Labor zu Grundlagen der Sensorik. Versuch 4. Durchflussmessung

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1 Labor Sensorik / ersu 4 Prof Beißner / Prof Dreetz ersion - Faosule annover Fak I - Elektro- und Inforationstenik Elektrise Messtenik Labor zu Grundlagen der Sensorik ersu 4 Durflussessung Seite

2 Labor Sensorik / ersu 4 Prof Beißner / Prof Dreetz ersion - Einleitung Unter der Durflussessung verstet an die Bestiung der Ströung in Flüssigkeiten und Gasen Geessen wird der Massendurfluss d dt oder der oluendurfluss d dt Masse und oluen sind verknüft über it der Dite des ströenden Medius Betratet an die Ströung in Rorleitungen, so erält an ausgeend von der uersnittsfläe und der Ströungsgeswindigkeit v des Medius: v bzw v ersusaufbau Es stet ein Plexiglasror it versiedenen Durflussesseinritungen für die Luftströung zur erfügung, die zu untersuen und zu arakterisieren sind Die lite Weite des Rores beträgt D 4 S - - v Wirkdrukverfaren Luftassenesser E entilator - - PRC Pt Pt Ultrasall Stauror Bild : ersusaufbau zur Durflussessung Der eingesetzte Luftassenesser stat aus de Kraftfarzeugbau Die Daten sind in den nlagen angegeben Der entilator wird it eine Gleistrootor angetrieben, der it ax 5 betrieben werden darf Für die Drezalessung werden 6 I/ Udreung generiert Bei PRC andelt es si u einen Pt-Widerstand Die beiden anderen Platin-Widerstände steen iteinander in terise Kontakt Der Pt kot als eizwiderstand zu Einsatz, der Pt als Messwiderstand 3 Für alle Platinwiderstände gilt: ( ϑ) R ( + 3,85 ϑ) ϑ die Teeratur in C R R ist der Nennwiderstand bei C, Seite

3 Labor Sensorik / ersu 4 Prof Beißner / Prof Dreetz ersion - Die Ultrasallstreke arbeitet auf einer Frequenz Senders beträgt U S f 4kz Die Seisesannung des Bei Wirkdrukverfaren wird it eine Differenzdruksensor geessen, dessen Übertragungsfaktor 766 kpa beträgt Es tritt ein Offset auf, der bei ruende Mediu bestit werden kann Das Ror verjüngt si i Drosselberei auf D Bei Stauror wird der Staudruk Stau Ges Stat als Differenzdruk it eine efindlien Manoeter (ollausslag Pa) direkt geessen Erforderlie Messgeräte: - Labornetzteil zur Seisung des entilators (ax 5) - Digitalultieter UNI-T UT83 (für versiedene Messungen) - Digitalultieter PILIPS PM 58 (Sannungsessung PRC) - Oszillosko gilent 5464 (Ultrasallessung) - Frequenzzäler gilent 33 (Ultrasallessung) - Frequenzzäler PILIPS PM 667 (Drezal) - Konstantstroquelle TTi L355 (Seisung Pt-eizwiderstände) - Differenzdrukesser SETR Model 67 (Stauror) - Digitalultieter Peakte 37 DMM (Oeter) - neoeter (Windesser) Braan (Plausibilitätskontrolle) red 3 Teoretise Zusaenänge 3 Wirkdrukverfaren In einer stationären Ströung it der Geswindigkeit v gilt die Bernoulli-Gleiung: Stau stat + Swere + stat v + g + onst Betratet wird ier ein Rorstük it einer erengung (Drosseleinritung): Bild : Wirkdrukverfaren Da es si u ein waageretes Rorstük andelt, kann der Sweredruk vernalässigt werden und es gilt: v + v + Seite 3

4 Labor Sensorik / ersu 4 Prof Beißner / Prof Dreetz ersion - us der Kontinuitätsgleiung folgt: v v Die Ustellung auf die Drukdifferenz ergibt: ( ) v v v v v Mit de erältnis der uersnittsfläen n v v n n und na Ustellen na v sließli: v n v Den oluenstro erittelt an it v 3 Stauroresser erält an daraus n v n v Ges Stat Stau Bild 3: Stauroranoeter Für den Gesatdruk an der Staustelle gilt: Ges v + Stat, v Stau ( ) Ges Stat Stauunkt lässt si der Gesatdruk als statiser Druk essen, weil die Geswindigkeit an der Messöffnung v beträgt, da si die Ströung dort teilt Der Staudruk wird als Differenzdruk it eine efindlien Druksensor geessen Stau Ges Stat Den oluenstro erittelt an über v Seite 4

5 Labor Sensorik / ersu 4 Prof Beißner / Prof Dreetz ersion - 33 Ultrasall Bild 4 zeigt eine nordnung it eine Ultrasallsender S und eine Efänger E, die unter eine Winkel α verdret gegenüber der Flussritung des Medius angeordnet sind uf der Messstreke überlagern si die Sallgeswindigkeit des ruenden Medius und die Flussgeswindigkeit v des Medius E v α S Bild 4: Ultrasall-Messanordnung Für die Signallaufzeit über die Streke L erält an it (ruendes Mediu): L t Wird in Flussritung gesendet, so erfolgt eine ddition, die Sallausbreitungsgeswindigkeit eröt si und fürt zu einer kürzeren Laufzeit t : + v osα t L L + v osα Bei usbreitung gegen die Flussritung würde si die Geswindigkeit verringern Die Laufzeitänderung t t t ergibt si zu L L L vosα Lv osα t t t + v osα ( + v osα ) Für die Ströungsgeswindigkeit gilt soit: t v L osα Beobatet an a Oszillosko Sende- und Efangssignal, so kann an die Laufzeitänderung und dait die Ströungsgeswindigkeit als Änderung des Pasenwinkels zwisen beiden Signalen erkennen: ϕ π f t I ersu beträgt die Sendefrequenz f 4 kz, die gesate Ultrasallstreke isst L 4 und der Winkel α 45 Wirksa ist ier nur die Teilstreke L eff D sin α Seite 5

6 Labor Sensorik / ersu 4 Prof Beißner / Prof Dreetz ersion - 34 Terise Disersion (itzdrataneoeter) Bei Instruenten, die das erfaren der terisen Disersion anwenden, wird ein beeizter Widerstand in den Massenstro eingebrat Es gibt zwei usfürungsforen a Wird der Stro dur das beeizte Eleent konstant gealten, so lässt si ein direkter Zusaenang zwisen der Teeratur (Widerstandswert) und de Durfluss feststellen b lternativ kann an ittels einer Regelung den Widerstandswert (d die Teeratur) dur erändern der zugefürten Leistung konstant alten Zur Eröung der Genauigkeit wird äufig ein searater Messwiderstand eingesetzt Der Wäreverlust des eizdrates berenet si zu Pel I R P λ ϑ it λ v + + wobei ϑ die Teeraturdifferenz zwisen eizdrat und Mediu darstellt und λ den Wäreleitwert des Medius, der autsäli vo Massenstro abängt Die additive Konstante berüksitigt den Wäreverlust bei ruende Mediu Für den eizstro erält an: I ( + ) ϑ R Die nafolgende bbildung zeigt eine usfürung, bei der der eizstro I so ausgeregelt wird, dass si eine konstante Teeraturüberöung ϑ ergibt Die beiden teeraturabängigen Widerstände R und R K aben die gleie Teeraturarakteristik I ersu ist der Regelungsvorgang anuell vorzuneen I R K R R - R R M + U M Bild 5: Terise Disersion - Regelkreis Seite 6

7 Labor Sensorik / ersu 4 Prof Beißner / Prof Dreetz ersion - Für den ersusaufbau gelten folgende Konstanten: PRC: 5 W 8,97 K kg 45,684 kg Pt/Pt: 4 W, K kg 9,6 kg 5 ufgabenstellung für den ersu 5 Bei Drezalen von 5 bis in - ist in Sritten von 5 in - die usgangssannung des Luftassenessers aufzuneen I Stillstand ist eine weitere Messung vorzuneen 5 Bei Drezalen wie unter 5 ist der Staudruk für das Stauror zu essen 53 Bei Drezalen wie unter 5 ist der Wirkdruk über der Drosseleinritung zu essen 54 Bei Drezalen wie unter 5 ist die Pasenversiebung bei Ultrasallverfaren zu essen 55 Der PRC ist it eine Konstantstro von I 5 zu seisen Die Sannung a Widerstand ist it eine Digital-olteter (PM 56) bei Drezalen wie unter 5 zu essen Es ist das terise Gleigewit abzuwarten; die Sannung uss eingeswungen sein us der Sannung ist der jeweilige Widerstandswert zu bestien und die Teeratur zu errenen Mit de Pt kann dabei fortlaufend die Teeratur des Medius erittelt werden 56 Der eizwiderstand der teris gekoelten Widerstände soll auf eine Teeraturüberöung ϑ K gegenüber der Teeratur der Luft aufgeeizt werden Dazu ist zunäst der zu dieser Teeratur geörige Widerstandswert für den Pt zu bestien Der Widerstand ist it eine Oeter fortlaufend zu essen Der eizstro I ist so einzustellen, dass si bei jeder Luftströung der vorgegebene Widerstandswert a Pt einstellt Bei jede Einstellsritt ist das terise Gleigewit abzuwarten Es kann it I begonnen werden, die Srittweite soll I, betragen Der axiale eizstro beträgt I 5 Bei Drezalen wie unter 5 sind die Messgrößen eizstro I und Sannungsabfall an R aufzuneen Über die erlustleistung P I R kann der oluen- und Massenstro berenet werden PRC kann fortlaufend die Teeratur des Medius erittelt werden 57 Untersuen Sie wele erfaren ritungsabängig arbeiten; dazu uss der entilator dur Uolen der Seisesannung it ugekerter Dreritung laufen 6 ufgabenstellung für die usarbeitung Für alle Teilversue sind aus den Messwerten die jeweiligen Massenströe kg zu bestien und zu vergleien Es ist zwekäßig, die aufgestellten Gleiungen an and einer Kontrolle der Eineiten zu überrüfen Seite 7 in

8 Labor Sensorik / ersu 4 Prof Beißner / Prof Dreetz ersion - nlage Die Dite der Luft ist teeraturabängig, ebenso die Sallgeswindigkeit: Teeratur ϑ in C Dite in kg/³ Sallgeswindigkeit in /s -,34 35,4-5,37 38,5,93 33,5 5,7 334,5,47 337,5 5,5 34,5,4 343,4 5,84 346,3 3,64 349, 35,46 35, Tab : Eigensaften von Luft nlage Für den eingesetzten Luftassenesser gelten folgende Daten: in kg U in,996 8,39,3644 5,54 3,8748 6,37, , , ,4578 Tab : Daten des Luftassenessers von BOSC, Ty 8 6 Seite 8

9 Labor Sensorik / ersu 4 Prof Beißner / Prof Dreetz ersion - Messreie: Tabellen zur ersusdurfürung Drezal N Soll in N Ist in Luftassenesser U Staudruk Wirkdruk Pa U Ultrasall ϕ Terise PRC U PRC Disersion R Pt Ω Messreie: Drezal Terise Pt Disersion N Soll in N Ist in R Pt Ω I Pt R PRC Ω Foreln zur Berenung der Massenströe in kg : Stauror 36s Drossel Ultrasal l red red 36s ( ϕ ϕ ) tanα 4 kz D 36 36s Disersion I R ϑ Für den Luftassenesser werden die Massenströe direkt de Datenblatt entnoen Seite 9