Markowanalysen stochastisch fluktuierender Zeitserien - Turbulenz ...

44 KAPITEL 5. DAS EXPERIMENTELLE SYSTEM
5.2 Messtechnik
Zur Unterschung der kleinskaligen Eigenschaften turbulenter Strömungen wird ein
Messverfahren benötigt, das zeitlich und räumlich hochaufgelöste Daten in ausreichender
Menge liefert. Die Wahl fiel auf die Hitzdrahtanemometrie, deren Messprinzip
in diesem Abschnitt kurz erläutert werden soll. Der Einsatz optischer Messmethoden
wie der Laser–Doppler–Anemometrie (LDA) oder der Particel Image Velocimetry
(PIV) wurde verworfen, obwohl sie im Gegensatz zur Hitzdrahtanemometrie
berührugslose Messverfahren sind, bei denen die Strömung nicht durch einen Sensor
gestört wird. Diesem Vorteil der optischen Methoden stehen jedoch gravierende
Nachteile bei der Qualität der gemessenen Daten gegenüber. So ist bei der LDA das
Signal/Rausch–Verhältnis wesentlich schlechter als bei der Hitzdrahtanemometrie
[10, 96], während die PIV ein für statistische Analysen zu kleines Datenvolumen liefert
[44]. Bei beiden Verfahren ist überdies die zeitliche Auflösung wesentlich geringer
als bei der Hitzdrahtanemometrie [10, 34, 44].
Die Hitzdrahtanemometrie beruht auf einem recht einfachen Prinzip: Ein kurzer,
dünner Draht (typische Abmessungen sind 1mm für die Länge und 5µm für den
Durchmesser) wird durch einen elektrischen Strom stark aufgeheizt, wodurch sich
auch das Fluid in der unmittelbaren Umgebung des Drahts erwärmt. Die Strömung
um den Draht sorgt nun für einen Abtransport des erwärmten Volumens und damit
für einen Abtransport von Wärme. Mit welcher Rate der Umgebung des Drahts,
und damit letztlich dem Draht selbst, Wärmeenergie entzogen wird, hängt über
die Massenstromdichte des bewegten warmen Fluids von der Geschwindigkeit der
Strömung ab.
Dieser Effekt kann auf zwei verschiedene Weisen zur Messung der Geschwindigkeit
am Ort des Sensors genutzt werden. Bei der Konstanttemperaturmethode wird
der Hitzdraht in eine Wheatstonsche Brücke eingebaut und so angesteuert, dass
sein Widerstand konstant bleibt. Einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Widerstand
und Temperatur vorausgesetzt bedeutet dies, dass auch seine Temperatur
konstant bleibt. Gemessen wird in diesem Fall die über dem Hitzdraht abfallende
Spannung. Aus dieser Spannung und dem (konstant gehaltenen) Widerstand des
Drahts ergibt sich die elektrische Leistung mit der der Draht geheizt werden muss,
um die Temperatur konstant zu halten. Diese Leistung hängt direkt von der Stärke
des Wärmetransports durch die Strömung ab und liefert somit ein Mass für die
Geschwindigkeit des Fluids am Ort des Sensors. Alternativ kann auch die sog. Konstantstrommethode
benutzt werden, bei der der Strom durch den Hitzdraht konstant
gehalten und sein Widerstand gemessen wird. Der Widerstand des Drahts hängt von
seiner Temperatur ab, welche ihrerseits davon abhängt, mit welcher Rate der Abtransport
von Wärmeenergie durch die Strömung erfolgt.
Die in dieser Arbeit analysierten Daten wurden mit einem kommerziellen Anemometer
der Firma Dantec-Invent aufgenommen. Die verwendete Messbrücke des Typs
Streamline 90N10 arbeitet mit der Konstanttemperaturmethode, wobei die Temperatur
des Drahts bei Messungen in Luft typischerweise bei ca. 200 ◦ C liegt. Der
verwendete Hitzdraht (Typbezeichung 55P01) hat eine sensitive Länge von 1, 25mm
und einen Durchmesser von 5µm. Die über dem Hitzdraht abfallende Spannung
kann in der im Anemometer integrierten Signal-Konditioniereinheit verstärkt, ge-