4.5.5.  Messreihen

und Optimierung

Als nächster Schritt wurden Messreihen mit verschiedenen Sondenwiderständen RS für einige Speisespannungsbereiche gefahren. Dazu wurde die Sonde in die Mitte des Rohres eingefahren und in Strömungsrichtung ausgerichtet. Hier herrscht nach Glg. 14) die maximale Geschwindigkeit. Der Durchfluß und damit die Geschwindigkeit wurden gegen die relative Widerstandsänderung Δ RS/R2 + RS) gemessen.
Schaltbild siehe Abb. 16. R1 = 27 Ω

In Diagramm 7 und 8 sind Kennlinien verschiedener Sonden enthalten. Kennlinie 1 – 3 zeigt eine Sonde mit RS = 5,2, bei welcher die Speise-Spannungsbereiche US variiert wurden. Bei US = 1 V ist die Empfindlichkeit schon bei niedriger Geschwindigkeit erschöpft. Kennlinie 3 ist nicht angepasst, d. h. im Speise-Spannungsbereich US = 10 V arbeitet die Brücke bei einem Halbbrückenwiderstand von 54 Ω (siehe Eichung) nicht mehr optimal. Ziel der Optimierung ist es, Kennlinien zu erstelle, welche möglichst linear über einen weiten Geschwindigkeitsbereich arbeiten. Eine Widerstandserhöhung der Sonde lässt diese empfindlicher arbeiten, wie der Vergleich der Kennlinien 2 und 4 zeigt. Dreht man zusätzlich die Verstärkung der TF-MB hoch –G.A. auf 100- zeigt diese Veränderung (Kurve 4 und 5) eine Verbesserung. Die relative Widerstandsänderung der Sonde wird nicht verbessert, sondern die Messbrücke zeigt eine unreelle Erhöhung an und damit eine Spreizung des oberen Geschwindigkeitsbereiches – also eine scheinbare Erhöhung der Empfindlichkeit der Sonde.

Da ja die realistische Δ R/R-Veränderung nicht interessiert, sondern nur eine Beziehung –Eichung- zur Geschwindigkeit hergestellt werden soll, bedeutet dies eine –im ersten Hinblick- Verbesserung. Leider nimmt man sich dadurch die Möglichkeit, das später noch aufgezeigte Kompensationsverfahren anwenden zu können, da nur bei optimaler Anpassung konstant kompensiert werden kann. Anhebung des Halbbrückenwiderstandes bei gleichzeitiger Nutzung des empfindlichsten Speisespannungsbereiches US = 10 V brachte auch nicht den gewünschten Erfolg. Weiter wude dann – in Diagramm 8 dargelegt – Fremdstrom in Form von Gleichspannung an die Sonde gelegt; dies ergab eine erhebliche Empfindlichkeitssteigerung.

Die Temperatur der Sonde erhöhte sich ebenfalls, welche sich als eine instabilere Nullpunktseinstellung auswirkte. Die TF-MB lässt beim Kompensationsverfahren nur 2,5 % Δ R/R zu –bezogen auf den Halbbrückenwiderstand-, so dass einer Erweiterung der relativen Widerstandsänderung dies als natürliche Grenze entgegenstand.

Die Optimierung der Sonde gestaltet sich folgendermaßen: Zuerst wurde das Schwergewicht auf eine Verkleinerung der Dimensionen gelegt. Es wurde eine Einlochkapillare mit einem Außendurchmesser von 0,8 mm verwendet sowie die in Strömungsrichtung ausgerichtete Spitze verkürzt, um punktförmigeres Messen zu ermöglichen. Da diese dünnen Keramikröhrchen beim Ein- und Ausbau oft zerbrechen, wurden sie durch eine noch dünnere Metallspritze (Arztspritze) ersetzt. Der feine NiW-Draht ist ja gegeneinander isoliert, das dünne Spritzenröhrchen lag in Kunststoff eingebettet, welches fest in die radiale Führungsstange der Sondendurchführung eingeschoben werden konnte.

Bei Eichversuchen wurde allerdings eine recht beachtliche Nullpunktsinstabilität beobachtet, welche auf Wärmestrahlung, Ableitung usw. je nach Stellung der Sonde in der Wand oder in der Rohrmitte zurückzuführen ist. Die Temperaturinstabilität täuschte Geschwindigkeiten bis zu 10 cm/sec vor. Die Isolierung der Nadeloberfläche bracht eine Verbesserung. Da aber bei Eichversuchen größter Wert auf Nullpunktsstabilität zu legen ist – jede Änderung von Δ R/R täuscht eine Geschwindigkeitsänderung vor -, wurden folgende Verbesserungen durchgeführt.

Die Innenfläche des Drehkörpers wurde mit einer hauchdünnen, spiegelglatten Kunststoffoberfläche versehen, dadurch ging der Wandeinfluß auf die Sonde erheblich zurück. Der Sondenwiderstand wurde in kleinere Bereiche gelegt (RS = 8 Ω geringere Temperatur). Es wird ohne Fremdstrom gearbeitet, die Sondenzuführungsleitungen sind aus Konstantandraht (kleiner Temperaturbeiwert). Als Sondenhalterung wurde wieder eine temperaturstabile Keramikdoppelkapillare verwendet. Dem durch diese Änderungen verursachten Empfindlichkeitsverlust der Sonde wurde dadurch vorgebeugt, indem die Widerstands-Sonde als sehr kleine Spule gewickelt wurde (Innendurchmesser  0,2 mm) und der Induktivitätseinfluß eine sehr starke Empfindlichkeitssteigerung mit sich bringt, (Windungszahl der Spule: 86 Wdg.)
Wurden vorher relative Widerständsänderungen von 30 . 10-3 bei vergleichbarer Sonde erreicht (Kurve 4 in Diagramm 7), so stehen heute diesen 100 . 10-3 gegenüber. Gleichzeitig besteht folgender Vorteil: Diese Sonde lässt sich wegen ihrer großen Empfindlichkeit und Konstanz als direkt absolut messende Sonde einsetzen. Wird ihr ein Widerstand RP parallel geschaltet, kann sie auch beim Kompensationsverfahren eingesetzt werden. (Siehe Diagramm 2) zu Diagramm 8). Für beide liegen Eichkurven vor.
Zusätzlich wurde ein Eich- und Auswertungsprogramm entwickelt, welches Geschwindigkeitsänderungen unabhängig von Nullpunktsverschiebungen und sonstigen Einflüssen präzise und definiert zu bestimmen gestattet.

4.6.           Leckrate
Um zu überprüfen, inwieweit die Anlage abgedichtet ist, d. h. die Undichtigkeitsstellen zu finden, welche durch Falschlufteinströmung die laminare Rohrströmung beeinflussen, wurde die Einsaugöffnung abgedichtet, und die Luftstrahldüse erzeugte einen steigenden Unterdruck. Dieser Unterdruck wurde durch eine Anbohrung in der Rohrwand mittels eines U-Rohr-Manometers abgenommen und gemessen. Das U-Rohr-Manometer bestand aus einem dünnen, langen, aufgehängten Kunststoffschlauch, in welchen Wasser eingefüllt war. Durch die Höhendifferenz konnte direkt der Druck in mm Ws abgelesen werden. Gleichzeitig zeigten die Rotameter den durch Undichtigkeitsstellen erzeugten Volumenfluß an. Beides ist in Diagramm 9 gegeneinander aufgetragen. Durch Abstellen der Ventile 1 und 2 und Abschalten der Luftstrahldüse konnte man die Hauptundichtigkeitsstellen finden. Diese wurden dann durch spezielle Maßnahmen abgedichtet.
Die gestrichelte Kurve im rechten oberen Bereich von Diagramm 9 stellt Lufteinbrüche dar, welche allerdings wieder abgedichtet wurden. Wie zu ersehen ist, beträgt die Leckrate bei einem Unterdruck von beispielsweise 1 Torr nur 3 cm3/sec.
Da der Unterdruck im Arbeitsbereich der Strömungsanlage jedoch wesentlich geringer ist, ist die Leckrate der Anlage hinreichend klein.

Abb. 20 zeigt optisch den durch die Luftstrahldüse erzeugten Unterdruck. Der 5 mm starkwandige Kunststoff-Ausgleichsbehälter wurde zusammengedrückt wie eine Plastiktüte.

4.7.      Bestimmung der Verlustdruckes

Der Verlustdruck,  welcher die Strömung längs des Rohres erleidet, lässt sich durch Differenzbildung der statischen Drucke feststellen. Zu diesem Zweck wurden in einem Abstand von je 2 m links und rechts von der Sondendurchführung kleine Druckentnahmestellen in die Rohrwand gebohrt und durch ein sehr schräg gestelltes U-Rohr-Manometer der Differenzdruck bei verschiedenen Geschwindigkeiten bestimmt. Da sich der Verlustdruck im laminaren Bereich nach Gleichung 6) berechnen lässt, waren Bezugspunkte vorgegeben. Der Verlustdruck liegt in der Größenordnung von 1/10 bis 1/100 mm Ws. Diese geringen Höhendifferenzen (h = mm Ws) mussten durch Neigung vergrößert werden. Versuchsweise wurde mit einer Projektion von 1 : 1000 angefangen, d. h. die Höhendifferenz von 1 mm wurde in eine Längendifferenz von 1000 mm projeziert.
Das sah in der Praxis folgendermaßen aus:
Zwei optische Bänke mit der jeweiligen Länge von 1 m wurden hintereinandergestellt und je links bzw. ein Plättchen von h = 1 mm untergelegt. An den optischen Bänken befand sich seitlich der Länge nach eine Nut mit einer 1000 mm Ableseskala. In diese Nut wurde je Bank eine dünne Glaskapillare eingelegt und in der Mitte durch flexiblen Schlauch verbunden. In die Glaskapillare wurde Wasser eingefüllt. Um die Oberflächenspannung herabzusetzen, wurde Netzmittel zugegeben. Die Höhendifferenz ist nun als Längendifferenz feststellbar. Die Gleichheit der Steigung kann durch Nullpunktsbestimmung bestimmt und ggf. korrigiert werden.
Bei zwei verschiedenen Auslenkungen –Wassersäulenverschiebung vom Nullpunkt- und unterschiedlicher Steigung (Anhebung = h in mm) wurden die Einlaufzeiten gemessen und qualitativ in Abb. 21 eingetragen. Bei einer definierten Auslenkung, bekannte Steigung vorausgesetzt, entspricht dies einem definierten Druckunterschied.

Aus Abb. 21 ist zu entnehmen, dass große Einlaufzeiten abgewartet werden müssen. Bei größerer Steigung wird der Endwert schneller erreicht; der Ablesefehler ist hier allerdings größer.
Diagramm 10 enthält die gemessenen Werte der Messstelle 1 gegen 2 bzw. der Messstelle 1 gegen Luft. Die Verluste sind hier natürlich um die Einlaufverluste höher. Um realistische Werte zu erhalten, darf die Steigung nicht zu gering gehalten werden, große Messzeiten sind erforderlich, der erwartete Endwert ist möglichst von oben und von unten anzusteuern. (Pfeile in Diagramm 10) Zehntel mm Ws können noch relativ gut gemessen werden.

Verlustdruckmessung Messstelle 1 gegen Luft (mit Strömungsgleichrichter, Einlauftrichter und Sonde) Ansteuerung von links und rechts – Mittelwertablesung h = 4

Tabelle 8

Durchfluß  ..... v              Skala         Skala        Δl                p     ...Ablese-
 Skt.              cm/sec    .. links          rechts       mm        mm WS    .fehler
                                        mm            mm

    0               0                 446            590            -                  -                  -
Rota 1        
  70               3                 435,5         580            20,5           0,082         9,8 %
150              8,1             426,5         571,5        38              0,152         5,2 %
Rota 2
  19               8                 424            571            41              0,164         4,9 %
  48               23,5           396            543            97              0,388         2,1 %
  55               27              370            519            147            0,588         1,4 %
  70               36              341            491            204            0,816         1    %
  80               42              307            459            270            1,08           0,7 %
100              55              255            407            374            1,496         0,5 %
110              61              205            360            471            1,884         0,4 %
123              69              160            315            561            1,144         0,4 %
140              80              110            267            659            2,636         0,3 %
146              84              65              224            747            2,988         0,3 %
149              86              32              193            811            3,244         0,2 %
153              88,5           11              173            852            3,408         0,2 %

Tabelle 9

Verlustdruckmessung Messstelle 1 gegen 2 h = 2

Durch-         Geschw.   Skalen                         Aus-           Verlust-       Ablese-
fluß              v                 links          rechts       lenkg.        Druck          . fehler
(Skt.)            (cm/sec)   (mm)         (mm)         Δl(mm)      (mm Ws)    ...(%)

Rota 1
-                    -                  446            590,5        -                  -                    -
200              11              444,5         589,5        2,5             0,005           ± 80 %
Rota 2
40                 19              443            588,5        5                 0,01             ± 40 %
126              70,5           437            582,5        17              0,034           ± 12 %
h = 4                                                                                                             Ansteuerung
80                 42              437            583            16,5           0,066           v. oben
80                 42              438            584            14,5           0,058           v. unten
125              70              433            580            23,5           0,094           v. oben
140              80              433            579            24,5           0,098           v. unten
153              88,5           428            574            34,5           0,138           v. oben
153              88,5           425,5         572,5        38,5           0,154           v. oben
179              106            419            565            52,5           0,21             Dauer: 1 Std.