4.5.                 Die Messeinrichtung
4.5.1.                    Übersicht, Messprinzip
Die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Verteilung wird mittels einer Hitzedrahtsonde bestimmt. Die einfachste Ausführung besteht aus einem feinen Widerstandsdraht, welcher –mit Gleichstrom beschickt- sich aufheizt und der Anströmungsgeschwindigkeit des Luftstromes entsprechend seine Temperatur absenkt, was wiederum eine Widerstandsänderung des Widerstandsdrahtes zur Folge hat. Diese wird in einer Wheatston`schen Brücke nach dem Ausschlag oder Kompensationsverfahren registriert. Der Widerstandsänderung steht dementsprechend direkt eine Strömungsgeschwindigkeitsänderung gegenüber.
Als Messbrücke wird eine Trägerfrequenz-Meßbrücke verwendet. In einer Halbbrückenschaltung liegt die Messsonde, welche als Widerstandssonde punktförmiges Messen ermöglicht. Die Widerstandsänderung wird direkt an der Trägerfrequenz-Meßbrücke als relative Widerstandsänderung abgelesen. Über eine Eichung lässt sie sich dann einer definierten Geschwindigkeit zuordnen. Die Sonde wird in einer Durchführung radial einseitig bis über die Rohrmitte hinaus definiert geführt. (Siehe auch Abb. 8 – Messplatz).

4.5.2.             Trägerfrequenz-Meßbrücke
4.5.2.1           Übersicht und Daten

Die Trägerfrequenz-Meßbrücke PR 9307 (Philipps) ist ein sehr genaues Messgerät von hoher Qualität und dient zum Messen relativ kleiner Impedanzänderungen an Wheatstone-Brücken in Halb- oder Vollbrückenschaltung. Zur Speisung der Aufnehmer (Sonde) liefert das Gerät eine Sinusspannung, die in 4 Stufen einstellbar ist – 1, 2, 4 und 10 V. Die Trägerfrequenz beträgt 3 kHz. Ein eingebautes, abschaltbares Anzeigeinstrument mit -100 ... O ... +100 Skalenteilung dient zum Nullabgleich und zur Anzeige von statischen Messwerten.
Der Aufnehmernullabgleich beträgt Δ R/R = ± 2,5 % des Brücken wertes. Er ist in 20 Grobstufen unterteilt, ein Feinabgleich geschieht mit einem skalierten 10gang-Potentiometer. Ein zusätzlicher C-Abgleich sorgt für optimalen Brückenabgleich. Der zulässige Brückenscheinwiderstand liegt bei 50 bis 2.000.
Die zulässige Belastung beträgt
                     bei Us                                       Ri – Innenwiderstand der TF-MB
                                      1 V = 0,125 W ≤ 2,5 Ω 
                                      2 V = 0,25   W ≤ 2,5 Ω
                                      4 V = 0,5      W ≤ 2,5 Ω 
                                      10 V = 0,5   W ≤ 2,5 Ω 
Dynamische Messvorgänge können bis 1000 Hz durch Anschluß eines Oszillografen erfasst werden.  
 

 
Abb. 16 zeigt das Prinzip-Schaltbild der Messschaltung. In der TF-MB wird die Halbbrücke zu einer Vollbrücke ergänzt. Tabelle 6 enthält für die 4 Speisespannungsbereiche US die jeweiligen Vollausschläge der Messspannung UM in mV bei einem aktiven Brückenelement (Sonde). Dieser Messspannung wird direkt eine relative Widerstandsänderung  Δ R/R zugeordnet.
 
Tabelle 6
 
                   US = 1 V         US = 2 V         US = 4 V         US = 10 V
Um {mV} Δ R/R             Δ R/R             Δ R/R             Δ R/R
0,1           4 . 10-4           2 . 10-4            1 . 10-4            4.10-5
0,2           8 . 10-4           4 . 10-4            2 . 10-4            8.10-5
0,5           2 . 10-3           1 . 10-3            5 . 10-4            2.10-4
1              4 . 10-3           2 . 10-3            1 . 10-3            4.10-4
2              8 . 10-3           4 . 10-3            2 . 10-3            8.10-4
5              2 . 10-2           1 . 10-2            5 . 10-3            2.10-3
10            4 . 10-2           2 . 10-2            1 . 10-2            4.10-3
20            8 . 10-2           4 . 10-2            2 . 10-2            8.10-3
50            2 . 10-1           1 . 10-1            5 . 10-2            2.10-2
100          4 . 10-1           2 . 10-1            1 . 10-1            4.10-2
200          8 . 10-1           4 . 10-1            2 . 10-1            8.10-2
 
Die Trägerfrequenz-Meßbrücke erfasst also Widerstandsänderungen bei z. B. einem R1 = R2 = 25 (niedrigstmöglicher Wert) von 10millionstel Ω 1 Skt. Bei der Messspannung Um = 0,1 (Speisespannung US = 10 V) bis 20 Ω Vollausschlag bei Um = 200 mV (US = 1 V).
 
4.5.2.2. Eichung
Da die Messsonde üblicherweise einen recht kleinen Widerstand besitzt, ist es sinnvoll, den Vorwiderstand R2 so niedrig wie möglich zu halten, damit die Widerstandsänderung der Sonde sich voll auswirken kann – es werden ja relative Widerstandsänderungen, Δ Rsonde/(Rsonde + R2) durch die TF_MB gemessen. Im folgenden soll nun untersucht werden, inweiweit die Messgenauigkeit der TF-MB von der Anpassung an den Aufnehmer abhängt.

Eine relative Widerstandsänderung lässt sich auf elektrischem Wege simulieren, indem man zu den Widerstsänden einer Brücke Reihen- oder Parallelwiderstände zuschaltet. Zu diesem Zweck wurden ca. 30 Widerstände mittels einer High-Precision-Wheatstone-Bridge und Galvanomter „Verispot“ (Auflösung 0,25 A – 700) sehr genau bestimmt. Messgenauigkeit Δ R/R < 5 10-4 (< 0,05 %). Sie wurden welchselweise auf den linken bzw. rechten Brückenzweig zu R2 bzw. R1 parallel geschaltet und damit eine genau definierte Verstimmung erzielt. Die relative Widerstandsänderung wurde nach Glg. 45 berechnet und mit den Ausschlägen verglichen. Die Festwiderstände betrugen
 
                     ΔR =          1                     Glg. 45           Rx     =    R1 bzw. R2
                                  R       Rp  
                                         + 1
                                Rx     
                     Rges            =         1228,4 Ω (R1 = 614,4 Ω R2 = 614  Ω)
                     Rges            =         54        Ω (R1 = 27,0   Ω R2 = 27,0 Ω)
                     Rges            =         21        Ω (R1 = 10,5   Ω R2 = 10,5 Ω)
 

Messergebnisse:
 
Die Speisespannungsbereiche US = 1 V, 2 V, 4 V und 10 V wurden jeweils mit den verschiedenen Grundwerten der Halbbrücke durchgemessen. Erfolgten Abweichungen zwischen den gemessenen und den berechneten Werten in einer Messreihe, wurde die Verstärkung (Kennlinie) der TF-MB so korrigiert, dass sie minimal wurden. Bei dem Halbbrückenwiderstand von Rges = 21 Ω versagte die Anpassung. Tabelle 7 enthält die Messergebnisse für den Speisespannungsbereich US = 4 V bei einem Brückenwiderstand von 54 Ω. Enthalten sind die Verstimmungen des rechten Brückenzweiges, da sie identisch mit dem linken Brückenzweig waren. Nullpunktskontrolle und Abstimmung der Brückenkennlinie wurde schon bei den Versuchsreihen vorher bestimmt.
 
 
Die TF-MB misst 100%ig. Die Kennlinie ist optimal angepasst, denn die gemessenen Werte müssen im Mittel nur um 0,23 % abgesenkt werden. Die Ablesegenauigkeit beträgt dagegen bei 100 Skalenteilen ± 0,5 Skt. bzw. ± 0,5 %.

 
Tabelle 7
 
Simulierte relative Widerstandsänderung an der TF-MB
US = 4 V       R1 = R2 = 27      GAIN ADJ 81        Nullbalance 10/0.86
Rp                Ausschl.   Messb.      ΔR/R         ΔR/R          ΔR/Rber -ΔR/Rgem
(Ω)                (Skt.)          (mV)           gem.         ber.
                                                                                                          ΔR/Rber
 
866.500      31              0,1             0,31.10-4   0,311.10-4          + 0,32 %
844.790      32              0,1             0,32           0,3196                - 0,13 %
599.800      45              0,1             0,45           0,448                  - 0,45 %
409.200      66              0,1             0,66           0,657                  - 0,46 %
188.275      143            0,2             1,43           1,428                  - 0,14 %
103.396      26,3           0,5             2,63           2,601                  - 1,11 %
86.218         31,3           0,5             3,13           3,1306                + 0,02 %
58.757         46,2           0,5             4,62           4,576                  - 0,96 %
39.160         68,5           1                 6,85           6,864                  - 0,2   %
23.343         115            2                 11,5           11,55                  + 0,43 %
10.425         25,8           5                 25,8           25,74                  - 0,23 %
8.565           31,3           5                 31,3           31,42                  + 0,38 %
5.824,5        46,3           5                 46,3           46,14                  - 0,35 %
3.940,8        68              10              68              68,05                  + 0,07 %
1.855,2        144            20              144            143,45                - 0,38 %
985,7           27              50              270            266,6                  - 1,27 %
822,21         32              50              320            317,95                - 0,64 %
392,55         66              100            660            643,5                  - 2,56 %
207,28         112            200            1120         1152,5                + 2,82 %
                                                                                                 ∑ =   - 4,44 %
 
                                                           Mittelwert :                            - 0,23 %