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.