Entwicklung einer automatischen Verstelleinrichtung zur Sondenkalibrierung

Abstract

Diese Diplomarbeit behandelt die Entwicklung einer automatischen Verstelleinrichtung zur Kalibrierung von pneumatischen Strömungssonden, in diesem Fall Strömungsvektorsonden in der Form von Drei- und Fünflochsonden. Strömungsvektorsonden dienen zur Ermittlung der Geschwindigkeit von stationären Strömungen und deren Richtung in der Ebene (Dreilochsonde) bzw. im Raum (Fünflochsonde). Die Geschwindigkeit und Richtung der Strömung wird indirekt über eine Druckmessung an den Bohrungen der Strömungsvektorsonde gemessen. Um diese gemessenen Drücke richtig der Geschwindigkeit und Richtung der Strömung zuzuordnen, ist eine Kalibrierung der Strömungsvektorsonde nötig. Diese Kalibrierung erfolgt für einen vorher definierten Winkelbereich, unter Laborbedingungen, vor einem Freistrahlwindkanal am Institut für Energietechnik und Thermodynamik an der Technischen Universität Wien. Aus den gemessenen Drücken können dimensionslose Kalibrierkoeffizienten, in diesem Fall werden die Kalibrierkoeffizienten nach Treaster und Yocum verwendet, berechnet werden, welche die gemessenen Drücke eindeutig der Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung zuordnen. Die bisherige Winkeleinstellung der Strömungsvektorsonden am Institut für Energietechnik und Thermodynamik erfolgte über eine händisch verstellbare Vorrichtung. In dieser Diplomarbeit wird die Entwicklung einer automatischen Verstelleinrichtung gezeigt. Für die Winkeleinstellung werden zwei Schrittmotoren verwendet, wodurch, in Verbindung mit einer Stirnradstufe, der Gier- und Nickwinkel der Strömungssonde in 0,1° Schritten mit einer Genauigkeit von ±0,02° einstellbar ist. Durch die Verbindung mit einem Arduino Uno Mikrocontroller, können die Schrittmotoren über die Software LabVIEW 2016 angesteuert werden. Es wird gezeigt, wie ein parametrisiertes LabVIEW Programm aussieht, durch welches alle nötigen Kalibrierpunkte eingestellt werden und das bereits vorhandene Druckmessprogramm als Unterprogramm für jeden Kalibrierpunkt aufgerufen wird. Anschließend wird die gefertigte Verstelleinrichtung in der Praxis angewandt und anhand der Kalibrierung einer Dreilochsonde und einer Fünflochsonde bei verschiedenen Reynoldszahlen die erreichten Vorteile aufgezeigt. Die Ergebnisse werden mit alten Kalibrierdaten, welche unter denselben Bedingungen gemessen wurden, und den Ergebnissen aus einem theoretischen Berechnungsverfahren der Kalibrierkoeffizienten, dem Stromlinienprojektionsverfahren, verglichen.

This diploma thesis deals with the development of an automatic adjustment device for the calibration of pneumatic flow probes, in this case flow vector probes in the form of three- and five-hole probes. Flow vector probes are used to determine the velocity of steady-state flows and their direction in the plane (three-hole probe) or in space (five-hole probe). The velocity and direction of the flow is measured indirectly via a pressure measurement at the holes of the flow vector probe. To correctly assign these measured pressures to the velocity and direction of the flow, a calibration of the flow vector probe is necessary. This calibration is performed for a previously defined angular range, under laboratory conditions, in front of a free jet wind tunnel at the Institute of Energy Systems and Thermodynamics at the Vienna University of Technology. Dimensionless calibration coefficients, in this case the calibration coefficients according to Treaster and Yocum, can be calculated from the measured pressures, which clearly assign the measured pressures to the flow velocity and flow direction.The previous angular adjustment of the flow vector probes at the Institute of Energy Systems and Thermodynamics was done by a manually adjustable device. In this diploma thesis the development of an automatic adjustment device is shown. Two stepper motors are used for the angle adjustment, whereby, in connection with a spur gear stage, the yaw and pitch angle of the flow probe is adjustable in steps of 0,1° with an accuracy of ±0,02°. By connecting to an Arduino Uno microcontroller, the stepper motors can be controlled using LabVIEW 2016 software. It is shown how a parameterized LabVIEW program looks like, through which all necessary calibration points are set and the already existing pressure measurement program is called as a subroutine for each calibration point.Subsequently, the manufactured adjustment device is applied in practice and the advantages achieved are demonstrated by calibrating a three-hole probe and a five-hole probe at different Reynolds numbers. The results are compared with old calibration data, which were measured under the same conditions, and the results from a theoretical calculation method of the calibration coefficients, the streamline projection method.