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Geschwindigkeitsmesser [2]

[317] Geschwindigkeitsmesser. Die Geschwindigkeitsmessung für gas- oder luftförmige Körper erfolgt neuerdings fast ausnahmslos nach folgenden Methoden: 1. der Düsenmessung; 2. der Messung durch Anemometer, 3. der Messung durch Staugeräte.

1. Die Düsenmessung beruht auf der Messung des Druckunterschiedes an einer passend gewählten Querschnittsverengung, der Düse, in einem von dem gasförmigen Körper durchströmten Kanal (Rohr), welcher infolge dieser Verengung entsteht. Dieter Druckunterschied p' = p₀ – p₁ (p₀ der absolute Druck der Luft beim Eintritt, p₁ derselbe beim Austritt aus der Düse in mm Wassersäule oder kg/qm) ergibt die Geschwindigkeit (in m/Sek) aus der Gleichung

Die vom Verein deutscher Ingenieure aufgestellten »Regeln« [1] geben folgende Normalform für Düsen für Rohre von 50, 70, 100 bis 400 mm Durchmesser an (Fig. 1). Die Düse ist im Querschnitt begrenzt von einem Korbbogen mit einem Halbmesser von 1,4 d bis 22¹/₂° und von 0,5 d von 22¹/₂ bis 90°. Den Einbau der Düse in ein Rohr zeigt Fig. 2, welche auch die Verhältniszahlen einer andern Düse angibt. Eine geänderte Form zeigt auch Fig. 3, eine Düse, welche die Maschinenfabrik Oerlikon (Schweiz) bei Versuchen an Turbokompressoren angewandt hat [2]. Dieselbe hat etwas größeren Durchmesser bei etwas geringerer Länge.

Es ist für die Normaldüse d/D = 0,4, l/d = 0,85, für die Oerlikon-Düse d/D = 0,535, l/d = 0,725.

Durch Versuche in Oberhausen (»Gutehoffnung-Hütte«) ist die Durchflußziffer für die Normaldüse zu 0,97 bis 0,995, also der Reibungsverlust zu 3 bis 0,5% ermittelt worden. Bei Versuchen, welche 1910 angestellt wurden, ergab sich folgendes:

Hieraus berechnen sich bei einem Düsendurchmesser von 0,2 m (f = 0,0314 qm) die Luftmengen für die verschiedenen Geschwindigkeiten aus der Gleichung V = 0,99 · f · v. Ueber die Düsenform sagen die »Regeln«: »Als Düsenkörper wird man gewöhnlich abgerundete Mündungen[317] verwenden, die den Vorteil einer fast unveränderten Ausflußziffer haben. ... Die Eichung von Düsen wird man am zweckmäßigsten mit Hilfe von Gasbehältern oder dergl. ausführen. ... Die Genauigkeit von Düsenmessungen dürfte bei günstiger Anordnung an die von sorgfältigen Gasbehältermessungen heranreichen oder diese noch übertreffen.«

Die Anemometermessungen werden durch Anemometer (s. Bd. 1, S. 189, und Erg.-Bd., S. 14) vorgenommen, wobei das Anemometer entweder über den ganzen Querschnitt der Meßstelle allmählich in Schlangenlinien hin und her bewegt wird oder der Querschnitt durch netzartig gespannte dünne Drähte in 8, 12, 16 und mehr Felder geteilt wird, in deren jedes das Anemometer eine bestimmte gleiche Zeit (10, 30, 60 u.s.w. Sekunden) hindurch gehalten und das Mittel aus der Gesamtablesung durch Division durch die Zeit berechnet wird. Sie sind fast ausschließlich noch im Bergbau in Gebrauch. Für Luftgeschwindigkeiten über 10–12 m/Sek. (600–800 m/Min.) sind sie nicht mehr empfehlenswert, da durch Verbiegungen der Flügel Fehlerquellen entstehen. Bis 40 m/Sek. können dagegen Schalenkreuzanemometer noch Anwendung finden.

Die Geschwindigkeitsmessungen durch Staugeräte sind an keine obere Geschwindigkeitsgrenze gebunden. Angewandt werden Stauscheiben und Staurohre. Die bekanntesten ersterer Art sind: die Stauscheibe von Recknagel (Pneumometer-Kopf) und diejenige von Prandtl. Die erstere (Fig. 4) ist eine hohle Scheibe c, mit zwei Hohlräumen b b', welche in der Mitte kleine Löcher a a' haben; an die Hohlräume schließen kleine Rohre d d' an, welche in größere e e' übergehen und am Ende Schlauchdüllen g zum Anbringen der zum Manometer führenden Schläuche besitzen. Die eine Seite (a) der Scheibe wird dem Luftstrom zugekehrt. Diese gibt dadurch den Strömungsdruck (Gesamtdruck p_g) an, welche in ganz bestimmtem Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit steht. Die Rückseite der Scheibe, a', gibt dagegen den statischen Druck (p_st) an. Der Geschwindigkeitsdruck oder dynamische Druck (p_d) wird aus der Differenz beider gemessenen Drücke (p_d = p_g – p_st) bestimmt. Die Stauscheibe von Prandtl (Fig. 5) besitzt nur eine massive Scheibe, gegen welche die beiden Rohre b b' kreisförmig nach der Mitte umgebogen sind, so daß die Luft gegen die Scheibe gedrückt wird und durch den schmalen Spalt zwischen Scheibe und Rohrende in letzteres einströmt. Die übrige Anordnung ist dieselbe wie bei Fig. 4. Den Einbau einer Stauscheibe in ein zylindrisches Meßrohr zeigt Fig. 6. Wie Versuche jedoch ergeben haben, sind die Beiwerte (Versuchskonstanten) der Stauscheiben nicht unveränderlich (zwischen 1,37 und 1,6 und mehr gefunden). Man wendet daher für genauere Messungen Staurohre an. Das Staurohr von Brabée ist ein am vorderen Ende konisch zulaufendes Doppelrohr (Fig. 7). Das innere Rohr gibt den Gesamtdruck, das äußere, am Ende mit einer Anzahl kleiner Löcher versehene, den statischen Druck an. Die Anbringung dieses Rohres (fest bezw. in radialer Richtung verstellbar) zeigen Fig. 8 und 9. Bei letzterer Anordnung kann das Rohr von der einen inneren Rohrwand bis zur gegenüberliegenden verstellt und dadurch an verschiedenen Stellen des Rohrquerschnitts (Durchmessers) die Luftgeschwindigkeit gemessen werden. Durch graphisches Auftragen der Einzelwerte kann man die mittlere Geschwindigkeit aus dem erhaltenen Schaubild bestimmen.

Verbessert ist das Brabéesche Staurohr durch Prandtl (s. Fig. 10). Der Kopf des Staurohrs ist halbkugelförmig mit einer zylindrischen Bohrung von etwa 0,3 des Durchmessers. Statt der hinteren Bohrungen (zur Messung des statischen Druckes) ist ein ringsherum laufender Schlitz vorhanden, um für kleine Richtungsabweichungen nach allen Seiten symmetrische Verhältnisse zu erhalten. Der Beiwert (die Konstante) β ist[318] nach der Rundlaufeichung innerhalb der Fehlergrenzen = 1, so daß das Gerät als Einheitsgerät für die Messung des statischen und dynamischen Druckes geeignet erscheint. Seine Geschwindigkeitsangaben sind bis etwa 15° Richtungsänderung praktisch unveränderlich. Für die Messung des statischen Druckes ist zu beachten, daß hierfür nur die Angaben in der Normalstellung (genau parallel zum Luftstrom bezw. zur Rohrwand) und wenige Grade davon abweichend brauchbar sind. Bei größeren Richtungsabweichungen zeigt das Gerät – ebenso wie ein Hakenrohr – einen tieferen Druck (bezw. größeren Unterdruck) an. Das Gerät ist in drei Ausführungen für reine, für staub- und spänehaltige Luft und für Grubenbetrieb (letztere in sehr vergrößerten Abmessungen) hergestellt und hat sich überall als brauchbar erwiesen. Die Anordnung desselben in Verbindung mit den Druckmeßrohren zeigt Fig. 11. Hierbei zeigt das linke U-Rohr den Gesamtdruck (p_g = p_st + p_d), das mittlere Rohr den dynamischen oder Geschwindigkeitsdruck (p_d = γ · w²/2 g), d.h. die größte Drucksteigerung, die in einem bewegten Gasstrom vor einem Hindernis auftritt, und das rechtsseitige U-Rohr den statischen Druck (p_st), d.h. den inneren Druck eines geradlinig strömenden Gases oder den Druck, den ein im Gasstrom mit gleicher Geschwindigkeit mitbewegtes Druckmeßgerät anzeigt, oder den Druck, den ein parallel zur Kanalwand (Rohr) strömendes Gas auf diese ausübt, an. Durch die eigenartige Schlauchanordnung lastet auf der Flüssigkeitssäule im mittleren U-Rohr links der Gesamtdruck, rechts der statische Druck, das Rohr zeigt also nur die Differenz beider Drücke an, wie es auch richtig ist, da p_d = p_g – p_st ist. Die Größenverhältnisse des Prandtlschen Staurohrs, bezogen auf den Durchmesser d, sind aus Fig. 10 zu ersehen.

Literatur: [1] Regeln für die Leistungsversuche an Ventilatoren und Kompressoren, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1912, S. 1793 f. – [2] Ebend. 1910, S. 1661 f.

v. Ihering.

Fig. 1., Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 6.

Fig. 7., Fig. 8.

Fig. 9.

Fig. 10.

Fig. 11.