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Prof.Dr.-Ing. Herbert Wilhelmi
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Richtericher Str. 36 5100 Aachen Dr.-Ing. Siegfried Strämke Erkwiesenstr.
12 5100 Aachen
Kalorimetrische Sonde, insbesondere zur Messung der EnthalEie von
Gasstromungen hoher TemEeratur Die Erfindung betrifft eine kalorimetrische Sonde,
insbesondere zur Messung der Enthalpie von Gasströmungen hoher Temperatur, mit einem
an seinem vorderen Ende offenen und mit seinem rückwärtigen Ende an eine Saugvorrichtung
angeschlossenen, einen ersten Temperaturfühler enthaltenden Innenrohr, einem am
vorderen Ende abdichtend mit dem Innenrohr verbundenen, zum Innenrohr koaxialen
Außenrohr, das an eine Kühlmittelleitung angeschlossen ist, einem zwischen Innenrohr
und Außenrohr koaxial angeordneten Leitrohr, das an eine weitere Kühlmittelleitung
angeschlossen ist und mit seinem vorderen Ende frei in dem Ringraum zwischen Innenrohr
und Außenrohr endet, und mit zwei weiteren Temperaturfühlern, die im Durchflußweg
des Kühlmittels vor und hinter dem Leitrohr angeordnet sind.
Im
aerodynamischen Versuchswesen,in der Plasmametallurgie und in vielen anderen technischen
Bereichen, in denen Hochenthalpieströmungen verwendet werden, z.B. auch in der Verbrennungsforschung,
ist die Kenntnis der lokalen Ruheenthalpie wichtig. Zur direkten Messung in derartigen
Strömungen sind kalorimetrische Sonden bekannt, bei denen aus der heißen Gasströmung
ein Teilgasstrom abgesaugt wird (US-PS 3 167 956). Die Sonde wird mit Kühlwasser
gekühlt, an das das abgesaugte Gas einen Teil seiner Enthalpie abgibt. Aus einer
Energiebilanz für das abgesaugte Gas und für das strömende Kühlwasser erhält man
die Staupunktsenthalpie der heißen Gasströmung. Die Sonde besteht aus einem Innenrohr
und einem Außenrohr, die an ihren vorderen Enden miteinander verlötet sind, sowie
einem zwischen Innenrohr und Außenrohr angeordneten Leitrohr. Das Kühlwasser wird
in das rückwärtige Ende des Außenrohres eingeleitet, fließt außen am Leitrohr entlang
und wird an dem vorderen Ende des Leitrohres umgeleitet. Es fließt anschließend
in dem Ringraum zwischen Leitrohr und Innenrohr zurück und wird aus dem rückwärtigen
Ende des Innenrohres abgeleitet. Am Kühlwassereinlaß des Außenrohres und am Kühlwasserauslaß
des Innenrohres ist jeweils ein Thermoelement angeordnet. Die zwischen beiden Thermoelementen
entstehende Temperaturdifferenz gibt Aufschluß über die Enthalpieerhöhung des Kühlwassers,
die gleich der Enthalpieverringerung des Gases ist. Die verbleibende Enthalpie des
gekühlten Gases wird mit einem ersten Thermoelement gemessen, das am rückwärtigen
Ende des an eine Saugvorrichtung angeschlossenen Innenrohres angeordnet ist.
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Die bekannte Sonde hat den Nachteil, daß zur Erreichung eines für
die Messung notwendigen stationären Zustandes
eine sehr lange Zeit
vergeht. Dies liegt daran, daß die für die Enthalpiemessung notwendigen Thermoelemente
am Eintritt und am Austritt der Kühlwasserströmung in die Sonde liegen. Die Laufzeit
des Kühlwassers von einem zum anderen Thermoelement bemißt sich aus der Summe der
Zeiten für den Hinlauf zum vorderen Ende der Sonde und für den Rücklauf bis zum
rückwärtigen Sondenende. Sowohl das Außenrohr wie das Leitrohr nehmen die Kühlwassertemperatur
an. Da diese Rohre thermisch träge sind, paßt sich die gemessene Temperaturdifferenz
des Kühlwassers nur langsam an Temperaturschwankungen des zu messenden Gases an.
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Für die Messung spielt außerdem der Wärmetransport der Sonde ohne
Absaugung eine wichtige Rolle. Dieser Wärmetransport ohne Absaugung sollte möglichst
gering sein, um genaue Meßergebnisse mit Absaugung zu erzielen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sonde der eingangs genannten Art
zu schaffen, die eine wesentlich kürzere Antwortzeit auf Temperaturänderungen des
zu messenden Gases hat als die bekannte Sonde.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß einer
der auf die Kühlmitteltemperatur reagierenden weiteren Temperaturfühler am vorderen
Ende des Leitrohres angeordnet ist.
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Dadurch wird erreicht, daß die Messung der Temperaturdifferenz des
Kühlmittels zwischen dem rückwärtigen und dem vorderen Ende des Innenrohres bzw.
des Leitrohres erfolgt.
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Das Antwortverhalten wird also im wesentlichen durch die
Laufzeit
des Kühlmittels entlang des Leitrohres bestimmt.
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Die Laufzeit für den Kühlmittelrücklauf geht in die Messung nicht
mehr ein.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Kühlmitteleinlaßleitung
mit dem rückwärtigen Ende des Leitrohres verbunden, wo der andere der weiteren Temperaturfühler
angeordnet ist. Das Kühlmittel strömt also zuerst in das Innere des Leitrohres ein,
wo es durch die Wärmeübertragung durch das Innenrohr aufgeheizt wird. Die Messung
der Temperaturdifferenz erfolgt zwischen dem vorderen und dem rückwärtigen Ende
des Innenrohres. Bei der bekannten Sonde strömt das Kühlmittel dagegen zunächst
in das Außenrohr ein und verläßt die Sonde durch das rückwärtige Ende des Innenrohres.
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Um die Wärmeträgheit der Metallteile der Sonde weitgehend auszuschalten,
ist in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung das Leitrohr doppelwandig, indem
es aus zwei Rohrmänteln besteht, zwischen denen sich eine thermische Isolierung
befindet. Auf diese Weise wird im Innern der Sonde die Hinlaufstrecke des Kühlmittels
thermisch gegen die Rücklaufstrecke isoliert. Das zurückfließende Kühlmittel vermag
daher das vorlaufende Kühlmittel nicht wesentlich aufzuheizen, so daß das vorlaufende
Kühlmittel Wärme ausschließlich durch die Wand des Innenrohres hindurch von dem
zu messenden Gas bezieht. Dadurch wird die Reaktion auf Temperaturänderungen des
Gases wesentlich beschleunigt.
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Die Leitung des vorderen Temperaturfühlers führt zweckmäßig durch
den Ringraum zwischen den Rohrmänteln des
Leitrohres hindurch. Sie
kann wendelförmig um den Innenmantel herumführen und den Außenmantel zentrierend
abstützen. Dies stellt eine konstruktiv günstige Leitungsführung bei guter thermischer
Isolierung und gegenseitiger mechanischer Abstützung zwischen Innenmantel und Außenmantel
dar.
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Zur Verringerung der Wärmeübertragung durch die Wand des Leitrohres
hindurch bestehen die beiden Mäntel des Leitrohres zweckmäßigerweise aus schlecht
wärmeleitendem Material. Der Innenraum des Leitrohres kann an eine Saugquelle angeschlossen
sein, die in ihm ein Vakuum erzeugt, wodurch die Wärmeübertragung quer durch das
Leitrohr weitgehend ausgeschaltet wird.
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Zur konstruktiven Realisierung der Sonde ist in vorteilhafter Weiterbildung
der Erfindung ein Sondengehäuse vorgesehen, in das das Innenrohr, der Innenmantel
des Leitrohres, der Außenmantel des Leitrohres und das Außenrohr unterschiedlich
weit hineinragen, und daß die den genannten Rohren bzw. Mänteln zugeordneten Abteile
des Gehäuses durch Zwischenwände voneinander getrennt und an unterschiedliche externe
Leitungen angeschlossen sind.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Sonde und
Figur
2 eine grafische Darstellung der Sprungantwort der Temperaturdifferenz des Kühlmittels
auf einen Temperaturanstieg in einem zu messenden Gas.
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Bei der in Figur 1 dargestellten Sonde ist ein geradliniges Innenrohr
10 vorgesehen, das an seinem vorderen Ende 11 offen ist. In das rückwärtige Ende
des Innenrohres 10 ist ein erster Temperaturfühler 12 in Form eines Thermoelementes
eingesetzt. Das Thermoelement schließt das rückwärtige Rohrende nicht voll ab, sondern
ermöglicht den Austritt des zu messenden Gases, das das Innenrohr 11 in Richtung
der Pfeile 13 durchströmen kann.
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Das Innenrohr 10 ist koaxial von dem Leitrohr 14 umgeben, das aus
dem Innenmantel 15 und dem Außenmantel 16 besteht.
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Zwischen dem Innenrohr 10 und dem Leitrohr 14 besteht ein Ringraum
17, durch den ein Kühlmittel, z.B. Wasser, im Gegenstrom zu dem Gas in der Sonde
nach vorn fließen kann.
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Über dem Leitrohr 14 ist koaxial mit radialem Abstand das Außenrohr
18 angeordnet. Die vorderen Enden von Innenrohr 10 und Außenrohr 18 sind am vorderen
Ende 19 miteinander verlötet, so daß das Gas nicht in das Außenrohr 18 eindringen
kann. Das Leitrohr 14 endet mit einigem Abstand vor der Verbindungsstelle 19 zwischen
Außenrohr und Innenrohr und läuft frei aus. Das durch den Ringraum 10 fließende
Kühlwasser wird daher am Ende des Leitrohres 14 umgelenkt und läuft in dem Ringraum
20 zwischen Leitrohr 14 und Außenrohr 18 zurück.
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Zwischen dem Innenmantel 15 und dem Außenmantel 16 des Leitrohres
14 befindet sich ein Ringraum 21, durch den
hindurch die Zuleitung
22 für den Temperaturfühler 23 in Form eines Thermoelementes verläuft. Die Leitung
22 ist wendelförmig um den Innenmantel 15 herumgeführt und stützt den Außenmantel
16 zentrierend ab. Aus dem vorderen Ende des Ringraumes 21 bzw. des Leitrohres 14
ragt der Temperaturfühler 23 heraus, während der Ringraum 21 an seinem vorderen
Ende im übrigen abdichtend verschlossen ist.
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Die rückwärtigen Enden sämtlicher Rohre 10, 14 und 18 ragen in eine
Bohrung 23 des Sondengehäuses 24 hinein. Das Innenrohr 10 ragt am weitesten in das
Sondengehäuse 24 hinein. Sein Ende ist in einer Trennwand 25 gehalten, die ein Abteil
26 von der Bohrung 23 abteilt. Das Abteil 26 ist mit einer durch die Wand des Sondengehäuses
hindurchgehenden Radialbohrung 27 mit einer Saugquelle verbunden.
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Von der rückwärtigen Stirnwand 28 des Sondengehäuses ragt der Temperaturfühler
12 nach vorne in das rückwärtige Ende des Innenrohres 10 hinein.
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Das rückwärtige Ende des Innenmantels 15 des Leitrohres 14 ist an
einer zweiten Zwischenwand 29 befestigt. Zwischen den Zwischenwänden 25 und 29 befindet
sich ein Abteil 30, das über eine Radialbohrung 31 an einen Kühlwasserzulauf angeschlossen
werden kann. Im Innern des Abteiles 30 ist in unmittelbarer Nähe des Innenrohres
10 der Temperaturfühler 32 zur Messung der Eintrittstemperatur des Kühlwassers angeordnet.
Von dem Temperaturfühler 32 führt die Leitung 33 aus dem Gehäuse heraus.
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Das Ende des Außenmantels 16 des Leitrohres 14 ist an einer weiteren
Zwischenwand 34 der Bohrung 23 befestigt.
Die Zwischenwände 34
und 29 begrenzen ein Abteil 35, das über eine Radialbohrung 36 an eine Vakuumquelle
angeschlossen werden kann, um im Innern des Ringraumes 21 ein Vakuum zu erzeugen.
Durch das Abteil 25 führt ferner die Zuleitung 22 für das vordere Thermoelement
23.
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Das rückwärtige Ende des Außenrohres 18 ist schließlich in einer Stirnplatte
37 befestigt, die zusammen mit der Zwischenwand 34 ein Abteil 38 begrenzt, das über
eine Radialbohrung 39 mit dem Kühlwasserablauf verbunden ist.
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Bei einer praktisch ausgeführten Sonde beträgt der Außendurchmesser
des Außenrohres 18 weniger als 4 mm. Die lichte Weite des Innenrohres 10 beträgt
ungefähr 0,8 mm.
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Mit einer Vakuumpumpe wird über das Abteil 26 durch das Innenrohr
10 hindurch das zu untersuchende Gas abgesaugt.
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Es gibt dabei seine Enthalpie zum Teil an das Kühlmittel ab. Aus der
Differenz von Eintritts- und Austrittstemperatur des Kühlmittels an den Stellen
der Temperaturfühler 23 und 32 und dem Massenfluß des Kühlmittels sowie aus Massenfluß,
Zusammensetzung und Temperatur des abgesaugten Gases an der Stelle des Temperaturfühlers
12 kann die Enthalpie des Gases am Eintritt ermittelt werden.
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Dabei ist der Fehler infolge nicht-isokenetischer Absaugung gering
und kann bei entsprechender Wahl des Absaug-Massenstromes berücksichtigt werden.
Der Wärmetransport ohne Absaugung ist infolge der isolierenden Wirkung des Leitrohres
gering und beträgt bei einer ausgeführten Sonde 3 % der gemessenen Enthalpie.
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Die gemessene Anstiegsgeschwindigkeit der Sonde beträgt
über
10.000 K/s,die für das Ausmessen eines rotationssymmetrischen, induktiv erzeugten
Argonplasmas in einer Ebene senkrecht zur Brennerachse und damit gegenüber der bekannten
Sonde um etwa den Faktor 100 verkürzt werden.
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Figur 2 zeigt bei einer Sonde gemäß Figur 1 die Sprungantwort auf
einen Temperaturanstieg im Argonplasma von T = 8200 K. Man erkennt, daß die Anpassung
des Kühlsystems an den Temperatursprung in weniger als einer Sekunde beendet ist.
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Leerseite L e e r s e i t e