Beschreibung
Messanordnung zur Strömungsmessung in einem Kanal
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und Volumenströmen in einem Strömungskanal mit Hilfe einer Staudrucksonde.
Staudrucksonden, auch Pitot-Rohre genannt, sind in der Strö- mungsmesstechnik weit verbreitete Sensoren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten. Eine spezielle Form eines Pitot- Rohres ist zum Beispiel das Prandtl'sche Staurohr, welches in der Luftfahrt zur Geschwindigkeitsmessung verwendet wird. Staudrucksonden kommen jedoch auch in der Lüftungstechnik bei der Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, Volumenströmen oder Massenströmen in Lüftungskanälen zum Einsatz, da sie sich durch die Möglichkeit einer einfachen Montage und durch einen geringen Druckverlust im eingebauten Zustand auszeichnen.
Eine bekannte Bauform derartiger Staudrucksonden ist beispielsweise in Figur 1 dargestellt. Ein Sondenrohr 10 ist durch eine Öffnung ins Innere eines Strömungskanals 1 eingeführt . Auf der der Strömung zugewandten Seite des Sondenroh- res 10 sind entlang einer Achse des Sondenrohres 10 Öffnungen 11 angeordnet, so dass im Inneren des Sondenrohres ein von der Strömungsgeschwindigkeit vs abhängiger Gesamtdruck pG herrscht. Das Innere des Sondenrohres 10 ist mit einem ersten Anschluss eines Differenzdrucksensors 20 verbunden. Ein zwei- ter Anschluss des Differenzdrucksensors 20 ist mit einer weiteren Öffnung des Strömungskanals verbunden, welche nicht direkt von der Strömung angeströmt wird. Der zweite Anschluss des Differenzdrucksensors 20 liegt somit auf einem Druckniveau, welches dem statischen Druck po im Inneren des Strö- mungskanals entspricht. Die Druckdifferenz Ps = PG - Po wird als Staudruck oder als dynamischer Druck bezeichnet. Aus dem
Staudruck ps lässt sich in einfacher Weise die Strömungsgeschwindigkeit vs wie folgt berechnen:
Das Symbol p bezeichnet dabei die Dichte des strömenden Mediums. Obiger Zusammenhang folgt unmittelbar aus der Bernoulli- Gleichung .
Die Strömungsgeschwindigkeit vs ist normalerweise nicht konstant über dem Querschnitt des Strömungskanals. Da das Sondenrohr 10 entlang seiner Längsachse mehrere Öffnungen 11 aufweist, wird ein mittlerer Staudruck ps und daraus eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit vs im Strömungskanal 10 er- mittelt. Eine derartige Messung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ist jedoch zu ungenau und eine Einbeziehung des jeweiligen Strömungsprofils in das Messergebnis ist notwendig. Bisher wird dieses Problem so gelöst, dass die Staudrucksonden individuell für jeden möglichen Kanalquerschnitt angepasst und kalibriert werden. Bei fest eingebauten Staudrucksonden ist dies nur ein geringes Problem, bei mobilen Messungen mit tragbaren Betriebskontrollmessgeräten wäre jedoch für jeden möglichen Kanalquerschnitt ein dafür angepass- tes Sondenrohr notwendig, was für mobile Anwendungen nicht praktikabel ist. Es wäre eine Unzahl verschiedener Sonden - nämlich eine für jeden möglichen Kanalquerschnitt - notwendig .
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messanordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Strömungskanal anzugeben, welche geeignet ist, in beliebigen Rohrdurchmessern die Strömungsgeschwindigkeit ausreichend genau zu messen.
Diese Aufgabe wird durch eine Messanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen,
sowie ein Verfahren zur Verwendung der Messanordnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Anders als im Stand der Technik wird bei der vorliegenden Er- findung das Problem des Einflusses des Strömungsprofils über den Querschnitt des Strömungskanals auf das Messergebnis für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit nicht dadurch gelöst, dass eine Staudrucksonde speziell für einen bestimmten Kanal- querschnitt angepasst und kalibriert wird, sondern dadurch, dass die Staudrucksonde dahingehend weiterentwickelt wird, dass auch eine Messung des Strömungsprofils möglich wird, und somit das Messergebnis für das Strömungsprofil auch in die Berechnung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit einfließen kann.
Die erfindungsgemäße Messanordnung zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in einem Strömungskanal umfasst neben dem Strömungskanal ein Sondenrohr, mit mehreren entlang einer Linie parallel zu einer Längsachse des Sondenrohres angeord- neten Öffnungen und einen Differenzdrucksensor. Das Sondenrohr ist durch eine erste Öffnung in das Innere des Strömungskanals derart eingeführt, dass die Öffnungen im Sondenrohr der Strömung im Strömungskanal zugewandt sind. Sämtliche der Strömung zugewandten Öffnungen führen in das Innere des Sondenrohres, wo ein von der Anströmgeschwindigkeit abhängiger Gesamtdruck (statischer Druck plus Staudruck) herrscht.
Der Differenzdrucksensor weist einen ersten Anschluss auf, der mit dem Inneren des Sondenrohres verbunden ist. Ein zwei- ter Anschluss des Differenzdrucksensors ist über eine Öffnung mit dem Strömungskanal derart verbunden, dass an jenem zweiten Anschluss der statische Druck im Inneren des Strömungskanals anliegt. Diese Öffnung darf deshalb nicht von der Strömung im Kanal angeströmt werden und muss mit ihrem Quer- schnitt parallel zu den Stromlinien liegen. Der vom Differenzdrucksensor gemessene Differenzdruck entspricht genau dem Staudruck bzw. dem dynamischen Druck im Inneren der Sonde.
Das Sondenrohr ist darüber hinaus zumindest teilweise mit einer verschiebbaren und/oder in ihrer Länge veränderbaren Abschirmung umgeben, welche dazu ausgebildet ist, je nach Posi- tion und/oder Länge der Abschirmung entlang des Sondenrohres keine, eine oder mehrere Öffnungen zu verschließen oder zu verdecken .
Nach dem Einführen der Sonde in den Strömungskanal kann nicht nur ein mittlerer Staudruckwert gemessen werden, sondern auch eine ganze Messreihe mit soviel Einzeldruckmessungen, wie Öffnungen in dem Sondenrohr vorhanden sind. Dabei wird jede Messung der Messreihe mit einer unterschiedlichen Anzahl angeströmter Öffnungen durchgeführt. Jene Öffnungen, welche nicht angeströmt werden sollen, müssen dabei von der Abschirmung verdeckt werden. Die Sonde kann bei einer Messung nur teilweise in den Strömungskanal eingeführt werden. Dabei ist die Abschirmung so angeordnet, dass die nicht im Strömungskanal befindlichen Öffnungen von der Abschirmung verdeckt wer- den und die im Kanal befindlichen Öffnungen angeströmt werden. In diesem Fall ist die Abschirmung also nur außerhalb des Kanals. Die Sonde kann aber auch vollständig in den Kanal eingeführt werden. In diesem Fall muss natürlich auch die Abschirmung zumindest teilweise im Kanal angeordnet sein, um dort je nach Länge und Position der Abschirmung eine unterschiedliche Anzahl von Öffnungen zu verdecken.
Bei der ersten Differenzdruckmessung der Messreihe ist nur eine erste Öffnung im Sondenrohr unverschlossen und frei anströmbar. Vor der zweiten Differenzdruckmessung wird eine zweite Öffnung im Sondenrohr (beispielsweise eine Öffnung, welche der bereits offenen ersten Öffnung unmittelbar benachbart ist) freigelegt, sodass bei der zweiten Messung zwei (beispielsweise benachbarte) Öffnungen angeströmt werden und der mittlere Staudruck im Inneren des Sondenrohres sich entsprechend verändert. Vor jeder weiteren Messung wird eine weitere Öffnung im Sondenrohr, welche zuvor durch die Ab-
schirmung verschlossen war, freigelegt (beispielsweise jene Öffnung, die zu der gerade zuvor freigelegten Öffnung unmittelbar benachbart ist) . Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis alle Öffnungen im Sondenrohr unverschlossen und frei anströmbar sind. Der Vorgang kann selbstverständlich genauso gut in der umgekehrten Reihenfolge durchgeführt werden, d. h. alle Öffnungen im Sondenrohr werden bei der ersten Messung angeströmt und bei den folgenden Messungen werden sukzessiv eine Öffnung nach der anderen durch die Abschirmung abgedeckt, bis nur mehr eine Öffnung frei anströmbar ist und zum mittleren Druck im Sondenrohr beiträgt. Die Reihenfolge, in der die Öffnungen verdeckt oder freigelegt werden ist für das Ergebnis nicht relevant. Aus praktischen Gründen werden die Öffnungen jedoch meist der Reihe nach verdeckt bzw. frei- gelegt.
Die Veränderung des mittleren Staudrucks im Inneren des Sondenrohres beim sukzessiven Öffnen bzw. Verschließen der Öffnungen im Sondenrohr beinhaltet Informationen über das Strö- mungsprofil über den Querschnitt des Strömungskanals. Aus der gemessenen Reihe von Staudruckwerten kann die Form des Strömungsprofils ermittelt werden.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist die Gestaltung der Abschirmung. Diese kann als Faltenbalg oder Teleskoprohr variabler Länge gestaltet sein, welcher oder welches dem Sondenrohr übergestülpt wird und je nach seiner Position und/oder Länge keine, eine oder mehrere benachbarte Öffnungen im Sondenrohr überdeckt, so dass sie nicht mehr angeströmt werden können. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines zweiten Rohres, welches ebenfalls dem Sondenrohr übergestülpt wird und welches Öffnungen aufweist, die sich je nach Position der Abschirmung mit den Öffnungen im Sondenrohr überlappen und diese positionsabhängig freigeben oder ver- schließen können. In diesem Fall kann statt einem Rohr auch eine Schiene verwendet werden, welche auf der der Strömung zugewandten Seite am Sondenrohr angeordnet ist.
Um als universelle Parametersonde einsetzbar zu sein, können bei der erfindungsgemäßen Messanordnung am Sondenrohr auch Feuchtigkeits- und Temperatursensoren angeordnet sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt :
Figur 1 eine Messanordnung mit einer Staudrucksonde gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2a eine erfindungsgemäße Staudrucksonde mit einem Teleskoprohr als Abschirmung,
Figur 3 eine erfindungsgemäße Staudrucksonde mit einem Faltenbalg als Abschirmung,
Figur 4 eine erfindungsgemäße Staudrucksonde mit einem Rohr als Abschirmung, welches ebenfalls Öffnungen aufweist, die sich mit den Öffnungen im Sondenrohr positionsabhängig überlappen.
Figur 5 eine erfindungsgemäße Staudrucksonde ähnlich wie in Figur 3, jedoch mit einem in zwei Kammern geteilten
Innenraum zur gleichzeitigen Erfassung des statischen Drucks .
Figur 6a Diagram mit einer nach dem erfindungsgemäßen Ver- fahren aufgezeichneten Messreihe der Staudrücke in
Abhängigkeit der frei anströmbaren Öffnungen im Sondenrohr
Figur 6b Diagram mit den aus der Messreiche aus Figur 6a be- rechneten Werten, welche proportional zum Strömungsprofil über den Kanalquerschnitt sind.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.
Die Figuren 2a und 2b zeigen einen Teil der erfindungsgemäßen Messanordnung, nämlich ein Sondenrohr 10 mit Öffnungen 11, welche entlang einer Linie parallel zur Symmetrieachse auf der der Strömung zugewandten Seite angeordnet sind, und mit einem Teleskoprohr 12a, welches dem Sondenrohr übergestülpt ist und welches geeignet ist, je nach der eingestellten Posi- tion und Länge keine, eine oder mehrere aufeinanderfolgende Öffnungen abzudecken. Das Sondenrohr 11 kann unterschiedlich weit in den Kanal einführt werden, je nachdem wie die Länge des Teleskoprohres 12a eingestellt ist. In der Figur 2a ist das Teleskoprohr in einer ausgefahrenen Position dargestellt, in der alle bis auf eine einzige Öffnung im Sondenrohr von dem Teleskoprohr abgedeckt sind. Nur eine einzige Öffnung befindet sich im Strömungskanal . Zur Bildung des Gesamtdrucks Pi im Inneren des Sondenrohres trägt also nunmehr die eine verbliebene Öffnung im Kanal bei. Je nach Position des TeIe- skoprohrs 12a kann nun eine beliebige Anzahl von Öffnungen 11 geöffnet bzw. verschlossen werden. Nur die offenen und daher frei anströmbaren Öffnungen 11 tragen zur Bildung des Gesamtdrucks P1, p2, etc. bei. Die Figur 2b zeigt das Teleskoprohr in einer eingefahrenen Position, in der es seine geringste Länge aufweist und in der es keines der Öffnungen 11 abdeckt, so dass alle Öffnungen 11 sich im Kanal befinden, von der Strömung frei anströmbar sind und zur Bildung eines mittleren Gesamtdruckes p5 im inneren des Sondenrohres 10 beitragen. Der Index "5" bei dem Symbol für den Gesamtdruck p5 weist daraufhin, dass bei der Messung fünf Öffnungen 11 im Sondenrohr bei der Messung angeströmt wurden.
Die Figuren 3a und 3b entsprechen im Wesentlichen den Figuren 2a und 2b, jedoch wird als Abschirmung statt einem Teleskop- röhr 12a ein Faltenbalg 12b verwendet. Der Faltenbalg 12b kann sich beispielsweise um das 20-fache seiner Minimallänge verlängern und ist so sehr gut geeignet, eine variable Zahl
von Öffnungen 11 im Sondenrohr abzudecken und vor der Strömung abzuschirmen.
In der Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Sondenrohres mit Abschirmung dargestellt, die sich von den anderen Ausführungsformen dadurch unterscheidet, dass das Sondenrohr 10 beim Durchführen einer Messreihe immer ganz in den Kanal eingeführt ist. In diesem Fall wird die - ebenfalls im Kanal befindliche - Abschirmung durch ein weite- res Rohr gebildet, welches dem Sondenrohr übergestülpt ist. Bei einer alternativen Ausführungsform könnte statt dem weiteren Rohr auch lediglich eine Schiene auf der der Strömung abgewandten Seite am Sondenrohr angeordnet sein. Das weitere Rohr 12c bzw. die Schiene weisen ebenfalls Öffnungen 13 auf, welche derart gestaltet und derart angeordnet sind, dass je nach Position des weiteren Rohres sich entweder sämtliche Öffnungen 13 des weiteren Rohres und sämtliche Öffnungen 11 des Sondenrohres überlappen und damit frei von der Strömung anströmbar sind, oder auch eine beliebige Anzahl von Öffnun- gen 11 des Sondenrohres von dem weiteren Rohr verdeckt werden. Je nach Position des weiteren Rohres 12c wird auch bei dieser Ausführungsform keine, eine oder auch mehrere aufeinanderfolgende Öffnungen 11 im Sondenrohr von dem weiteren Rohr 12c verdeckt. In der Figur 4 sind schematisch für ein Sondenrohr mit fünf Öffnungen 11 fünf unterschiedliche Positionen des weiteren Rohres 12c dargestellt, so dass je nach Position des weiteren Rohres 12c fünf, vier, drei, zwei oder nur eine einzige Öffnung 11 im Sondenrohr unverdeckt und frei von der Strömung anströmbar ist. Die dazugehörigen Gesamtdrü- cke im Inneren des Sondenrohres entsprechen den Drücken p
5
In Figur 5 ist nochmals das in Figur 3 dargestellte Sondenrohr mit Faltenbalken gezeigt, jedoch weist das Innere des Sondenrohres in diesem Falle zwei Kammern 15 und 16 auf, wobei sämtliche Öffnungen 11 in eine erste Kammer 15 führen und eine zweite Kammer 16 lediglich über eine einzige Öffnung 14
mit dem Strömungskanal verbunden ist. Diese Öffnung 14 ist jedoch so angeordnet, dass sie nicht direkt von der Strömung angeströmt wird, also parallel zu den Stromlinien liegt, beispielsweise in der Deckfläche eines zylindrischen Sondenroh- res . Bei einer entsprechenden Strömung wird sich in der ersten Kammer 15 wieder ein Gesamtdruck plf p2, etc. einstellen, der sich aus der Summe des strömungsabhängigen Staudruckes und dem statischen Druck berechnet. In der zweiten Kammer 16 wird sich lediglich der statische Druck p0 einstellen, da durch die Öffnung 14, mit der die Kammer 16 mit dem Strömungsknall verbunden ist, nicht angeströmt wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass Gesamtdruck pi, p2, etc. und statischer Druck po in dem selben Sondenrohr gemessen werden können und zur Messung des statischen Druckes p0 keine eigene Öffnung im Strömungskanal notwendig ist, wie es in Figur 1 zum Stand der Technik gezeigt ist.
Die Figur 6a zeigt exemplarisch (nicht maßstabsgetreu) den Verlauf einer Messreihe wie er bei einem erfindungsgemäßen Messvorgang ermittelt wird. Bei einem durch die Abschirmung vorerst vollständig verschlossenen Sondenrohr wird durch manuelles Verschieben der Abschirmung oder des Sondenrohres (wodurch wiederum die Abschirmung verschoben und/oder gestaucht bzw. gestreckt wird) Schritt für Schritt eine Öffnung im Sondenrohr nach der anderen freigegeben und nach der Freigabe der betreffenden Öffnung wird der Staudruck als Differenzdruck zwischen dem Gesamtdruck im Inneren des Sondenrohres und dem statischen Druck ermittelt. Bei einem Sondenrohr mit n Öffnungen 11 erhält man somit bei einem Messvorgang n Einzelmesswerte pn.
Aus dieser Messreihe lässt sich leicht die Form des Strömungsprofils ermittelt. Eine zum Strömungsprofil proportionale Reihe von Einzelpunkt-Staudruckwerten Δpn erhält man durch Subtraktion des Produktes aus dem aktuell gemessenen Staudruck und der Anzahl der bei der aktuellen Messung nicht abgedeckten Öffnungen vom Produkt aus dem zuvor gemessenen
Staudruck und der Anzahl der dabei nicht abgedeckten Öffnungen. Werden also bei der n-ten Messung der Messreihe n Öffnungen angeströmt ist der Einzelpunkt-Staudruck
Δpn = pn-n - pn-i- (n-1) für i>l. (2)
Bei der ersten Messung bei nur einer angeströmten Öffnung im Sondenrohr ist der Einzelpunkt-Staudruck Δpi natürlich gleich dem mittleren Staudruck pi .
Die den Einzelpunkt-Staudruckwerten Δpn entsprechenden Werte für die gesuchte lokale Strömungsgeschwindigkeit vn erhält man dann analog zu Gleichung (1) gemäß der Formel
Die Ortsauflösung für das Strömungsprofil entspricht genau dem Abstand zwischen den Öffnungen.
Aus der Form eines derart ermittelten Strömungsprofils lässt sich leicht eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal oder auch der Volumen- oder Massenstrom berechnen.