DE19702622A1 - Klimatechnisches Thermoanemometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermoanemometer, das zur Bestimmung von Raumströmungen in der Klimatechnik eingesetzt wird und unabhängig von der jeweiligen Strömungsrichtung und vom Turbulenzgrad annähernd reale Meßwerte liefert.

Mit dem wachsenden Ansprüchen an die thermische Behaglichkeit in Gebäuderäumen, dem steigenden Einsatz von Kühldecken und dem damit verbundenen zunehmenden Be­ darf an Informationen über die Turbulenz zur numerischen Modellierung der Raumströmung wächst auch der Bedarf an Meßverfahren für die mittlere Geschwindigkeit und den Turbu­ lenzgrad.

Üblicherweise wird der Turbulenzgrad mit Hitzdraht- oder Laser-Doppler-Anemometern ge­ messen. Man erhält damit den aus dem zeitlichen Mittelwert und der zeitlichen Schwankung bestehenden Vektor der Geschwindigkeit. Die Besonderheit der Raumströmung besteht aber darin, daß die mittlere und die Schwankungsgeschwindigkeit gleich groß sein können (großer Turbulenzgrad) und sich mit der Zeit stark verändern. Der Aufwand für die Messung und Bewertung der mittleren Geschwindigkeit und des Turbulenzgrades ist zur Zeit sehr groß. Einfache und billige Sensoren und Auswerteverfahren sind wünschenswert, jedoch nicht verfügbar.

Im wesentlichen unbekannt ist der Einfluß der Zeitveränderlichkeit und der Größe des Tur­ bulenzgrades auf die verschiedenen thermischen Anemometer, wie z. B. TSI-Kugel-, Stab- und Fadensonde, Schmidt-Strömungssensor, E+E elektronik-Sensor usw. Von den Herstel­ lern wird dieser Einfluß in der Regel nicht angegeben. Je nach Ansprechzeit des Sensors wird der Momentanwert oder eine Kombination von gedämpften Momentanwert und etwas vergrößertem Mittelwert der Geschwindigkeit angezeigt. Bei Vergleichsuntersuchungen von verschiedenen thermischen Anemometern in Strömungsfeldern hinter Lochblechen mit gro­ ßen Turbulenzgraden wurde ermittelt, daß die Turbulenzeinflüsse auf das Meßsignal und damit der Meßfehler bis 30% betragen kann.

Für den Einfluß des Turbulenzgrades sind nur wenige Untersuchungen bekannt. So wird zwar für querangeströmte Zylinder eine Turbulenzgradkorrektur für die mit dem Durchmes­ ser gebildete Nusselt-Zahl vorgeschlagen. Inwieweit diese Korrektur auch für Schwan­ kungsgeschwindigkeiten in Räumen und die kleinen Sondenköpfe brauchbar ist, ist nicht bekannt.

Zur Dämpfung der Turbulenz und zur Vergleichmäßigung der Strömung in Rohrleitungen sind im Zusammenhang mit der Massenstrom- oder Volumenstrommessung verschiedene Mittel bekannt. In der DE-PS 40 40 375 wird z. B. ein thermischer Durchflußmengenmesser beschrieben, bei dem in einem bestimmten Abstand vor dem Wärmewiderstandselement ein sogenanntes Gleichrichtungsnetz angeordnet ist. Das Wärmewiderstandselement dient der Erfassung des Volumenstromes und ist dazu mit einer elektronischen Schaltung, die eine gesteuerte Versorgung mit elektrischer Energie gewährleistet, verbunden. Das Gleich­ richtungsnetz besteht aus sich kreuzenden Drähten.

Zur Turbulenzdämpfung in Rohren sind außerdem Lochblechplatten (WO 95/19504), Schlitzplatten (WO 95/08065) oder bienenwabenartige Laminatoren bekannt. Alle diese Lösungen haben das Ziel, die Turbulenz bei vertretbaren Druckverlust in Rohrleitungen, also bei definierter Strömungsrichtung, zu dämpfen. Zur Turbulenzdämpfung an thermi­ schen Anemometern, die aus unbestimmter Richtung angeströmt werden, wie es z. B. beim Messen von Strömungen in Gebäuderäumen der Fall ist, sind bisher keine Vorschläge be­ kannt geworden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Turbulenzdämpfung an thermischen Anemometern so zu gestalten, daß die Wirbel in einer wirbelbehafteten, aus unbestimmter Richtung kommen­ den Strömung so gestört werden, daß am Sondenkopf ein nur vom Betrag der Geschwin­ digkeit abhängiges Signal entsteht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst, indem der Sondenkopf allseitig von turbulenzdämpfenden Elementen umgeben wird. Überra­ schend wurde gefunden, daß im Unterschied zu herkömmlichen Anemometern auch bei sich hinsichtlich Anströmrichtung, Turbulenzgrad und Turbulenzspektrum stark unterschei­ denden Strömungen ein der mittleren Geschwindigkeit der Strömung entsprechendes und von der Turbulenz verschwindend wenig abhängendes elektrisches Signal entsteht.

Voraussetzung für das Erzielen von verwertbaren, mit geringen Fehlern behafteten Meßer­ gebnissen mit den erfindungsgemäß gestalteten Thermoanemometern ist es, daß die Ane­ mometer vor ihren bestimmungsgemäßen Einsatz in definierten Strömungsverhältnissen geeicht werden. Dazu werden beispielsweise die Anemometer in eine Strömung mit genau bekannter mittleren Geschwindigkeit am Sensor (Anemometerkopf) gebracht und das elek­ trische Signal gemessen. Die Messungen werden bei stark unterschiedlicher Turbulenz ausgeführt. Dadurch wird geprüft, ob der Turbulenzeinfluß tatsächlich zu vernachlässigen ist. Außerdem wird bei unveränderlicher Strömung das Anemometer um seine Schaftachse und um eine dazu senkrechte Achse verdreht, so daß sich die Anströmrichtung relativ zum Sensor ändert. Außer, wenn der Sensor sich im Windschatten des Sondenschaftes befin­ det, ergibt sich ein annähernd konstantes Signal.

Für eine Ermittlung des Turbulenzgrades hat sich als vorteilhaft erwiesen, Messungen so­ wohl mit als auch ohne ein turbulenzdämpfendes Element auszuführen, so daß aus der Eichung auf die Größe des Turbulenzgrades geschlossen werden kann.

Die Erfindung soll an nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Abbildungen zeigen die erfindungsgemäß ausgestatteten Thermoanemometer in vergrößer­ ter Darstellung.

In Fig. 1 ist ein Thermoanemometer 1 mit einer kugelförmigen Umhüllung 2 aus mit Poren 3 versehenen Schaumstoff ausgerüstet. Mittels einer Hülse 4 wird die Umhüllung 2 am Ther­ moanemometer 1 befestigt. Diese Ausführungsform ist besonders zur Dämpfung starker Turbulenzen geeignet.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Umhüllung, die aus borstenartig angeordneten Drähten 5 besteht. Die Länge der Drähte 5 ist so bemessen, daß ihre äußeren Enden eine kugel­ förmige Kontur ergeben. Die Drähte 5 werden an einer gemeinsamen Halterung 6 befestigt, die zugleich der Befestigung am Schaft des Thermoanemometers 1 dient. Vorteilhaft sind die Drähte 5 an ihren äußeren Enden in einer Richtung etwas gebogen. Durch entspre­ chende Auswahl der Dicke und Anzahl der Drähte 5 kann der Turbulenzdämpfungsgrad beeinflußt werden.

In Fig. 3 besteht die Umhüllung aus einer kugelförmigen Siebschale 5, die ebenfalls mit einer Hülse 6 am Schaft des Thermoanemometers 1 befestigt ist. Durch entsprechende Wahl der Maschenweite des Siebes kann auf den Turbulenzdämpfungsgrad Einfluß ge­ nommen werden.

Gemäß Fig. 4 besteht die Umhüllung aus einer Drahtspirale 8, die ebenfalls eine kugelför­ mige Außenkontur besitzt. Die Drahtspirale 8 ist ebenfalls an einer Hülse 4 befestigt, die ein Aufstecken auf den Schaft des Thermoanemometers 1 ermöglicht.

Zur Veränderung des Turbulenzdämpfungsgrades ist es, vorzugsweise bei den Ausfüh­ rungsformen gemäß Fig. 3 und 4, möglich, die Umhüllungen mehrschalig anzubringen.

Claims (9)

1. Klimatechnisches Thermoanemometer, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem defi­ nierten Luftstrom geeichtes thermisches Anemometer mit einer allseitig wirkenden, turbu­ lenzdämpfenden, luftdurchlässigen Umhüllung versehen ist.

2. Klimatechnisches Thermoanemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung nahezu kugelförmig oder zylinderförmig ausgebildet ist und eine Öffnung zum Aufstecken auf die schaftförmige Halterung des thermischen Anemometers besitzt.

3. Klimatechnisches Thermoanemometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus porösen Schaumstoff mit offenen Poren besteht.

4. Klimatechnisches Thermoanemometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus borstenartigen, von der Halterung aus sich kugelförmig erstrecken­ den Drähten besteht.

5. Klimatechnisches Thermoanemometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus einem drahtsiebartigen Gewebe besteht.

6. Klimatechnisches Thermoanemometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung als kugelförmige Drahtspirale ausgebildet ist.

7. Klimatechnisches Thermoanemometer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Umhüllung mehrschalig ausgebildet ist.

8. Verfahren zur Anwendung des klimatechnischen Thermoanemometers gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses unter definierten Strömungsbedingungen mit und ohne der Umhüllung geeicht und danach im Gebäuderaum zur Strömungsmessung einge­ setzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Turbulenz­ grades eine Vergleichsmessung mit einem umhüllten und einen nicht umhüllten Thermoa­ nemometer vorgenommen wird.