung durchgeführt. 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 Meßbohrungen mit verschiedenen Geschwindigkeiten angeströmt werden und weil andererseits sich unsymmetrische Strömungsablösungen ausbilden. Diesen letzteren Nachteil vermeiden zwar die Krallensonden; sie sind aber nicht gedrängter als in einem Kreisquerschnitt von etwa 8 mm Durchmesser unterzubringen. Bei der Doppelrohrsonde, die aus zwei parallel aneinandergelöteten, keilförmig zugespitzten Röhrchen besteht, sind die Meßbohrungsabstände zwar gering und die Druckdifferenz je Grad Verdrehung etwa doppelt so groß als bei der Krallensonde; es treten jedoch starke Schwankungen 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 Gesohwindigkeitsgradienten klein zu halten, ist es daher notwendig, die Meßsonde genügend klein auszuführen. 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 der erforderlichen mechanischen Festigkeit im Wege. Außerdem darf dabei die An- zeigeträgheit ein bestimmtes Maß nicht überschreiten.
  • Ferner sind elektrische Meßgeräte bekannt, die geeignet sind, sowohl die Richtung als auch die Geschwindigkeit insbesondere langsam strömender Gase festzustellen. Ein solches Meßgerät besteht aus einer Gabel mit rechtwinklig zueinander stehenden, erhitzten Zinken, die mit ihrem Ständer jeweils einen Winkel von 1350 einschließen, aus zwei je mit einem Thermoelement ausgestatteten, parallel zu den Zinken stehenden Fühlern, aus einem Getriebe, durch das eine Drehung der Zinken um die Fühler erzwungen wird, und schließlich aus einer Vorrichtung zum Registrieren der jeweiligen Stellung der Zinken zu den Fühlern und der Temperatur der Thermoelemente. Die gleich stark erhitzten Zinken, die Störprofile bzw. Staunadeln bilden, rufen in dem zu messenden Luftstrom einen Windschatten hervor, dessen Temperatur durch Konvektion von der Temperatur der strömenden Luft verschieden ist.
  • Dieser Windschatten folgt naturgemäß der Bewegung der Zinken, und wenn diese eine Drehung um die Fühler ausführen, entsteht eine Änderung der Temperatur in den Thermoelementen, die Temperaturkurven in Abhängigkeit vom Stand der Zinken in bezug die Fühler ergeben. Aus diesen Temperaturkurven läßt sich ablesen, wann der Windschatten den Fühler erreicht und ihn wieder verläßt. Aus diesen Daten läßt sich der Umfang des Windschattens und aus diesem nach bekannten Formeln die Luftgesohwindigkeit errechnen. Da die zwei Zinken wie auch die Fühler senkrecht zueinander stehen, kann aus den zwei graphischen Darstellungen der Temperatur in bezug auf die Stellung der Zinken die Windrichtung bestimmt werden. Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß bei allem bekannten Meßgerät zwei in bezug auf die Strömungsrichtung nebeneinander angeordnete, parallelgeschaltete Thermoelemente vorgesehen sind, die gleichen Strömungsbedingungen bzw. -gèsthwindigkeiten äÜsesetzt sind. Das bekannte Meßgerät ist kompliziert und teuer in seinem Aufbau, insbesondere durch seinen mechanischen Antfièbsté;ij und ist außerdem äuch wegen seiner Dimenio'nen nuf bedingt oder über haupt nicht geeignet für Messungen in engen Strömungskanälen oder in Strömungsgittern. Ferner dürfte eine genaue Messung bei hohen Gastemperaturen kaum möglich sein.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Meßgeräte eine MßeinrlchtÜng mit ltleinsteit Abmesungan zu schaffen, mit dessen Hilfe schnell und sicher die Richtung strömender Medien, unabhängig von deren Temperatur, ermittelt werden kann.
  • Die Meßeinrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung hinter der Staunadel zwei Thermoelemente in einem solchen Abstand von dieser angeordnet sind, daß diese Thermoelemente noch innerhalb der durch die Staunadel hervorgerufenen Zone mit verminderter Strömungsgeschwindigkeit liegen, daß die beiden Thermoelemente selbst in einem gegenseitigen Abstand in Strömungsrichtung hintereinander liegen und daß die beiden Drähte des vorderen Thermoelementes in Strömungsrichtung betrachtet nebeneinander verlaufen, während die beiden Drähte des hinteren Thermoelementes hintereinander liegen und ihre Verbindungsstelle oder Ausladung in Querrichtung gesehen wesentlich kleiner ist als die Verbindungsstelle oder Ausladung der beiden vorderen Drähte.
  • Um zu schnellen Meßergebnissen zu kommend di h möglichst rasch die genaue Strömungsrichtung des Mediums zu ermitteln, wird gemäß der Erfindung weiter vorgeschlagen, daß der Abstand der beiden Drähte des vorderen Thermoelementes von der Staunadel so groß ist bzw. ihr Querschnitt so bemessen ist3 daß bei Einstellung der Meßeinrichtung genau in Strömungsrichtung die beiden Drähte des vorderen Thermoelementes nahezu mit ihrem gesamten Querschnitt in der Zone mit etwa konstanter, verminderter Strömungsgeschwindigkeit sich befinden, daß jedoch ihre Außenseiten noch in die Übergangszonen mit dentJbergangsgeschwindigkeiten eingreifen, während die beiden Drähte des hinteren Thermoelementes von diesen Übergangszonen noch entfernt sind.
  • Zweckmäßig ist die erfindungsgemäße Meßeinrichtung so ausgeführt, daß das vordere und hintere Thermoelement aus je einem aus dem Schaft herausragenden Draht aus Thermomaterial, z. B. aus Eisen, bestehen) deren Enden durch eine Drahtschleife, z. B. aus Konstantan, in an sich bekannter Weise elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
  • An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 die Meßeinrichtung in stark vergrößertem Maßstab F i g. 2 eine Draufsicht auf die Meßeinrichtung (vereinfacht veranschaulicht) mit dem dazugehörigen Geschwindigkeitsdiagramm und Fig 3 ein Diagramm über den Verlauf der Differenzspannung.
  • Die Meßeinrichtung besteht aus einem Sthaft 11 mit einer in die Strömung 17 hineinragenden Staunadel 25. In Strömungstichtung hinter dieser Staunadel 25 sind zwei Thermoelemente vorgesehen, die selbst Wiedetema hintereinande-r liegen und gebildet werden aus je einem parallel zur Staunadel 26 gerichteten Draht 12 bzw. 13, z. B. aus Eisen, und aus einer Drahtschleife 14, 14', z.B. aus Konstantan. Die Enden dieser Drähte 12, 13 und 14, 14' sind an den Stellen 15 und 16 elektrisch leitend miteinander verbunden (verlötet).
  • Wie insbesondere aus der F i g. 2 hervorgeht, sind die beiden Drähte 12 und 14 des vorderen Thermoelementes, die quer zur Strömung 17 liegen, so groß bemessen bzw. befinden sich in einem solchen Abstand hinter der Staunadel 25, daß ihre Außenseiten noch in die Übergangswnen 19 der Strömung hineinragend die durch die Linien a, c und b, d begrenzt werden In diesen Zonen herrschen die Dbergangsgeschwindigkeiten Vä vor, d. h., der Geschwindigkeitsgradient ist hier sehr groß. Die ungestörte Strörnung 17 weist eine konstante Geschwindigkeit vl aufj während in der inneren Zone 18 (zwischen den beiden Linien C und d) eine annähernd konstante3 verminderte Geschwindigkeit y2 ;vorliegt, mit einem irl der Mitte genau in Strömungsrichtung befindlichen Minimum.
  • Bekanntlich wird durch die Aufstauung der Strömung an den Drähten 12 und 14 bzw. 13 und 14' die Energie der Geschwindigkeit in Wärme umgewandelt Dabei wird durch die Thermoelemente 12,15,14 und 13316314' eine Spannung erzeugt. Die Spannungsdifferenz zwischen dem vorderen und hinteren Thermoelement beträgt genau in Strömungsrichtung ein Minimum Beim Schwenken der Meßeinrichtung um die Längsachse L in Richtung X oder Y steigt die Spannungsdifferenzj die an einem Spannungsmesser 21 angezeigt wirdj rasch an> da die Außenseiten der Drähte 12 und 14 des vorderen Thermoelementes sich von Anfang an in den Zonen 19 mit hohem Geschwindigkeitsgradienten bewegenj während die beiden Drähte 13 und 14' des hinteren Thermoelemen tes noch weiterhin in der Zone 18 mit etwa konstanter, verminderter Geschwindigkeit vS verbleiben; Die Maximalwerte der Spannungsdifferenz aber werden beim Schwenken der Meßeinrichtung rasch begrenzt und vermindert3 und zwar beim Eintauchen des hinteren Thermoelementes 16 in den Geschwindigkeitsbereich 19, so daß auch bei Richtungsänderungen des strömenden Mediums rasch die äußeren Grenzen des Test- bzw. »Arbeitsbereiches« beim Messen erkennbar werden.
  • Den Verlauf der Differenzspannung AE über dem Schwenkwinkel X und Y zeigt das Diagramm in Fig 3.
  • Ohne das zweite Thermoelement 16 würde nur mit dem ersten Thermoelement 15 gegen eine beliebige »äußere« Bezugstemperatur gemessen werden, so daß theoretisch schon eine Richtungsmessung möglich wäre, vorausgesetzt, daß die statische Gastemperatur an der Meßstelle konstant bliebe. Mit Schwankungen der Gastemperatur muß aber gerechnet werden, die direkt in den MeßwertE eingehen und hierbei Richtungsänderungen vortäuschen würden. Es ist mit Aufgabe des zweiten Thermoelementes 16, den vorgenannten Irrtum auszuschließen, indem es die Schwankungen der statischen Temperatur, die im praktischen Betrieb von Stromungsmaschinen immer auftreten, in gleicher Weise wie das erste Thermoelement 15 mitmacht und damit ausschaltet.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Meßeinrichtung zum Ermitteln der Richtung strömender Medien mit einer Staunadel und mindestens einem im Abstand von dieser angeordneten Thermoelement, dadurch gekennz e i c h n e t, daß in Strömungsrichtung hinter der Staunadel (25) zwei Thermoelemente (15, 16) in einem solchen Abstand von dieser angeordnet sind, daß diese Thermoelemente (15,16) noch innerhalb der durch die Staunadel hervorgerufenen Zone (18, 19) mit verminderter Strömungsgeschwindigkeit (v2, v,) liegen, daß die beiden Thermoelemente (15, 16) selbst in einem gegenseitigen Abstand in Strömungsrichtung hintereinander liegen und daß die beiden Drähte (12, 14) des vorderen Thermoelementes (12, 15, 14) in Strömungsrichtung betrachtet nebeneinander verlaufen, während die beiden Drähte (13 und 14') des hinteren Thermoelementes (13, 16, 14') hintereinander liegen und ihre Verbindungsstelle (16) oder Ausladung, in Querrichtung gesehen, wesentlich kleiner ist als die Verbindungsstelle (15) oder Ausladung der beiden vorderen Drähte (12, 14).
  2. 2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der beiden Drähte (12 und 14) des vorderen Thermoelementes (12, 15, 14) von der Staunadel(25) so groß ist bzw. ihr Querschnitt so bemessen ist, daß bei Einstellung der Meßeinrichtung genau in Strömungsrichtung die beiden Drähte(12, 14) des vorderen Thermoelementes nahezu mit ihrem gesamten Querschnitt in der Zone (18) mit etwa konstanter, verminderter Strömungsgeschwindigkeit (v2) sich befinden, daß jedoch ihre Außenseiten noch in die Übergangszonen (19) mit den Übergangsgeschwindigkeiten (v3) eingreifen, während die beiden Drähte (13, 14') des hinteren Thermoelementes von diesen Übergangszonen (19) noch entfernt sind.
  3. 3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere und hintere Thermoelement aus je einem aus dem Schaft (11) herausragenden Draht (12 bzw. 13) aus Thermomaterial, z. B. aus Eisen, bestehen, deren Enden durch eine Drahtschleife (14, 14'), z. B. aus Konstantan, in an sich bekannter Weise elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 113 107.
DED38662A 1962-04-12 1962-04-12 Messeinrichtung zum Ermitteln der Richtung stroemender Medien Pending DE1220148B (de)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1113107B (de) * 1959-02-17 1961-08-24 Tno Anemometer

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