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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.
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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 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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Den Verlauf der Differenzspannung AE über dem Schwenkwinkel X und
Y zeigt das Diagramm in Fig 3.
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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.