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.