Instationäre Druckmessung

 

Zur Messung instationärer Drücke werden am IST verschiedenartige Druckaufnehmer eingesetzt, welche sich je nach Anwendungsfall und Einsatzbedingungen stark unterscheiden. Sind lediglich die fluktuierenden Signalanteile von Interesse, so werden häufig piezoelektrische Druckaufnehmer eingesetzt, welche sich aufgrund ihrer robusten Bauart vielseitig einsetzen lassen. Die aufgrund der Druckkräfte erzeugten Ladungsverschiebungen werden dabei mit Hilfe von Ladungsverstärkern in Spannungssignale umgewandelt. Sind neben den fluktuierenden Signalanteilen weiterhin die stationären Anteile von Interesse, werden häufig piezoresistive Druckaufnehmer eingesetzt, welche insbesondere in Anwendungen eingesetzt werden, welche sich durch hohe Druckfluktuationen auszeichnen. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise bieten sie dabei eine äußerst hohe räumliche Auflösung. Zur Datenerfassung können moderne Transientenrekorder verschiedener Hersteller genutzt werden, welche die synchrone Aufzeichnung mehrerer Kanäle in Echtzeit ermöglichen.Der Zusammenhang zwischen gemessenem Spannungssignal und anliegendem Druck wird anhand von Kalibrierversuchen ermittelt und kann in Abhängigkeit verschiedener Faktoren stark nichtlinear sein. Dabei spielen unter anderem der anliegender Druck, die Temperatur, die Frequenz des Drucksignals sowie die Einbausituation eine Rolle. Die Kalibrierung der Sensoren erfolgt sowohl statisch als auch dynamisch und wird je nach Anwendungsfall direkt am IST oder durch langjährige Partner durchgeführt. So kann in dem dabei häufig verwendeten Stoßrohr die Sprungantwort des Signalgebers ermittelt werden, wodurch Rückschlüsse auf den Frequenz- und Phasengang gezogen werden können.

Anwendung und Einsatzgebiet

In verschiedenen Forschungsvorhaben werden am IST aeroakustische Phänomene sowohl in Axial- als auch in Radialmaschinen untersucht. Aufgrund der in Turbomaschinen häufig auftretenden hohen Drücke und Temperaturen ist der Einsatz von Mikrofonen dabei häufig nicht denkbar, weshalb für diese Untersuchungen auf piezoelektrische und piezoresistive Sensoren zurückgegriffen wird. Anhand der an verschiedenen Messstellen gewonnenen Informationen über Amplitude und Phase der Signale können die Druckschwankungen akustischen Moden zugeordnet werden. Durch die hohen auftretenden Umfangsmodenordnungen ist dabei eine sehr große Anzahl an Messstellen nötig, um die Moden bestimmen zu können. Zur Reduktion der Messstellenzahl kommen am IST moderne Signalverarbeitungsverfahren aus dem Bereich des Compressed Sensing zum Einsatz, welche die Lösung des Gleichungssystems ermöglichen, sofern die Anzahl der auftretenden Modenordnungen begrenzt ist. Weiterhin werden instationäre Druckaufnehmer auch dazu genutzt, Totaldrücke instationär zu messen. So werden zum Beispiel Sondenrechen und Sonden genutzt, um die Rückströmphase während des Pumpzyklus eines Verdichters zu analysieren.