DE3527425A1 - Messsonde fuer stroemende fluide - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde für strömende Fluide, die, quer zur Strömungsrichtung in die Strömung des Fluids eingebracht, über den Staudruck den dynamischen Druck der Fluide zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit erfaßt.

Bei der Bestimmung von Geschwindigkeit strömender Fluide oder bei der Bestimmung von Volumenströmen aufgrund der Fluid-Geschwindigkeit dient der dynamische Druck als Meßgröße. Der dynamische Druck wird dabei durch Prandtl-Rohre oder Pitot-Rohre erfaßt, wobei das Prandtl-Rohr den Vorteil genießt, Staudruck und statischen Druck nahezu am gleichen Ort abzunehmen, während das Pitot-Rohr den statischen Druck entfernt vom Sondenort aufnimmt. Schwierig dabei ist, daß die Sonde, um nicht durch ihr eigenes Staugebiet gestört zu sein, hakenförmig ausgebildet sein muß und daß das Strömungsprofil in seiner Gesamtheit abgetastet werden muß, das Geschwindigkeitsprofil zu bestimmen und auf den Volumenstrom einer Fluidströmung schließen zu können.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß bei der Umströmung von Widerstandskörpern anströmseitig ein Staugebiet auftritt, während abströmseitig bei unterkritischer Strömung im Totwassergebiet ein Mittel-Druck auftritt, der etwa dem statischen Druck vermindert um den dynamischen Druck entspricht: Bei der Umströmung eines Zylinders tritt im Staubereich, eng um 0° bezogen auf die Ausströmrichtung ein Druck auf, der genau der Summe von statischem Druck und dynamischen Druck entspricht; abströmseitig ist dagegen in einem weiten Bereich von etwa 110° bis 250° ein Druckbereich, in dem der Druck mit einer Schwankung von etwa ± 5% um die Differenz von statischem Druck und dynamischen Druck schwankt, wobei bei 180° der herrschende Druck stärker vermindert ist als um den dynamischen Druck. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Meßsonde anzugeben, mit der der dynamische Druck des strömenden Fluids als ein mittlerer Wert über eine gewisse Länge abgenommen und gemessen werden kann, wobei die Meßsonde auch in verunreinigten Fluiden störungsfrei einsetzbar sein soll und wobei die Meßsonde wirtschaftlich herstellbar sein soll.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch einen sich über eine bestimmte Länge erstreckenden umströmten Widerstandskörper, der im Bereich des Staugebiets und im Bereich des Abströmgebiets je eine sich über seine gesamte Länge erstreckende Druckkammer aufweist, wobei jede dieser Druckkammern an beiden Enden verschlossen und an einem Ende mit einem Druckentnahmestutzen versehen ist und wobei jede der Druckkammern über mindestens eine Druckentnahme-Öffnung mit dem Staugebiet bzw. dem Abströmgebiet in Verbindung steht und sich die Druckentnahme-Öffnungen im wesentlichen über die gesamte Länge des Widerstandskörpers erstreckt. Durch diese Ausbildung ist ein frei in die Strömung eines Fluids einbringbare Meßsonde gegeben, die durch ihre über ihre Länge erstreckte Druckentnahme-Öffnungen im Staubereich den Gesamtdruck als Summe von statischem Druck und dynamischen Druck mißt und im Abströmbereich den Druck des Totwassergebietes als Differenz von statischem Druck und dynamischen Druck. Durch die mit üblichen Manometern erfolgende Messung der Drücke beider Druckkammern gegeneinander erfolgt eine Differenzbildung, so daß die Anzeige gegenüber z. B. dem Prandtl-Rohr etwa verdoppelt wird. Durch diese Anordnung wird somit nicht nur eine Mittelung über die Länge der Meßsonde erreicht, sondern auch eine Anzeigeverstärkung des gemessenen Druckes.

Eine bevorzugte Auführungsform ist dadurch gegeben, daß der Widerstandskörper als Platte ausgebildet ist und daß die Druckkammern von über Stege getragenen Halbschalen mit gegenüber der Breite der Platte kürzerer Sehne zwischen den Endkanten gebildet sind, wobei die durch die durch die Abstände gebildeten Schlitze die Druckentnahme-Öffnungen sind. Weiter wird vorgeschlagen, daß die Stege Überström-Öffnungen aufweisen, die die von den Stegen geteilten Druckkammern auf der Seite des Staugebiets und auf der Seite des Abströmgebietes jeweils untereinander verbinden. Bei dieser Ausführungsform ist die Breitseite der Platte der Strömung entgegengerichtet, wobei die die Druckkammern bildenden Halbschalen von Stegen getragen werden und seitliche Schlitze mit der Platte bilden; durch sie wird der Druck im Staugebiet der Platte und im Totwassergebiet der Platte auf die Meßkammern übertragen. Zweckmäßigerweise werden die die Halbschalen tragenden Stege mit Überström-Öffnungen versehen, um ungestörten Druckausgleich sowohl anströmseitig als auch abströmseitig zu erreichen. Für eine sichere Messung ist es bereits ausreichend, wenn der Plattenüberstand mindestens 10% der Breite der Halbschalen beträgt. Die Spaltweite zwischen den freien Rändern der Halbschalen und den Oberflächen der Platte ist für die Messung nicht von wesentlicher Bedeutung, sie soll jedoch nicht größer als der Plattenüberstand sein. Es versteht sich von selbst, daß anstelle eines durchlaufenden Spaltes auch eine Unterteilung des Spaltes in einzelne Spalte die gleichmäßig über die Sondenlänge verteilt sind, möglich ist.

Weiter wird vorgeschlagen, daß die Stege als durchgehende Stege ausgebildet sind, die mittig zwei Nuten zum Einschieben der in zwei Hälften unterteilten Platte aufweisen, wobei die Nuten vorzugsweise als Schwalbenschwanznuten ausgebildet sind. Alternativ wird vorgeschlagen, daß jede der Halbschalen eine Nut aufweist, in die die Stege eingeschoben sind. Bei diesen Ausführungsformen ist es möglich, den Grundkörper und die Plattenhälften als Strangpreßprofile herzustellen und durch Ineinanderschieben unter Abdichten zusammenzufügen.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gegeben, daß der Widerstandskörper als Hohlzylinder ausgebildet ist, der durch eine Mittenwand in die beiden Druckkammern unterteilt ist und daß die Druckentnahme-Öffnungen als einander diametral gegenüberliegende, sich über die gesamte Länge des Hohlzylinders erstreckende Schlitze ausgebildet sind. Weiter wird vorgeschlagen, daß der Hohlzylinder im Bereich seiner größten Breite quer zur Strömungsrichtung beidseitig Strömungsabrißkanten aufweist. Die Ausbildung des Widerstandskörpers als Hohlzylinder mit Mittenwand erlaubt das einstückige Herstellen des Profils als Strangpreß-Profil. Durch die Umströmungsverhältnisse bei einem Zylinder ist sichergestellt, daß die Druckdifferenz zwischen dem Druck in der anströmseitigen Kammer und dem in der abströmseitigen Kammer etwa dem zweifachen des dynamischen Druckes entspricht. Dabei ist die Druckentnahme-Öffnung des Staugebiets im wesentlichen genau gegen die Strömung gerichtet. Um das Totwassergebiet vernünftig auszubilden, kann es im Bereich kleiner Reynold'scher Zahlen vorteilhaft sein, die Strömung durch beidseitig angeordnete Abrißkanten zum Abreißen zu bringen. Auch diese Ausführungsform ist in einfacher Weise als Strangpreß-Profil realisierbar, wobei der Hohlzylinder mit einem seitlichen Steg versehen sein kann oder aber der anströmseitige Teil des Hohlzylinders einen größeren Durchmesser aufweist als der abströmseitige und beide scharfkantig ineinander übergehen.

Eine Weiterbildung ist dadurch gegeben, daß die dem Staugebiet zugeordnete Druckkammer durch einen von der Mittenwand ausgehenden Steg in zwei Druckkammern unterteilt ist und daß die Staugebietsseitige Druckentnahme-Öffnung durch den Steg in zwei Druckentnahme-Öffnungen unterteilt ist. Diese Weiterbildung gestattet es, durch den Abgleich des Druckes in den beiden dem Staugebiet zugewandten Druckkammern die Sonde genau in Strömungsrichtung auszurichten. Es versteht sich von selbst, daß dazu die beiden dem Staugebiet zugewandten Druckmeßkammern eigene Druckentnahmestutzen aufweisen, die zum Ausrichten der Sonde mit einem empfindlichen, eine Null-Abgleich erlaubenden Druckmeßgerät verbunden sind und die zur Geschwindigkeits- bzw. Volumenstrommessung parallelgeschaltet mit der Überdruckseite des zur Druckmessung eingesetzten Manometers z. B. mit Schläuchen verbunden werden. Vorteilhaft ist es dabei, wenn der die Druckkammer unterteilende Steg zungenartig aus dem durch ihn unterteilten Druckentnahmespalt herausragt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Meßsonde zur Volumenstrombestimmung eingesetzt, wobei der Widerstandskörper quer zur Strömung durch einen Strömungskanal geführt ist, wobei der Widerstandskörper durch die Kanalwandung hindurch verschraubt ist und wobei die Druckentnahmestutzen durch die Kanalwandung herausgeführt sind. Bei dieser Ausführungsform wird ein Mittelwert des dynamischen Druckes gemessen, der innerhalb der sich quer durch die Rohrleitung bzw. den Kanal erstreckenden Sonde gebildet wird. Zur Mittelwertsbildung kann beitragen, daß die Spaltweite der Druckentnahme-Öffnungen über die Länge variiert. So ist vorstellbar, daß der dem Geschwindigkeitsmaximum entsprechende Staudruck dadurch abgebaut wird, daß innerhalb der Druckkammern eine Strömung zu den Bereichen erfolgt, bei denen wegen geringerer Strömungsgeschwindigkeit der Staudruck verringert ist. Wird bei bekanntem Strömungsprofil die Spaltweite entsprechend der mit dem Strömungsprofil abnehmenden Geschwindigkeit verengt, wird ein Ausgleich geschaffen. Dies bedarf jedoch der Kalibrierung an Ort und Stelle, ein Aufwand, der in besonderen lüftungstechnischen Fällen - etwa wegen spezieller Klimahaltung - mit nachgeschaltetem Konstant-Volumenstromregler gerechtfertigt sein kann. Die Kanalwände des Strömungskanals in dem die Meßsonde eingebaut ist, können auch als Endplatten angesehen werden. Derartige Endplatten, angewandt bei einer frei in die Strömung eingebrachten Meßsonde, verhindern ein unerwünschtes Einströmen des Fluids in das Unterdruckgebiet des Totwassers und die damit verbundene Verfälschung des Meßwertes.

Des Wesen der Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 7 beispielhaft dargestellt. Dabei zeigen

Fig. 1 eine frei in Strömung einzubauende Meßsonde mit abgenommenen Deckeln

Fig. 2 eine in eine Rohrleitung einzubauende Meßsonde explosionsartig gedehnt

Fig. 3 Querschnitt eines Widerstandskörpers mit plattenförmigen Strömungswiderstand

Fig. 4 Querschnitt eines Widerstandskörpers mit plattenförmigen Strömungswiderstand, die Platten einschiebbar

Fig. 5 hohlzylinderförmiger Strömungswiderstand

Fig. 6 hohlzylinderförmiger Strömungswiderstand mit Abrißkante

Fig. 7 hohlzylindrischer Widerstandskörper mit doppelter staugebietsseitiger Druckkammer.

In der Fig. 1 ist der entsprechend den Pfeilen angeströmte Widerstandskörper 1 als Hohlzylinder ausgebildet, mit der Mittelwand 4, in der die Deckelverschraubung 4.1 (Fig. 2) vorgesehen ist. Beidseits der Mittenwand 4 sind die Druckkammern 1.2, die von außen über die Schlitze 1.1. sowohl staugebietsseitig als auch totwasserseitig zugängig sind. An beiden Enden wird der Widerstandskörper 1 von Deckeln 2 bzw. 3 verschlossen, wobei der Deckel 2 mit Anschlußstutzen 2.1 für die Verbindungen zum Manomer z. B. über Schläuche versehen ist. Diese Anordnung gestattet die Geschwindigkeitsbestimmung u. a. in freifließenden Gerinnen oder aber in freien Luftströmungen, bei denen eine hinreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit bei so großen Abmessungen herrscht, daß die Sonde nicht über die gesamte lichte Weite geführt werden kann. Ein mögliches Anwendungsbeispiel ist wegen der leichten Reinigungsmöglichkeit auch die Anbringung der Sonde an einem Bootskörper, um dessen Fahrt durchs Wasser zu bestimmen.

Die Fig. 2 zeigt den Einbau einer Sonde in eine Rohrleitung, deren Wandung ausschnittsweise durch die beiden Wandstücke 9 dargestellt ist. Dabei kommt es nicht darauf an ob diese Rohrleitung ein rundes Rohr oder ob sie als eckiger Kanal ausgeführt ist. Der Widerstandskörper 1 entspricht dem Widerstandskörper 1 der Fig. 1 mit der Mittenwand 4, die das hohle Innere des Widerstandskörpers 1 in die beiden Druckkammern 1.2 unterteilt, die über die nach außen zum Staugebiet und zum Totwassergebiet hin geöffneten Schlitze 1.1 die dort herrschenden Drücke übernehmen. Die Mittenverschraubung 4.1 wirkt mit den Schrauben 4.2 zusammen und erlaubt das Befestigen der Sonde im Rohr. Dabei sind als Abschluß der einen Seite ein Deckel 2 und als Abschluß der anderen Seite ein Deckel 3 vorgesehen, die jeweils unter Zwischenlegen entsprechender Dichtungsscheiben 3.1 bzw. 2.2 mit dem auf die lichte Weite des Rohres 9 abgestimmte Widerstandskörper 1 verbunden werden. Der Deckel 2 weist darüber hinaus Einschrauböffnungen für die Druckentnahmestutzen 2.1 auf. Gegenüber der Rohrwandung wird eine weitere Dichtungsscheibe 6.1 beigelegt, die auf der Druckentnahmeseite von außen mit der Scheibe 6 durch die mit der Mittenverschraubung zusammenwirkende Schraube 4.2 gehalten und festgezogen wird. Die gegenüberliegende Seite ist mit einem flanschartigen Deckel 7 versehen, der mit mehreren Schrauben 8 der Rohrwandung 9 verschraubt ist, wobei eine zusätzliche Dichtungsscheibe 7.1 vorgesehen ist. Die Mittenverschraubung 4.1 zieht den Widerstandskörper 1 gegen die Rohrwand 9, wobei ein unterer Deckel 3 mit zwischengelegter Dichtscheibe 3.1 die Druckkammern 1.2 des Widerstandskörpers nach dieser Seite hin abdichten.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen plattenförmigen Widerstandskörper mit einer durchgehenden von der Breitseite her Richtung des Pfeils A entsprechend angeströmten Widerstandsplatte 10, die auch die staugebietsseitigen und totwasserseitigen Druckkammern 14 voneinander trennt. Mittig angeordnete und rechtwinklig von der Platte 10 abstehende Stege 12 tragen Halbschalen 11, die mit Abstand vor der jeweiligen Oberfläche der Platte enden und Druckentnahme-Öffnungen 13 freilassen. Um einen Druckausgleich, der ansich auch durch die Stege 12 voneinander getrennten Druckkammern einer Seite, etwa der Staugebietsseite oder der Totwasserseite, zu erreichen, sind in den Stegen 12 Überströmkanäle 14.1 vorgesehen.

Die andere Ausführungsform ist dadurch gegeben, daß die Platte 10 aus zwei Plattenhälften 10.1 und 10.2 gebildet ist, wobei der mittlere Steg 12 mit Nuten, vorzugsweise mit Schwalbenschwanz-Nuten zum Einschieben der Plattenhälften 10.1 bzw. 10.2 versehen ist. Wie die Fig. 4 zeigt, können die Stege 12 jedoch auch so ausgebildet sein, daß zwischen ihnen weitere Räume 15 entstehen, die anderer Nutzung zugeführt werden können.

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen hohlzylinderförmige, der Richtung des Pfeils A entsprechend ausgeströmter Widerstandskörper 20 mit einer Mittenwand 22, die das hohle Innere der Widerstandskörper 20 in die beiden Druckkammern 24 unterteilt. Die dem Staugebiet und dem Totwassergebiet zugeordneten Druckentnahme-Öffnungen sind als einander diametral gegenüberliegende Schlitze 23 ausgebildet, wobei der dem Staugebiet zugeordnete Schlitz 23 entgegen der Strömungsrichtung geöffnet ist. Im allgemeinen reißt die Strömung am Zylinder in einem Bereich ab, der - der Staupunkt liegt bei 0° - bei unterkritischer Strömung etwa bei 80° liegt. Um die bei unterkritischer Strömung auftretende Druckverstärkung sicher ausnutzen zu können, ist es daher zweckmäßig, daß Ablösen der Strömung im Bereich von 80° zu erzwingen. Dazu dienen Strömungsabrißkanten, die in Fig. 6 als Stufen 21 dargestellt sind. Diese Stufen werden durch unterschliedliche Außenradien der Zylinder auf der Zuström- und auf der Abströmseite erreicht. Es versteht sich von selbst, daß bei gleichen Radien der Zylinder die Stufe 21 auch durch eine längsverlaufende Leiste ersetzt werden kann.

Um die Sonde genau in Strömungsrichtung ausrichten zu können, ist in Anordnung mit einer Unterteilung der staupunktseitigen Druckkammer in eine Druckkammer rechts 24.1 und eine Druckkammer links 24.2 durch einen rechtwinklig von der Mittenwand abstehenden mindestens bis zum Außenrand der Druckentnahme-Öffnung reichenden Steg 22.1 möglich. Dadurch werden eine rechte Druckentnahme 23.1 und eine linke Druckentnahme 23.2 gebildet, die jeweils mit den dazu korrespondierenden Druckkammern 24.1 bzw. 24.2 in Verbindung stehen. Ist der Steg 22.1 nicht genau entgegen der Strömungsrichtung gerichtet, sind wegen des relativ scharfen Maximums des Gesamtdruckes im Staupunkt die Drücke in der Druckkammer rechts 24.1 und in der Druckkammer links 24.2 unterschiedlich, was mit einem empfindlichen Null-Druck-Indikator nachgewiesen werden kann. Es versteht sich von selbst, daß zu diesem Zwecke die Druckkammer rechts 24.1 und die Druckkammer links 24.2 getrennte Druckentnahmestutzen zum Anschluß an einen derartigen Null-Druck-Indikator aufweist. Es versteht sich weiter von selbst, daß die Ausführungsform nach Fig. 7 mit Strömungsablösungsmitteln entsprechend Fig. 6 oder mit entsprechenden Leisten versehen werden kann.

Die Ausführungsformen sind geradlinig gestaltet, sie weisen keine schwierig in Strömungskanäle einzubringende und schwierig zu fertigende Haken auf. Durch die beliebige Zusammenfügbarkeit lassen sich Meßsonden beliebiger Länge herstellen, die in einfacher Weise an die Rohrleitungs- bzw. Kanalabmessungen angepaßt werden können. Auch frei eingesetzte Sonden sind ohne weiteres möglich. Ein anderes Anwendungsgebiet dürfte auch die durchflußbehaftete Messung sein, wobei ein über ein z. B. mit einem Flügel ausgestattetes Meßgerät von der staudruckseitigen Druckkammer ein der Meßgröße entsprechender Fluidstrom zur totwasserseitigen Meßkammer fließt, wobei der Meßgröße darstellende Fluidstrom über die dem Staugebiet zugeordneten Druckentnahme-Öffnungen in das System ein- und über die dem Totwassergebiet zugeordneten Druckentnahme-Öffnungen wieder austritt. Sowohl die manometrische Bestimmung der Druckdifferenz und damit der Geschwindigkeit bzw. des Volumenstroms auch die Bestimmung der Druckdifferenz aus einem abgezweigten, ein Meßinstrument durchsetzenden Teilstrom, lassen sich in elektrische Größen umwandeln, die ggf. verstärkt als Ist-Werte für Regelzwecke dienen. Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Meßsonden erlaubt dabei die Meßgröße mit hinreichender Energie zu entnehmen, so daß auch relativ schwer ansprechende Meßgeräte einsetzbar sind.

Claims (9)

1. Meßsonde für strömende Fluide, die, quer zur Strömungsrichtung in die Strömung des Fluids eingebracht, über den Staudruck den dynamischen Druck der Fluide zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit erfaßt, gekennzeichnet durch einen sich über eine bestimmte Länge erstreckenden, umströmten Widerstandskörper (1), der im Bereich des Staugebietes und im Bereich des Abströmgebietes je eine sich über seine gesamte Länge erstreckende Druckkammer (1.2) aufweist, wobei jede dieser Druckkammern (1.2) an beiden Enden verschlossen und an einem Ende mit Druckentnahmestutzen (2.1) versehen ist, und wobei jeder der Druckkammern (1.2) über mindestens eine Druckentnahme-Öffnung (1.1) mit dem Staugebiet bzw. dem Abströmgebiet in Verbindung steht und sich die Druckentnahme-Öffnungen (1.1) im wesentlichen über die gesamte Länge des Widerstandskörpers (1) erstrecken.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (1) als Platte (10) ausgebildet ist, und daß die Druckkammern (1.2) von über Stege (12) getragenen Halbschalen (11) mit gegenüber der Breite der Platte (10) kürzerer Sehne zwischen den Endkanten gebildet sind, wobei die Halbschalen (11) jeweils im Abstand von der Platte (10) enden und die durch die durch die Abstände gebildeten Schlitze die Druckentnahme-Öffnungen (13) sind.

3. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (12) Überström-Öffnungen (14.1) aufweisen, die die von den Stegen (12) geteilten Druckkammern (14) sowohl auf der Seite des Staugebiets als auch auf der Seite des Abströmgebiets verbinden.

4. Meßsonde nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (12) als durchgehende Stege ausgebildet sind, die mittig zwei Nuten zum Einschieben der in zwei Hälften (10.1. 10.2) unterteilten Platte (10) aufweisen, wobei die Nuten vorzugsweise als Schwalbenschwanznuten ausgebildet sind.

5. Meßsonde noch Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Halbschalen (11) eine Nut aufweist, in die die Stege (12) eingeschoben sind.

6. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (1) als Hohlzylinder (20) ausgebildet ist, der durch eine Mittenwand (22) in die beiden Druckkammern (24) unterteilt ist, und daß die Druckentnahme-Öffnungen (23) als einander diametral gegenüberliegende, sich über die gesamte Länge des Hohlzylinders (20) erstreckende Schlitze ausgebildet sind.

7. Meßsonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (20) im Bereich seiner größten Breite quer zur Strömungsrichtung beidseitig Strömungsabrißkanten (21) aufweist.

8. Meßsonde nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Staugebiet zugeordneten Druckkammern durch einen von der Mittenwand (22) ausgehenden Steg (22.1) in zwei Druckkammern (24.1, 24.2) unterteilt ist, und daß die staugebietsseitige Druckentnahme-Öffnung durch den Steg (22.1) in zwei Druckentnahme- Öffnungen (23.1, 23.2) unterteilt ist.

9. Meßsonde nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (1) quer zur Strömung durch einen Strömungskanal (9) geführt ist, wobei der Widerstandskörper (1) beidseitig durch die Kanalwandung (9) hindurch verschraubt und wobei die Druckentnahmestutzen (2.1) durch die Kanalwandung (9) herausgeführt sind.