4.5.3.
Die Sondendurchführung
Abb. 17 zeigt die Sondendurchführung als perspektivisches Schnittbild,
Abb. 18 im eingebauten Zustand. Drei um je 120° versetzte Schraubenverbindungen
halten die Rohransclüsse zusammen. In der Mitte ist ein Drehkörper
–360° drehbar- mit der radialen Sondeneinführung eingepasst.
Durch eine Schraube mit Feingewinde lässt sich die aufgebohrte Sondenführungsstange
radial einfahren ohne sich selbst mitzudrehen (Drehbleistiftprinzip). Die Anschlussrohre
werden ein eingepasst. Hinter bzw. vor der Messsondeneinführung –
je nach der Strömungsrichtung – sind zwei Halteringe zur Aufnahme
der Probekörper eingepasst. Je nach der Einspannstelle kann dadurch der
Abstand Sonde – Probekörper 3fach variiert werden. Sollen Probekörper
eingesetzt werden, brauchen nur drei um 120° versetzte Schrauben gelöst
zu werden – auf der rechten Seite in Abb. 17. Die gesamte Sondendurchführung
wird durch einfache Schmiermitteldichtung abgedichtet. Die Führungsnut
der Sondenführungsstange ist allerdings mit Teflon abgedichtet. Die technischen
Zeichnungen befinden sich im Anhang.
4.5.4. Die Sonde
4.5.4.1. ..Vorversuche
Der Widerstandsdraht liegt überlicherweise in der Strömung ausgebreitet,
daher findet man über diese Strecke eine Mittelung der Geschwindigkeit.
So liegt die Forderung an, möglichst punktförmiges Messen zu erreichen.
Die ersten Vorversuche wurden daher mit Thermoelementen durchgeführt. Da
auch hier Fremdstrom benötigt wurde, wurde das Thermoelement in eine Halbbrücke
geschaltet. Die Herstellung feinster Thermoelemente gestaltete sich schwierig,
aber lösbar. Die Drahtdicke d betrag d = 0,05 mm - . Es wurden Spannungen
von wenigen mV gemessen. Da der Widerstand sehr klein war, lag der Gedanke nahe,
eine Widerstandssonde kombiniert als Thermoelement zu erstellen. Der Draht der
Widerstandssonde wurde als feine Wendel ausgebildet und es wurden bei ca. 10
Windungen einige Ohm Widerstand erreicht.
Die Messung der Thermospannung des Thermopaares Ni-Cu wurde mit einem Digitalmessgerät
durchgeführt. Da die TF-MB Wechselspeisespannung besitzt, erfolgt die DC-Messung
problemlos. Beim Ausströmen ging die Thermospannung runter. Folgende maximale
Werte wurden erreicht:
US = 1 V
0,0 mV
US = 2 V
0,1 mV
US = 4 V
0,12 mV
US = 10 V
0,25 mV
Dies entsprach bei einem Grundwert von 0,02 mV/°C einer maximalen Temperatur
von ca. 12°C bei US = 10. V. Es wurde gegen Zimmertemperatur gemessen. Die
Vergleichsmessstelle befand sich geschützt innerhalb der Sondenführungsstange.
Die Drahtstärke der Zuleitungen war stärker, damit möglichst
viel Spannungsabfall auf die Sondenspitze konzentriert wurde.
Die Messung der Widerstandsänderung war problemlos.
Folgende Möglichkeiten standen nun an:
Transformatorhalbbrückenschaltung, um die Thermospannung auf höhere
Werte zu transformieren bzw. Optimierung der Sonde als Widerstandsänderung
mittels TF-MB.
Die letzte Möglichkeit erschien erfolgversprechender und die Forderung
nach einer räumlich konzentrierten Widerstandssonde mit relativ großem
Widerstand –damit die relative Widerstandsänderung voll auf die TF-MB
zurückwirken kann- stand an. Das Drahtmaterial musste einen möglichst
hohen spezifischen elektrischen Widerstand bei gleichzeitigem hohen Termperaturbeiwert
besitzen – der Drahtdurchmesser musste so niedrig wie nur möglich
sein, da sich der Widerstand eines Drahtes nach folgender Formel berechnet:
4.5.4.2. Herstellung, Dimensionierung
Die oben genannten Forderungen erfüllt Eisendraht am besten, jedoch rostet
er ab einem bestimmten Durchmesser sehr schnell durch. Bei der Suche nach einem
geeigneten Material wurde uns freundlicherweise von der Firma Heraeus, Hanau,
sog. Nickel-Widerstandsdraht mit einem hohen Temperaturbeiwert zur Verfügung
gestellt. Die Drahtstärke d betrug d = 0,05 mm. Gleichzeitig war die Oberfläche
des Drahtes durch eine spezielle Oxydationsschicht isoliert. Der spezifische
elektrische Widerstand beträgt = 0,13 Ω mm2/m.
Der mittlere Temperaturbeiwert des Widerstandes beträgt 6,17 . 10-3 1/grd.
Diagramm 6 enthält ihn in Abhängigkeit von der Temperatur.
Die Herstellung der Sonde gestaltete sich nun sehr einfach. Auf einen dünnen Kupferdraht (d = 0,2 mm), welcher als Zuleitung diente, wurde innerhalb der Halterung der NiW-Draht angelötet. (Der NiW-Draht musste allerdings in Salzsäure eingetaucht werden, damit er gut lötfähig war).
Die Spitze des Cu-Drahtes wurde umgebogen und hier 20-80 Windungen aufgebracht, ohne Rücksicht auf Kontakte, da der Draht absolut isoliert ist. Die Rückführung erfolgte wiederum durch einen Su-Draht. Abb. 19) zeigt eine solche (noch nicht optimierte) Sonde. Als Halterung wurde eine 2 Loch-Keramik-Kapillare verwendet. Hier wurden nun Sonden-Widerstände RS von ≤ 20 Ω erreicht. Nun spielte der Vorwiderstand zur Ergänzung an den Brückenwiderstand nur noch eine untergeordnete Rolle.
Sonde im Anfangsstadium.
Vergrößerung 5-fach.
Alle Maße in mm RS ≈ 12 Ω
Als Führung wurde eine 2-Loch-Kapillare verwendet.