Messtechnik des Tages: Hitzdrahtanemometrie

Posted by – 3. Dezember 2008

Anemometrie heißt wörtlich übersetzt „Windmessung“. Man misst also mit einem heißen Draht den Wind AKA die Strömung. Wir arbeiten mit constant temperature anemometry, darum ist dieser Beitrag auch nur darüber. Es gibt auch noch die constant voltage anemometrie, aber von der weiß ich eigentlich nur dass es sie gibt und dass sie nicht so gut ist. 😉

Das Messsystem (mei, sieht das dämlich aus mit den drei s) besteht aus der Sonde selbst, der Verkabelung und der sogenannten Messbrücke. Fangen wir mit dem an, was bei der HDA  einzigartig ist, mit der Sonde.

Eine Hitzdrahtsonde besteht aus einem kleinen, putzigen Drähtchen, in unserem Fall 5 Mikrometer (also 0,005 mm) Durchmesser, 3 mm lang, zwischen zwei kleinen Metallstiften.Dieser Draht wird elektrisch beheizt, und gleichzeitig von der kälteren Strömung abgekühlt. Je schneller die Strömung, desto stärker wird der Draht abgekühlt. Weil er so dünn ist, kann er auch sehr schnellen Geschwindigkeitsschwankungen folgen, und das macht sie geeignet um Turbulenz zu messen.Gleichzeitig macht ihn das aber auch sehr anfällig. Ein Partikel in der Strömung, das den Draht trifft, und *piff* war’s das mit der Messung. Ein wenig zu stark geheizt und: Genau, *piff*. Es gibt Sonden mit größerem Drahtdurchmesser, als Film statt als Draht und mit Beschichtung, aber die reagieren leider auch viel träger und sind damit nicht mehr so gut für hochfrequente Messungen geeignet.

Nun, wenn man einen Draht an eine Batterie anschließt und in den Wind hält, kann man damit noch keine Geschwindigkeit messen, dafür fehlt noch ein wenig, nämlich die Kabel zur und die Messbrücke. Zur Bedeutung der Kabel komme ich später noch, erstmal die Messbrücke. Im Prinzip ist das eine Wheatstonebrücke, deren veränderlicher Widerstand eben die Einheit (Kabel + Hitzdrahtsonde) ist.Durch eine Feedbackschleife wird die Temperatur des Drahts konstant gehalten, die benötigte Leistung, und die an der Brücke abgegriffene Spannung sind ein Maß für die Strömung. Ein Schaltbild und ein paar Bilder von Hitzdrahtsonden gibt’s hier.

Jetzt zu den Kabeln: die Widerstandsänderungen der Sonde selbst und die Spannungen sind sehr klein. Man braucht deshalb a) gute Kabel und b) muss man immer das selbe Kabel verwenden, da schon kleinste Änderungen an der Peripherie das Messergebnis verfälschen bzw. die Kalibrierung ungültig machen können.

Achja, die Kalibrierung. Wie könnte ich das nur vergessen. Der Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit ist nicht linear, sondern folgt einer Funktion der Form w=(a+b(UBrücke²/(TDraht+TFluid)))^e, King’s Law genannt. Juchu. Wir haben also eine nichtlineare Abhängigkeit von der Messkette (Sonde+Halter+Kabel), das heißt, jede Sonde mus einzeln kalibriert werden. Wär‘ das nur alles. Die Temperatur, bei der gemessen wird, ist auch noch ein Einflußfaktor, die ändert ja den Widerstand des Kabels. Zu guter Letzt kommt aus der Thermodynamik auch noch eine Abhängigkeit des Wärmeübergangs vom Druck. (Ist eigentlich auch logisch, bei niedrigerem Druck ist die Dichte geringer, wenn weniger Luftmoleküle am Draht vorbeikommen, können die auch weniger Energie mitnehmen.) Glücklicherweise ist unser Windkanal in einer druckdichten Tonne, aber wenn man an mehreren verschiedenen Stellen an einem Profil misst, hat man verschiedene Geschwindigkeiten und nach Bernoulli (p+rho*g*z+rho/2*v²=konstant) eben auch verschiedene Drücke. Bei 3 Druckniveaus in der Tonne und 5 Stellen am Profil kommt man da gut und gerne mal auf 10 bis 15 Betriebspunkte, für die man kalibrieren muss.

Das Kalibrieren an sich ist gar nicht so kompliziert, es müssen nur pro Druck ca. 20 Messungen gemacht werden und mit einer per Staudruckmessung ermittelten Geschwindigkeit abgeglichen werden, daraus werden dann die Koeffizienten für King’s law bestimmt. Das Problem ist nur leider, dass dabei die Sonden auch ganz gerne mal kaputtgehn.

Messungen mit Hitzdrahtsonden sind jedenfalls eine recht diffizile Angelegenheit, und nicht immer frustrationsfrei. Aber dazu vielleicht mehr, wenn ich die letzte Woche überwunden habe.

Closed