DE4129199A1

DE4129199A1 - Sensor zur kleinskaligen stroemungsmessung in gewaessern

Info

Publication number: DE4129199A1
Application number: DE19914129199
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr Sc Nat Prandke
Original assignee: Individual
Current assignee: Prandke Hartmut Drscnat 17213 Adamshoffnung
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1993-03-04

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Strömung, vorzugsweise in natürlichen Gewässern. Sie ist besonders geeignet zur Erfassung hochfrequenter Komponenten des Strömungsfeldes.

Charakterisierung des bekannten Standes der Technik

Die Untersuchung kleinskaliger Schichtungsstrukturen und Vermischungsvorgänge in marinen und limnischen Gewässern, insbesondere kleinskaliger Turbulenz, erfordert die Messung der Stromscherung bis hin zu Skalen im Zentimeter- und Millimeterbereich. Die Registrierung der Stromscherung erfolgt dabei im allgemeinen längst eines Vertikalprofiles mit Hilfe kabelgebundener oder frei sinkender Sonden, die mit einem geeigneten Meßfühler ausgerüstet sind. Neben hoher Empfindlichkeit und Meßwertauflösung müssen die Sensoren auch weitgehend unempfindlich gegen Stöße und Erschütterungen sein, die bei Feldarbeiten nicht zu vermeiden sind.

International hat sich als Meßfühler der sogenannte "airfoil" -Typ durchgesetzt, der besonders gute strömungsdynamische und meßtechnische Eigenschaften aufweist /1/. Derartige Meßfühler tragen an dem in Sondierungsrichtung weisenden Ende eines Schaftes ein piezokeramisches Element, das seitliche Biegebeanspruchungen als Folge von Stromscherungen im umgebenden Medium aufnimmt. Das piezokeramische Element ist von einer elastischen Ummantelung gekapselt, die eine rotationsparabolische oder ähnlich strömungsdynamisch günstige Form aufweist. Die typische Länge der aus piezokeramischem Element und Ummantelung bestehenden sensiblen Meßspitze beträgt 1 Zentimeter.

Sensoren dieses Typs weisen verschiedene Mängel auf:
1. Schnelle Änderungen der Umgebungstemperatur und des Druckes führen zu mechanischen Verspannungen in der Ummantelung, die eine Beeinträchtigung der Meßwerte hervorrufen.
2. Die Sensoren sind äußerst empfindlich gegen seitliche und axiale Stöße, wie sie z. B. beim Auftreffen der Meßsonde auf ein Hindernis (z. B. Pflanzen und Tiere im Wasser, Grund des Gewässers) oder generell bei der Handhabung von außenbords eingesetzten Meßgeräten auf Schiffen und Booten auftreten können. Derartige Erschütterungen haben meist eine Zerstörung des piezokeramischen Elementes zur Folge.

Zum Erreichen einer höheren räumlichen Auflösung ist eine weitere Miniaturisierung dieser Sensoren prinzipiell möglich. Dies würde aber zu einer größeren Empfindlichkeit gegenüber Stößen und anderen Erschütterungen führen und somit die Eignung der Sensoren für den Feldeinsatz verringern.

Weiterhin sind Sensoren bekannt, die auf dem gleichen Meßprinzip basieren, aber eine andere konstruktive Gestaltung der Meßspitze aufweisen /2/, /3/, /4/. Bei diesen Lösungen wird die Temperatur- und Druckabhängigkeit der Meßwerte weitgehend vermieden. Gleichzeitig zeichnen sich diese Sensoren durch erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und andere Erschütterungen aus. Gegenüber der in /1/ beschriebenen Lösung wird aber keine Verbesserung der Empfindlichkeit und der Meßwertauflösung erreicht.

Dieser Charakterisierung liegt folgende Literatur zugrunde:
/1/ OSBORN, T. R., CRAWFORD, W. R.: Turbulent Velocity Measurements with an Airfoil Probe. - NATO Advanced Study Institute on Instruments and Methods in Air/See Interaction. April 1978.
/2/ PRANDKE, H.: Sensor zur Messung des Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen Gewässern. DDR - Patentanmeldung WP G 01 P/33 96 637 vom 11.4.1990.
/3/ PRANDKE, H.: Sensor zur Messung des Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen Gewässern. DDR - Patentanmeldung WP G 01 P/33 96 620 vom 11.4.1990.
/4/ PRANDKE, H.: Sensor zur Messung des Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen Gewässern. DDR - Patentanmeldung WP G 01 P/33 96 612 vom 11.4.1990.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der kleinskaligen Struktur oder des Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen Gewässern in Form eines Sensors, vorzugsweise als Bestandteil frei sinkender oder kabelgebunden vertikal profilierender oder in der Strömung ortsfest installierter Meßsonden zu schaffen, der die Messung bis in dem Bereich Millimeter bei hoher Empfindlichkeit und Störsicherheit gestattet. Durch einen robusten Aufbau soll der Sensor für Feldmessungen auch unter rauhen Bedingungen geeignet sein. Die Fertigung des Sensors soll mit einfachen Mitteln kostengünstig möglich sein.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die von einem Formelement aufgenommenen, in Folge kleinskaliger Änderungen von Betrag und Richtung der Strömung seitlich zur Sondierungsrichtung wirkenden Kräfte über ein Koppelstück auf ein biegesensibles Element übertragen werden. Das Formelement ragt nur mit seiner strömungsdynamisch günstig geformten oder mit einem zusätzlichen Formstück versehenen Spitze aus einer sich in Sondierungsrichtung verjüngenden festen Schutzkappe heraus. Die räumliche Auflösung des Sensors wird durch die Länge des aus der Schutzkappe ragenden Endes des Formelementes bestimmt und läßt sich sehr klein halten. Wegen der Hebelwirkung des vorzugsweise stab- oder streifenförmig gestalteten Formelementes wird trotzdem eine hohe Empfindlichkeit des Sensors erreicht. Das Innere der Schutzkappe ist mit dem umgebenden Medium gefüllt, womit resonante Eigenschwingungen des Verbundes Formelement/biegesensibles Element verhindert werden. Durch entsprechende Gestaltung der Schutzkappe werden starke, über das normale Maß hinausgehende seitliche Auslenkungen des Formelementes verhindert. Das Koppelstück zwischen dem Formelement und dem biegesensiblen Element nimmt starke Stöße und Erschütterungen des Formelementes, die z. B. beim Auftreffen des Sensors auf ein festes Hindernis auftreten, auf und verhindert damit einen Beschädigung oder Zerstörung des biegesensiblen Elementes.

Anwendung der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar zur Messung der kleinskaligen Struktur oder des Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen Gewässern, vorzugsweise als Bestandteil frei sinkender oder kabelgebunden vertikal profilierender oder in der Strömung ortsfest installierter Meßsonden. Anwendungsgebiete sind die Erforschung dynamischer Prozesse sowie Messungen zur Überwachung ökologisch relevanter kleinskaliger Vermischungsvorgänge, insbesondere Turbulenzvorgänge in Gewässern. Bedingt durch seinen robusten, störsicheren Aufbau ergeben sich gegenüber den bekannten hochauflösenden Strömungssensoren breitere Einsatzmöglichkeiten, insbesondere für routinemäßige Feldarbeiten. Der Sensor ist darüber hinaus einsetzbar zur Messung der Strömung in technischen Systemen wie Rohrleitungen, Kanäle, Tanks und anderen Behältern.

Ausführungsbeispiel

Eine konstruktive Ausführung des Sensors als Bestandteil einer vertikal profilierenden frei sinkenden Sonde für marine und limnische Gewässer stellt die Zeichnung dar. In den metallischen Schaft (1) des Sensors ist ein Ende des als biegesensibles Element verwendeten piezoelektrischen Biegeschwingers (2) mittels Kunstharz (3) eingegossen. Der Biegeschwinger ist mit einer dünnen Isolierschicht gegen das umgebende Wasser elektrisch isoliert. Über ein Koppelstück (4) aus elastischem Material ist das stabförmige Formelement (5) mit dem Biegeschwinger fest verbunden. Einsetzbar ist auch ein Koppelstück, bei dem das Formelement durch Federkraft in seiner normalen Lage gehalten wird, beim Auftreffen auf ein Hindernis aber gegen die Federkraft in das Koppelstück geschoben wird. Bei dieser konstruktiven Lösung des Koppelstückes müssen alle auftretenden seitliche Auslenkungen des Formelements vom biegesensiblen Element oder, im Fall starker seitlicher Auslenkungen, durch die Elastizität des Formelementes selbst aufgenommen werden.

Das strömungsdynamisch günstig geformte Ende (6) des Formelementes ragt entsprechend der gewünschten räumlichen Auflösung des Sensors aus der festen Schutzkappe (7). Die Schutzkappe verjüngt sich in Sondierungsrichtung und sichert somit eine weitgehend ungestörte Umströmung des Endes des Formelementes. Der Spalt (8) zwischen Formelement und Schutzkappe begrenzt die maximale Amplitude der seitlichen Auslenkung des Formelementes. Durch diesen Spalt sowie durch die im oberen Teil der Schutzkappe befindlichen seitlichen Öffnungen (9) dringt das umgebende Medium in das Innere der Schutzkappe und verhindert störende resonante Schwingungen des Formelementes.

Claims

1. Sensor zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in marinen und limnischen Gewässern, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der seitlich auf die Meßspitze wirkende Kraft als Folge der seitlichen Anströmung von einem aus einer Schutzkappe ragendem Formelement aufgenommen und auf ein biegesensibles Element übertragen wird, wobei die Länge des aus der sich zur Meßspitze hin verjüngenden festen Schutzkappe ragenden Endes des Formelementes die räumliche Auflösung des Sensors bestimmt und das Formelement an seinem aus der Schutzkappe ragenden Ende zur Erhöhung der Empfindlichkeit eine geeignete Form aufweist oder ein zusätzliches Formstück trägt.

2. Sensor gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Formelement und der Schutzkappe ein freier Spalt vorhanden ist, der nur eine eingeschränkte, für die Messung hinreichend große seitliche Bewegung des Formelementes zuläßt, eine übermäßige seitliche Auslenkung, die zu einer Beschädigung oder Zerstörung des biegesensiblen Elementes führen kann, jedoch unmöglich macht.

3. Sensor gemäß Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung resonanter Eigenschwingungen des Verbundes Formelement/ biegsensibles Element der freie Raum zwischen dem Verbund Formelement/biegesensibles Element und der Schutzkappe mit Wasser gefüllt ist, das durch den Spalt zwischen dem Formelement und der Schutzkappe sowie durch kleine seitliche Öffnungen in der Schutzkappe in deren Innenraum dringen kann.

4. Sensor gemäß Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung des Formelementes an das biegesensible Element über ein Koppelstück erfolgt, das Kräfte, die über die beim Meßvorgang üblichen normalen Belastungen hinausgehen und zu einer Beschädigung oder Zerstörung des biegesensiblen Elementes führen können, aufnimmt, wobei das Formelement bei starken axialen Belastungen vollständig in die Schutzkappe geschoben werden kann.

5. Sensor gemäß Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelstück zwischen Formelement und biegesensiblem Element aus einem Formstück aus dauerelastischem Material besteht, dessen Abmessungen und elastischen Eigenschaften eine gute Übertragung der im normalen Meßbetrieb auf das Formelement wirkenden seitlichen Kräfte auf das biegesensible Element bewirken, bei starken seitlichen und axialen Belastungen aber ein Nachgeben des Koppelstückes sichern, das eine Beschädigung oder Zerstörung des biegesensiblen Elementes vermeidet.

6. Sensor gemäß Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formelement durch entsprechende Gestaltung und Elastizität starke seitliche Belastungen aufnimmt und das Koppelstück axiale Belastungen dadurch aufnimmt, das sich das Formstück in axialer Richtung in das Koppelstück schieben läßt, wobei bei normalem Meßbetrieb das Formstück durch Federdruck in der Ausgangslage gehalten wird.