DE2949670A1

DE2949670A1 - Einrichtung zur messung dynamischer druecke

Info

Publication number: DE2949670A1
Application number: DE19792949670
Authority: DE
Inventors: John Carr; Walter Mark Culling; Stanley Hassell
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-12-21
Filing date: 1979-12-11
Publication date: 1980-06-26
Also published as: GB2037993A; FR2444935A1; JPS55116237A; IT1126616B; IT7928227A0

Description

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R.1043

Augsburg, den 6. Dezember 1979

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Einrichtung zur Messung dynamischer Drücke

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung dynamischer Drücke, und zwar insbesondere zur Messung dynamischer Gasdrücke an einer von der Druckmeßstelle entfernten Stelle.

Ein in der Industrie häufig auftretendes Problem ist die Messung dynamischer Drücke, d.h. von Druckschwankungen an einem Meßort, an welchem eine hohe Gastemperatur und/oder ein hoher statischer Druck herrscht, wie es beispielsweise in

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- 5 Gasturbinentriebwerken der Fall ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckneßeinrichtung zu entwickeln, mit welcher dynamische Druckänderungen in einem Gas an einer von der eigentlichen Druckneßstelle entfernten Stelle, weiter innerhalb eines größeren Druckschwankungs-Frequenzbereiches und ohne Beeinträchtigung oder Gefährdung der Meßeinrichtung durch an der Meßstelle herrschende hohe statische Drücke und/oder hohe Temperaturen gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Da das i^Teßrohr, in welchem die Druckmessungen stattfinden, an einem Ende geschlossen ist, findet in dem Heßrohr praktisch keine Gasströmung statt, so daß demzufolge der Viandler vor den hohen Gastemperaturen an der Meßstelle geschützt ist.

Vorzugsweise ist die Länge des Meßrohrabschnitts zwischen der Öffnung und dem geschlossenen Heßrohrende größer als die Län<?e des Ileßrohrabschnitts zwischen der öffnung und dem offenen Meßrohrende bzw. der Meßstelle.

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Falls das Meßrohr eine im Verhältnis zu seinem Innendurchmesser ausreichende Länge hat, können .Mittel vorgesehen, welche dynamische Druckschwankungen entlang des Meßrohrs bis zum geschlossenen Meßrohrende hin im wesentlichen auf die Amplitude Null dämpfen, so daß das "eßrohr praktisch einem am Ende offenen Pohr bzw. einem Rohr mit hinter dem ',/andler unendlicher Länp-e äquivalent ist. Dadurch wird innerhalb eines ausreichenden Druckschwankungs-Frequenzbereiches ein stetiger, resonanzfreier Frequenzgang sichergestellt.

Der Wandler weist vorzugsweise eine nahe der in der Meßrohrwand gebildeten öffnung angeordnete Membran, die einen mit der öffnung in Verbindung stehenden, gasdicht abgeschlossenen Raum begrenzt, sowie Mittel auf, welche die in Abhängigkeit von den zu messenden dynamischen Druckschwankungen auftretenden Membranauslenkungen in ein elektrisches Meßsignal umsetzen, das den dynamischen Druck darstellt. Es ist wichtig, daß die öffnung in der Meßrohrwand, an welcher der Wandler angeordnet ist, für die in dem Meßrohr stattfindenden Druckschwankungen eine möglichst vernachlässigbare Diskontinuität darstellt. Demzufolge sollte der Querschnitt der öffnung wesentlich kleiner als der Innenquerschnitt des Meßrohrs sein.

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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat das Meßrohr in dem Bereich, in welchem der Wandler angeordnet ist, eine abgeflachte Querschnitts form, und die Öffnung in der Ileßrohrwand ist in diesem Fall mittig in einer der flachen bzw. breiten Rohrwandungen angeordnet.

Das Meßrohr kann in der Praxis als Metallrohr ausreichender Länge mit einem das eine Rohrende verschließenden Verschluß ausgebildet sein. Pur praktische Anwendungszwecke kann eine große Länge des hinter der Anordnungsstelle des Wandlers befindlichen Keßrohrabschnitts unzweckmäßig sein, weshalb in diesem Fall Mittel zur Druckwellendämpfung zwischen der in der Rohrwand gebildeten Öffnung und dem geschlossenen Rohrende verlaufenden Meßrohrabschnitt angeordnet sein können. Diese Mittel zur Druckwellendämpfung sollen natürlich im wesentlichen nichtreflektierend sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen diese Mittel einen Stab oder einen Rohrabschnitt auf, der in den Meßrohrabschnitt zwischen der Wandleranschlußöffnung und dem geschlossenen Meßrohrende eingesetzt ist. Alternativ dazu können die Mittel zur Druckwellendämpfung einen sich querschnittsmäßig zum geschlossenen Meßrohrende hin verengenden Endbereich des Meßrohrinneren aufweisen. Dieser sich verengende Endbereich kann durch einen in das Meßrohr eingesetzten Einsatz hergestellt sein, der sich vom

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geschlossenen Meßrohrende aus verjüngend bis zu einer zwischen der Wandleranschlußöffnung und dem geschlossenen Meßrohrende befindlichen Stelle in das Meßrohr hineinerstreckt.

Die Erfindung vrird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden, lediglich schematischen Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung nach der Erfindung

zur Messung dynamischer Drücke,

Fig. 2 eine die dynamische Druckdämpfung

entlang des Meßrohres der in Fig. gezeigten Einrichtung für verschiedene Druckschwankungsfrequenzen zeigende Kurvenschar,

Fig. 3 eine den Frequenzgang der in Fig.

gezeigten Einrichtung bei der Messung dynamischer Druckschwankungen für verschiedene statische Drücke darstellende Kurvenschar,

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Fig. ¹J einen in einer Axialebene des Meß

rohres verlaufenden Schnitt durch den Wandler der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den in Fig. 4

rezeigten Wandler,

Fig. 6 einen Querschnitt durch den Wandler

in der Ebene VI-VI in Fig. 4, und

die Fig. 7, P Axialschnitte durch den geschlossenen und 9 Heßrohrendabschnitt mit verschiedenen

Ausführungsformen von Druckwellendämpfern.

Die in Fig. 1 dargestellte Druckneßeinrichtung dient zur Messung dynamischer Druckschwankungen in einer eine none Temperatur und einen hohen statischen Druck aufweisenden Gasatmosphäre, beispielsweise an einer Stelle in der Turbine eines Gasturbinentriebwerks. Die Einrichtung weist ein langes i-ießrohr 1 auf, bei welchem es sich um ein Metallrohr handelt und das ein geschlossenes Ende 2 und ein offenes AnschluSende 3 aufv/eist, mit welch letzterem es mit einer Druckmeßstelle in Verbindung steht, an v/elcher der Druck zu messen ist.

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Das ileßrohr 1 hat eine glatte Innenwandunp; und ist zwischen seinen beiden Enden mit einer kleinen Bohrung (Fif. 4 bis 6) versehen, deren Durchmesser beträchtlich kleiner als der Innendurchmesser des J^ePjrohrs ist, so daß diese Bohrung im Hinblick auf dynamische Druckschwankungen in den Rohr nur eine vernachlässigbar kleine Diskontinuität darstellt. Beispielsweise hat bei einem ileßrohraußendurchinesser von 3 mn und einem ileßrohrinnendurchmesser von 2,2 mm die Bohrung 4 einen Durchmesser von 0,5 mm oder weniger. Die Bohrung 4 liegt näher am offenen Anschlußende 3 als am geschlossenen Ende 2 des iieiSrohrs 1. Beispielsweise hat der Meßrohrabschnitt vor der Bohrung 4, d.h. zwischen dem offenen Anschlußende und der Bohrung 4, eine Länge von 0,5 m, während der ileßrohrabschnitt zwischen der Bohrung 4 und dem geschlossenen Meßrohrende 2 eine Länge von 18 m hat.

Der Bereich des Meßrohrs 1, in welchem die Bohrung gebildet ist, liegt im Basisteil 5 (Fig. 6) eines Wandlerblockes 6 (Fig. 1), in welchen ein Druckwandler 7 eingesetzt ist. Dieser Basisteil 5 v/eist eine Durchgangsbohrung auf, welche das ileßrohr 1 mit gasdichtem Sitz aufnimmt, und die in der Meßrohrwand gebildete Bohrung 4 mündet zu einer Fläche 5A des Basisteils 5 hin, an welcher eine Gegenfläche 8A eines Oberteils 8 des Wandlerblockes gasdicht abgedichtet anliegt, wobei die gasdichte Abdichtung beispielsweise mittels eines O-Ringes hergestellt ist, der

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in einer die Bohrung 4 konzentrisch umgebenden Pdngnut 9 des Oberteils b liegt.

Der in den Oberteil 8 des Wandlerblockes 6 eingesetzte Wandler 7 enthält eine Membran 10 (Fig. 6), die an einer Ringschulter 11 befestigt ist und bei zusammengebautem Wandlerblock eine mit der Bohrung 4 in Verbindung stehende kleine Kammer HA begrenzt. Die Membran 10 ist also den durch die Bohrung 4 aus dem Meßrohrinneren übertragenen Druckschwankungen ausgesetzt.

Die an der Stelle der Bohrung 4 abgetasteten und zur Membran 10 übertragenen Druckschwankungen in dem Meßrohr werden mittels geeigneter, nicht gezeigter Wandlerelemente in entsprechende elektrische Signale umgesetzt. Als Wandlerelemente können beispielsweise Dehnungsmeßstreifen Anwendung finden, die auf der von der Bohrung 4 abgewandten Membranseite auf der Membran befestigt sind. Die elektrischen Meßsignale der der Membran zugeordneten Wandlerelemente werden über elektrische Leitungen 12 abgenommen. Die von der Bohrung 4 abgewandte Membranseite wird mit einem Bezugsdruck beaufschlagt, der durch einen Bezugsdruckeinlaß 14 (Fig. ¹O in den Wandler 7 gelangt.

Wie die graphische Darstellung nach Fig. 2 zeigt, schwächen sich die entlang des Meßrohres 1 ausbreitenden

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dynamischen Druckschwankungen im Verlauf der Meßrohrlänge exponentiell ab. Die Lage der Bohrung 4, an welcher der Druck im Meßrohr abgetastet wird, ist in Fig. 2 durch die Linie S angedeutet. Die Abschwächung der höherfrequenten Druckschwankungen ist stärker als die der niedrigerfrequenten Druckschwankungen, was aber in der Praxis die Leistungsfähigkeit der Einrichtung nicht wesentlich beeinträchtigt, da der Wandler 7 ein entsprechend hohes Signal/Rausch-Verhältnis haben kann.

Der Frequenzgang des an der Bohrung U angeordneten Wandlers bei verschiedenen statischen Drücken ist in Fig. dargestellt. Diese Darstellung zeigt, daß der Frequenzgang innerhalb eines brauchbaren Frequenzbereiches im wesentlichen periodisch und resonanzfrei ist.

Um die Gesamtlänge des Meßrohrabschnittes hinter dem Wandler 7, d.h. zwischen der als Wandleranschlußöffnung dienenden Bohrung ¹J und dem geschlossenen Meßrohrende 2, verringern zu können, kann in diesem Iießrohrabschnitt ein Druckwellendämpfer unterschiedlicher Bauart angeordnet sein. Drei Ausführungsbeispiele derartiger Druckwellendämpfer sind schematisch in den Fig. 7, 8 und 9 dargestellt.

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Oe mti. 3 Fi-. 7 ist ein ftab 15 koaxial mit dom üeßrohr 1 in Ie~:en ilndaOscnnitt eingesetzt, der νο:·\ geschlossenen TIeS-rohrende 2 aus in dar? .'el*, rohr hineinragt. Firr. 3 zei"-t eine Ihnliche Anordnung, wobei jedoch statt eines Stabes ein tnit dem Meßrohr koaxialer Rohrabschnitt 16 Anwendunr findet, dessen Aulendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser des "'ef.rolires ist.

Bei einer in Fi^. 9 pezei-:ten alternativen Aus führunpsforp besteht der Druckviellendil^pfer aus einem konischen Einsatz 17, der den Verschluß des geschlossenen /"!eßrohrendes bildet und von diesem pus sich verjüngend bis zu einer zwischen dem i.-escalossenen iießrohrende und der Bohrung 4 ~ele;;snen Stelle in das i^Teßrohr 1 hineinragt, so daß er einen sich querschnittsmäßig allmählich zuir geschlossenen Teßrohrende hin verengenden Endabschnitt des I^Teßrohrinneren bildet. Eine äquivalente Höflichkeit wäre die Anwendung eines zylindrischen Einsatzes in einem kegelstumpfförmi^en iM-idabschnitt des ließrohres 1, der sich durchmessermäßip; zum geschlossenen Meßrohrende hin verringert und schließlich an der Kantelflache des Einsatzes anliegt.

Mit der erfindungspremäßen Einrichtung können Druckschwankungen im Frequenzbereich bis zu einigen kHz mittels

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des über die Bohrung *J an das Ileßrohrinnere angeschlossenen ivandlers 7 ^ernessen werden, wobei der üruckmittelwert (statischer Druck) im Bereich zivischen dem normalen Luftdruck und etwa 300 psig (42 kPa absolut) liegen kann.

Bei der Konstruktion der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung müssen folgende Gesichtspunkte berücksichtigt werden:

Länge und Durchmesser des ITeßrohres 1 müssen so gewählt werden, daß die Druckschwankungen während ihrer Ausbreitung vom offenen Meßrohrende 3 zum geschlossenen Meßrohrende 2 hin allmählich abgeschwächt werden, so daß die Druckschwingungen in dem Meßrohr 1 aperiodisch, d.h. resonanzfrei sind. Je größer die Länge und je kleiner der Durchmesser des Meßrohrs gewählt werden, desto besser wird die Fähigkeit der Anordnung, die Druckschwankungen innerhalb eines weiten Druckschwankungs-Frequenzbereiches und eines großen statischen Druckbereiches in der genannten V/eise abzuschwächen. Außerdem muß das Meßrohr zur Vermeidung von Resonanzen innen glatt sein und über seine Länge einen im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt haben, mit der Ausnahme, daß das Meßrohr einen im Bereich des Wandlers abgeflachten Querschnitt und einen sich zur Druckwellendämpfung im Bereich seines geschlossenen Endes verengenden

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Endabschnitt gemäß den Fig. 7 bis 9 aufweisen kann. Der Wandler 7 muß ausreichend weit vom offenen Anschlußende 3 des Meßrohres 1 entfernt sein, um Beschädigungen des '•.'andlers durch an der Meßstelle herrschende Einflüsse, beispielsweise durch hohe Gastemperatur oder starke Schwingungen im Bereich des offenen Anschlußendes 3 zu vermeiden. Jedoch muß der Wandler an einer Stelle längs des Heßrohres 1 angeordnet werden, an welcher die Druckschwankungen noch stark genug sind, um deutlich von Störeinflüssen unterschieden und gemessen werden zu können. Im Idealfall sollte die druckbeaufschlagte Membran des Wandlers bündig mit der Innenwandfläche des Meßrohres sein, um die oben erwähnte Bedingung einer glatten Ileßrohrinnenflache zu erfüllen. Dies läßt sich in der Praxis aber konstruktiv schwer erreichen, insbesondere da es eine starke Abflachung des Rohres erfordern würde, so daß es sich als zweckmäßiger erwiesen hat, die Druckschwankungen im Meßrohr 1 durch eine in der Wand des im Querschnitt kreisrunden Meßrohres, nämlich die Bohrung ¹I hindurch, mittels einer außerhalb des Meßrohres angeordneten Membran zu messen. Insbesondere gestattet die Anordnung der Membran außerhalb des Meßrohrs die Ausbildung der Membran mit verhältnismäßig großem Durchmesser, d.h. mit einem wirksamen Durchmesser, der nicht kleiner als der Innendurchmesser des Meßrohres 1 ist, so daß eine entsprechend

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große Empfindlichkeit des V.'andlers erreicht wird. Die Montage des Heßrohrs 1 in Basisteil 5 des l/andlerblockes ist eine zweckmäßige Γ ic r;l ic nice it der Herstellung einer ebenen, zum Meßrohr tam-entialen Bezu^sflache zur Positionierung; des Wandlers 7. Die Anordnung der Karaner 11Λ stellt nicht nur sicher, daß die Druckschwankun^en zur Membran übertragen werden, sondern auch, daß die Membran einen ausreichenden Spielraum bzw. Abstand von der Fläche 5A hat, urn nach den Einschrauben de? handlers in der. Oberteil B des /Jandlerblockes eine Beschädigung der Membran durch Kollision mit der Fläche 5A auszuschließen. Die axiale Tiefe der Kammer HA sollte so klein wie möglich sein, beispielsweise eine Distanz von etwa 0,1 trn nicht übersteigen, un das Totvolumen der Kammer möglichst klein zu halten. Die Empfindlichkeit der Einrichtung und ihre Fähigkeit zur ."eßwertunformuns bei verschiedenen Frequenzen und verschiedenen statischen Druckpegeln ist un so besser, je größer der Durchmesser der Bohrung ¹I ist und je näher die Membran der Innenviandf lache des ließrohres liegt, jedoch darf die Bohrung, wie schon gesagt, nicht so groß gemacht werden, daß sie eine starke Diskontinuität der Keßrohrinnenwandfläche darstellt.

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Eine unter Berücksichtigung der obigen Gesichtspunkte praktisch ausgeführte Druekr.eßeinrichtunr nach :1er Erfindung kann in den folgender, erreichen liegende Abmessungen bzw. Kenndaten haben:

Innendurcnmessser des "ießrohres Wanddicke des 'eßrohres 1 Gesamtlänge des "leiirohres

Abstand zvrischen de.τι offenen Γ>β-rohrende 3 und der Bohrung

Durchmesser der Bohrung 4

Abstand zwischen der ;ienbran und der ile^rohi Frequenzbereich
Statischer Druckbereich 1,2 rnm bis 3 -nm 0,4 mm bis 0,6 mm 6 m bis 20 m

0,2 m bis 1,2 π 0,2 mm bis 0,5 nun

0,1 mm bis 1 mn 0 bis 50 kHz

Unterdruck bis Absolutdruck von 50 kPa.

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Claims

Patentansprüche

1.; Einrichtung zur Messung dynamischer Drücke, gekennzeichnet durch ein iießrohr (1), das an einem Ende geschlossen und mit seinem anderen, offenen Ende an die Druckquelle anschließbar ist, und durch einen an dem Meßrohr angeordneten ließwandler (7), der über eine in der Rohrwand gebildete öffnung (4), die an einer zwischen den beiden Rohrenden gelegenen Stelle angeordnet ist, mit dem Rohrinneren in Verbindung steht, wobei die Längen der Meßrohrabschnitte beiderseits der öffnung so gewählt sind, daß die Anordnung innerhalb des zu messenden Druckschwankungs-Frequenzbereiches ein resonanzfreies System darstellt.

2. Druckiüeßeinrichtun,^ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (7) eine nahe der Heßrohraußenwandung angeordnete druckbeaufschlagte Ilembran (10) aufweist .

3. Druckmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr eine kreisrunde Querschnittsform hat und daß die Membran (10) in einer dazu tangentialen Ebene liegt.

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4. Druckmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (7) einen das *'eßrohr umgreifenden Gehäuseabschnitt mit einer zum Meßrohraußenumfanr tangentialen, die Öffnung (H) umgebenden Außenfläche (5A) und einen an dieser Außenfläche befestigten, die Membran (10) enthaltenden Gehäuseteil (8) aufweist.

5. Druckmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der öffnung (*1) wesentlich kleiner als der Innenquerschnitt des Meßrohres (1) ist.

6. Druckmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zwischen der öffnung (4) und dem geschlossenen Meßrohrende gelegenen Meßrohrabschnitts größer als die Länge des zwischen der öffnung und dem offenen iMeßrohrende gelegenen Meßrohrabschnitts ist.

7. Druckmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zwischen der öffnung (H) und dem geschlossenen Meßrohrende gelegenen Meßrohrabschnitt Mittel (15, 16, 17) zur Druckwellendämpfung angeordnet sind.

8. Druckmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Druckwellendämpfung einen in das

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Meßrohr (1) eingesetzten Stab (15) oder Rohrabschnitt (16) aufweisen.

9. Druckmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Druckwellendämpfung einen sich zum geschlossenen Meßrohrende hin querschnittsmäßig verengenden Rohrendbereich aufweisen.

10. Druckmeßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die QuerschnittsVerengung des Rohrendbereichs durch einen sich vom geschlossenen Meßrohrende aus in das TIe Ar ohr hineinerstreckenden, sich verjüngenden Einsatz (17) hergestellt ist.

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