DE1223166B

DE1223166B - Measuring device for determining the direction of flowing media

Info

Publication number: DE1223166B
Application number: DED38665A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Siegfried Spaeth
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1962-04-12
Filing date: 1962-04-12
Publication date: 1966-08-18

Description

Meßeinrichtung zum Ermitteln der Richtung strömender Medien Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zum Ermitteln der Richtung strömender Medien in Form einer Staunadel und zweier im Abstand von dieser angeordneter, in Strömungsrichtung nebeneinanderliegender, elektrisch arbeitender Temperaturfühler, deren Meßwertdifferenz ein Maß für die Strömungsrichtung bildet.Measuring device for determining the direction of flowing media The invention relates to a measuring device for determining the direction of flowing media in the form of a stagnation needle and two spaced apart from this, in the direction of flow adjacent, electrically working temperature sensors, their measured value difference forms a measure of the direction of flow.

Bei der Untersuchung strömender Medien spielt die Feststellung ihrer Strömungsrichtung neben anderen physikalischen Zustandsgrößen eine große Rolle. Die genaue Kenntnis dieser Größe ist von ausschlaggebender Bedeutung für die Berechnung und Gestaltung der Anlagen oder Maschinen, wie Verdichter und Gasturbinen, die diese strömenden 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. When examining streaming media, it is important to determine theirs Direction of flow plays a major role alongside other physical state variables. The exact knowledge of this quantity is of crucial importance for the calculation and design of the systems or machines, such as compressors and gas turbines, that make up these generate flowing media or that are driven by them. An exact one Determining the direction of the flowing medium is especially important at the inlet and outlet Exit of the rotor and guide vane grids of centrifugal machines.

Bisher wurde die Ermittlung der Strömungsrichtung in der Praxis vielfach auf der Basis einer mechanisch arbeitenden Druck- bzw. Druckdifferenzmessung durchgeführt. Am bekanntesten sind die Zylinder-, Kugel- und Krallensonden. Up to now, the determination of the flow direction has been carried out many times in practice carried out on the basis of a mechanically operating pressure or pressure difference measurement. The best known are the cylinder, ball and claw probes.

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. Den letzteren Nachteil vermeiden zwar die Krallensonden; sie sind aber räumlich 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 der Meßsäulen auf, die durch Strömungsablösungen hervorgerufen werden und die daher eine Benutzung dieser Art von Sonde für den praktischen Gebrauch weitgehend ausschließen. Um den Meßfehler bei Auftreten eines Geschwindigkeitsgradienten klein zu halten, ist es daher notwendig, die Meßsonde genügend klein auszuführen. Eine Verkleinerung der Abmessungen der Sonden ist auch dann 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 Weg. Außerdem darf dabei die Anzeigeträgheit ein bestimmtes Maß nicht überschreiten. The main disadvantages of the ball and cylinder probes are the wrong ones Measurement results when speed gradients occur (wake dents) because on the one hand the bores are flown against at different speeds and because, on the other hand, asymmetrical flow separations develop. The latter The claw probes avoid the disadvantage; but they are not spatially more crowded than to accommodate in a circular cross-section of about 8 mm in diameter. In the Double-tube probe consisting of two wedge-shaped pointed ones that are soldered to each other in parallel There is a small tube, the distances between the measuring holes and the pressure difference are small per degree of twist about twice as large as with the claw probe; it will occur however strong fluctuations in the measuring columns caused by flow separation and therefore making use of this type of probe for practical use largely exclude. About the measurement error when a speed gradient occurs To keep it small, it is therefore necessary to make the measuring probe sufficiently small. A reduction in the dimensions of the probes is also desirable when in relatively narrow flow channels to measure the flow by introducing it to disturb the probe little. A reduction in the spatial dimensions of the known mechanical measuring probes is however the inevitable necessary maintenance the required mechanical strength in the way. In addition, the display inertia is allowed do not exceed a certain level.

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 Gasstrom das System 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 ein meßbarer elektrischer Widerstandsunterschied auftritt, der 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 auftritt, exakt zu »fixieren« und schon die geringste Abweichung vom Nullpunkt mit Hilfe eines steil verlaufenden Spannungsgradienten zur Anzeige zu bringen. Furthermore, measuring devices for determining the direction are more flowing Media known that consist of a perpendicular to the direction of flow cylindrical Storage needle with a relatively large diameter and two in the direction of flow in front of and symmetrically to the stagnation needle, running parallel to this There are wires of the same length. If, during a measurement process, the gas flow breaks the system meets, the electrical resistances of the two wires are the same. Prevails however, if the direction of flow is inclined, the heat loss on the leeward side will be lying wire is greater than the heat loss of the one on the windward side Wire, whereby a measurable difference in electrical resistance occurs, the a proportional measure for the direction of flow with the help of a bridge circuit supplies. However, this known measuring device is not able to determine the zero point to exactly "fix" the voltage difference that occurs exactly in the direction of flow and even the slightest deviation from zero with the help of a steep one Bring voltage gradients to the display.

Außerdem sind Meßgeräte bekannt, bei denen zu beiden Seiten eines stromlinienförmigen Körpers mit einem verhältnismäßig großen Strömungsquerschnitt Meßfühler in Form von Thermoelementen angeordnet sind. In addition, measuring devices are known in which one on both sides streamlined body with a relatively large flow cross-section Sensors are arranged in the form of thermocouples.

Im Gegensatz zu den bekannten Meßeinrichtungen ist die Meßeinrichtung gemäß der Erfindung, deren Aufgabe darin besteht, eine erheblich feinfühligere »Meßgrenzsituation« zu schaffen, gekennzeichnet durch zwei hinter der Staunadel angeordnete, durch eine aus elektrisch nicht leitendem Werkstoff bestehende Fahne getrennte Thermoelemente, deren gleiche Durchmesser im Verhältnis zu dem der Staunadel so bemessen sind bzw. deren Abstand von der letzteren so gewählt ist, daß - bei Einstellung der Meßeinrichtung genau in Strömungsrichtung - die Thermoelemente nahezu mit ihrem gesamten Querschnitt in der inneren Zone sich befinden, in der etwa eine konstante, verminderte Strömungsgeschwindigkeit herrscht, ihre Außenseiten jedoch noch in die Übergangszonen, in denen Übergangsgeschwindigkeiten herrschen, eingreifen. In contrast to the known measuring devices, the measuring device according to the invention, the task of which is to create a considerably more sensitive "measurement limit situation" to create, characterized by two arranged behind the storage needle, by one flag made of electrically non-conductive material separate thermocouples, whose diameter is the same in relation to that of the stagnation needle or whose distance from the latter is chosen so that - when setting the measuring device exactly in the direction of flow - the thermocouples with almost their entire cross-section in the inner zone, in which there is approximately a constant, reduced flow velocity prevails, their outsides, however, still in the transition zones, in which transition speeds rule, intervene.

In Ausgestaltung der Erfindung verläuft zu beiden Seiten der Strömungsfahne je ein Draht aus Thermomaterial, z. B. aus Eisen, der parallel zur Staunadel gerichtet ist, wobei die beiden Drähte durch eine Drahtschleife, z. B. aus Konstantan, miteinander verbunden sind, so daß in an sich bekannter Weise die einzelnen Verbindungsstellen elektrisch leitend ausgebildet sind. In an embodiment of the invention, the flow vane runs on both sides one wire each made of thermal material, e.g. B. made of iron, which is directed parallel to the storage needle is, the two wires through a wire loop, e.g. B. from Constantan, with each other are connected so that the individual connection points in a manner known per se are designed to be electrically conductive.

Durch die erfindungsgemäße Konstellation zweier Thermoelemente zu der vor ihnen liegenden Staut nadel ist es möglich, den exakt in Strömungsrichtung auftretenden Nullpunkt der Spannungsdifferenz mit erhöhter Genauigkeit zu »fixieren« und jede Abweichung davon durch einen auf der einen Seite entstehenden positiven Spannungszuwachs und durch einen auf der anderen Seite hervorgerufenen negativen Spannungszuwachs festzustellen. Der hauptsächliche Erfindungsgedanke liegt also darin, die Temperaturfühler bereits von vornherein in »Tuchfühlung« mit dem der Staunadel folgenden Übergangsbereich der gestörten Strömung anzuordnen, um eine an die Grenze des Möglichen gesteigerte Meßempfindlichkeit zu erreichen; mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ist so konzipiert, daß sie sich durch das ständige »Eingreifen« der Außenseiten ihrer Temperaturfühler in die Übergangsgeschwindigkeitsbereiche bereits in einer Meßgrenzsituation befindet. Due to the inventive constellation of two thermocouples the damming needle lying in front of them is able to precisely point in the direction of flow to "fix" the occurring zero point of the voltage difference with increased accuracy and every deviation therefrom by a positive arising on the one hand Tension increase and a negative one caused on the other side Detect increase in tension. So the main inventive idea lies in it, the temperature sensors are already in "close contact" with those of the To arrange storage needle following transition area of the disturbed flow to a to achieve increased measuring sensitivity to the limit of what is possible; with others Words, the measuring device according to the invention is designed so that it is through the constant "intervention" of the outside of your temperature sensors in the transition speed ranges is already in a measuring limit situation.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 die Meßeinrichtung in stark vergrößertem Maßstab, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Meßeinrichtung (Thermoelemente) mit dem dazugehörigen Geschwindigkeitsdiagramm, vereinfacht veranschaulicht, und F i g. 3 ein Diagramm über den Verlauf der Differenzspannung. The invention is explained in more detail with reference to the drawing. It shows 1 shows the measuring device on a greatly enlarged scale, FIG. 2 shows a plan view on the measuring device (thermocouples) with the associated speed diagram, illustrated in simplified form, and FIG. 3 shows a diagram of the course of the differential voltage.

Die Meßeinrichtung besteht aus einem Schaft 11 mit einer in die mit der Geschwindigkeit v1 bewegten, ungestörten Strömung 17 hineinragenden Staunadel 25. In Strömungsrichtung hinter dieser Staunadel 25 sind zwei auf gleicher Höhe liegende Thermoelemente vorgesehen, die durch eine aus elektrisch nicht leitendem Material bestehende Fahne 26 voneinander getrennt sind. Die beiden Thermoelemente werden gebildet aus je einem parallel zur Staunadel 25 ver- laufenden Draht 12 bzw. 13, z. B. aus Eisen, und einer Drahtschleife 14, z. B. aus Konstantan, deren Enden an den Stellen 15 und 16 elektrisch leitend miteinander verbunden (verlötet) sind. The measuring device consists of a shaft 11 with one in the with the speed v1 moving, undisturbed flow 17 protruding stagnation needle 25. In the direction of flow behind this stagnation needle 25, two are at the same height Horizontal thermocouples are provided, which are made of electrically non-conductive Material existing flag 26 are separated from each other. The two thermocouples are formed from one parallel to the stamina needle 25 each running wire 12 resp. 13, e.g. B. made of iron, and a wire loop 14, z. B. from Constantan, the ends of which are electrically conductively connected (soldered) to each other at points 15 and 16.

Wie insbesondere aus der F i g. 2 hervorgeht, sind die einzelnen Drähte 12, 13 und 14 in ihrem Querschnitt so groß bemessen bzw. befinden sich je nach Geschwindigkeit v1 der Strömung 17 in einem solchen Abstand hinter der Staunadel 25, daß sie noch in der Zone 18 liegen, in der eine etwa konstante, verminderte Strömungsgeschwindigkeit v2 herrscht, wobei jedoch ihre Außenseiten in die Übergangszonen 19 hineingreifen, die durch die Linien a, c und b, d begrenzt werden. Hier herrschen die Übergangsgeschwindigkeiten v3 vor, d. h., die Geschwindigkeitszunahme von innen nach außen bzw. der Geschwindigkeitsgradient ist hier sehr groß. As can be seen in particular from FIG. 2 are the individual Wires 12, 13 and 14 sized or located in their cross-section so large according to the velocity v1 of the flow 17 at such a distance behind the stagnation needle 25 that they are still in zone 18, in which an approximately constant decreased Flow velocity v2 prevails, but with its outer sides in the transition zones 19 reach into it, which are delimited by lines a, c and b, d. Rule here the transition speeds v3 before, d. i.e., the increase in speed from within to the outside or the speed gradient is very large here.

Bekanntlich wird durch die Aufstauung der Strömung an den Drähten 12 und 14 bzw. 13 und 14 die Energie der Geschwindigkeit in Wärme umgewandelt. As is well known, the damming of the flow on the wires 12 and 14 or 13 and 14 convert the energy of the velocity into heat.

Dabei wird durch die beiden Thermoelemente 12, 15, 14 und 13, 16, 14 eine Spannung erzeugt. Genau in Strömungsrichtung ist die Spannungsdifferenz dE, die in einem geeigneten Meßgerät 21 zur Anzeige gebracht wird, zwischen den beiden Thermoelementen 12, 15, 14 und 13, 16, 14 gleich Null. Beim Schwenken der Meßeinrichtung um die Längsachse L in Richtung X oder Y werden am Meßgerät 21 durch den in der Übergangszone 19 herrschenden hohen Geschwindigkeitsgradienten große Spannungsausschläge angezeigt, so daß die Spannung Null bzw. die Lage, in der die Meßeinrichtung genau in Strömungsrichtung liegt, einfach und rasch ermittelt werden kann.The two thermocouples 12, 15, 14 and 13, 16, 14 generates a voltage. The voltage difference is exactly in the direction of flow dE, which is displayed in a suitable measuring device 21, between the both thermocouples 12, 15, 14 and 13, 16, 14 equal to zero. When panning the Measuring device around the longitudinal axis L in the direction X or Y are carried out on the measuring device 21 the high speed gradient prevailing in the transition zone 19 is large Voltage excursions displayed so that the voltage is zero or the position in which the Measuring device lies exactly in the direction of flow, can be determined easily and quickly can.

Den Verlauf der Differenzspannung JE über dem Schwenkwinkel X-Y zeigt das Diagramm in F i g. 3. The course of the differential voltage JE over the swivel angle X-Y is shown the diagram in FIG. 3.

Claims

Claims: 1. Measuring device for determining the direction of flowing Media in the form of a stagnation needle and two spaced apart, in Direction of flow of adjacent, electrically operating temperature sensors, whose measured value difference forms a measure for the direction of flow by two arranged behind the stagnation needle (25), by one from electrically not conductive material existing flag (26) separate thermocouples (12, 15, 14 and 13, 16, 14), the same diameter in relation to that of the stamina needle (25) so are dimensioned or their distance from the latter is chosen so that - when setting the measuring device exactly in the direction of flow - the thermocouples (15 and 16) almost with their entire cross-section in the inner zone (18) are in the one approximately constant, reduced flow velocity (v2) prevails, their outsides but still in the transition zone (19), in which transition speeds (v3) rule, intervene.

2. Measuring device according to claim 1, characterized in that to a wire (12 or 13) made of thermal material on both sides of the flow vane (26), z. B. made of iron, which is directed parallel to the storage needle (25), and that the two aforementioned wires (12 and 13) through a wire loop (14) e.g. B. from Constantan, are interconnected, so that in itself known Way, the individual connection points (15 and 16) designed to be electrically conductive are.

Documents considered: French patent specification No. 888695; W i en - Her m s, "Handbuch der Experimentalphysik", Vol. IV, Part 1, Leipzig, 1931, pp. 661 to 662; VDI-Zeitschrift, 93 (1951), pp. 672 to 674.