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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit und zum Bestimmen der
Richtung von Luftströmungen, z. B. von Wind, mit einem Gehäuse, in dem mehrere Staudrucköffnungen angeordnet sind, die mit Staudruckleitungen verbunden oder an diese angeschlossen sind, und die in einer
Ebene, zueinander versetzt vorgesehen sind.
Vorrichtung en zum Messen der Geschwindigkeit und zum Bestimmen der Richtung von Luftströmun- gen (Wind), mit einem Gehäuse, in dem vier Staudrucköffnungen vorgesehen sind, die in einer Ebene, zueinander um 90'versetzt angeordnet sind, wobei von je zwei einander gegenüberliegenden Staudruck- öffnungen Leitungen zu einem Druckwandler führen, In dem der Differenzdruck von je zwei gegenüberliegenden Staudrucköffnungen in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, sind bekannt (vgl. DE 2 046 192 B, US 3 244 001 A und US 2 701 474 A).
Zwischen dem Staudruck und der Strömungsgeschwindigkeit besteht ein eindeutiger, physikalischer
Zusammenhang. Insbesondere zum Messen der Windgeschwindigkeit sind verschiedene, den genannten Zusammenhang ausnützende Vorrichtungen, z. B. das Staurohr nach Prantl, bekannt.
Ein Staurohr misst die Strömung, die senkrecht auf die Stauöffnung auftrifft. Um eine horizontale Strömung bezüglich Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung erfassen zu können, werden Vorrichtungen der eingangs genannten Gattung eingesetzt. Aus den Druckanteilen der vier in einer Ebene jeweils um 90'versetzt angeordneten Staudrucköffnungen kann man die Geschwindigkeit und die Richtung der Luftströmung bestimmen, wenn die entsprechenden Zusammenhänge bekannt sind.
Die eingangs beschriebene Vorrichtung ist vorteilhaft, weil die Leitungen, durch welche der Staudruck zur Messung weitergeleitet wird, in dem z. B. zytinderförm ! gen Gehäuse geschützt zu den Staudrucköffnungen geführt werden können.
Die Messung selbst erfolgt durch das Umwandeln des Differenzdrucks von jeweils zwei einander gegenüberliegenden Staudrucköffnungen mittels eines Druckwandlers in ein elektrisches Signal.
Weiters kann die bekannte Vorrichtung mit einer einfachen Heizung ausgestattet werden, um Eisansatz an den Staudrucköffnungen zu verhindern.
Messungen mit Hilfe der eingangs genannten Vorrichtung im Windkanal haben einen sinus-bzw. kosinusähnlichen Verlauf der Grösse des Differenzdruckes in Abhängigkeit von der Windrichtung ergeben.
Ein einfaches Umrechnen unter Verwendung von Winkelfunktionen ist jedoch ohne Fehler in der Grössenordnung von : t 30'nicht möglich, da die erwähnte Kurve Unstetigkeiten und mehrere Nulldurchgänge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, dass das Umrechnen unter Verwendung von Winkelfunktionen mit grösserer Genauigkeit als bei der bekannten Vorrichtung möglich ist.
Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass an den Staudrucköffnungen der Vorrichtung Scheiben angeordnet sind, und dass die Staudruckleitungen über Bohrungen od. dgl. bis zu einer Öffnung in der Mitte der Scheiben geführt sind.
Durch die erfindungsgemässe Ausführung der Vorrichtung werden die Kurven der beiden Differenzdrükke einem sinus-bzw. einem kosinusähnlichen Verlauf soweit angenähert, dass die Winkelfunktionen zur einfachen Berechnung der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung herangezogen werden können. Dabei liegt der theoretische Fehler nur mehr bei t 15', was die Windrichtung anlangt, und bei t 10 %, was die Windgeschwindigkeit betrifft.
Eine strömungsgünstige Bauform der erfindungsgemässen Vorrichtung ergibt sich, wenn vorgesehen ist, dass die Scheiben kreisrund sind.
Wenn, wie gemäss der Erfindung vorgeschlagen, die Scheiben parallel zu zur Aussenfläche des Gehäuses tangentialen Ebenen ausgerichtet sind, dann wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besonders gut gelöst.
In einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Scheiben mit dem Gehäuse durch Rohrstücke verbunden sind, deren Durchmesser kleiner ist als jener der Scheiben. So wird die Genauigkeit der Messung von Windgeschwindigkeit einerseits und Windnchtung anderseits verbessert. Dabei können die Rohrstücke mit den Scheiben einstückig ausgebildet sein. Scheibe und Rohrstück bilden dann gemeinsam einen Strömungskörper, der in Fortsetzung der Staudrucköffnung Im Gehäuse der Vorrichtung senkrecht zur Zylinderwand absteht.
Das Einsetzen und Befestigen der Rohrstücke gestaltet sich besonders einfach, wenn die Rohrstücke mit je einem abgesetzten Teil in die Staudrucköffnungen eingreifen.
Um ein Vereisen der Scheiben zu verhindern, kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Rohrstücke und die Scheiben aus wärmeleitendem Werkstoff bestehen. Auf diese Weise wird die von der Heizung, die im Inneren des Gehäuses der Vorrichtung untergebracht ist, erzeugte Wärme ohne Probleme bis zur Scheibe geleitet. Bel der praktischen Ausführung der erfindungsgemässen Vomchtung wird man darauf zweckmässigerweise achten, dass der Querschnitt der Rohrstücke, der zur Leitung von Wärme zur
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Scheibe zur Verfügung steht, hinreichend gross ist, um ein Vereisen der Scheiben auch bei ungünstigen Witterungsverhältnissen zu verhindern.
In der Praxis hat sich eine Ausführungsform bewährt, bei welcher der Abstand der Scheiben vom Gehäuse im wesentlichen dem Durchmesser der Scheiben entspricht.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung des in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispieles der Erfindung. Es zeigt : Fig. 1 im Axialschnitt eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit und zum Bestimmen der Richtung von Luftströmungen (Wind), Fig. 2 eine Draufsicht zu Fig. 1, Fig. 3 in einem Winkel/Differenzdruckdiagramm die Kurven einer Vorrichtung ohne Scheiben an den Staudrucköffnungen und die Fig. 4 und 5 entsprechende Diagramme für erfindungsgemässe Vorrichtungen mit unterschiedlich gestalteten und bemessenen Scheiben bzw. Rohrstükken.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte, beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung besteht aus einem Grundkörper 1 und einem zylinderrohrförmigen Gehäuse 2. Die obere Endfläche von Grundkörper 1 und Gehäuse 2 wird von einer Kappe 3 abgedeckt.
In dem Grundkörper 1 sind vier Leitungen 4 (Kanäle) vorgesehen, die zu vier Staudrucköffnungen 5 führen. Wie auch Fig. 2 zeigt, liegen die Achsen der Staudrucköffnungen 5 in einer zur Achse des Grundkörpers 1 senkrechten Ebene und sind zueinander um 90. versetzt angeordnet.
In dem Raum 6 zwischen dem Grundkörper 1 und dem Gehäuse 2 ist eine elektrische Heizung 7 vorgesehen, um zu verhindern, dass die Vorrichtung Insbesondere im Bereich der Staudrucköffnungen 5 vereist.
An jede Staudrucköffnung 5 sind Strömungskörper 10 angesetzt, die den nachstehend beschriebenen Aufbau haben.
Jeder Strömungskörper 10 besteht aus einer Scheibe 11 und einem Rohrstück 12, die im gezeigten Ausführungsbeispiel einstückig ausgebildet sind. Die Rohrstücke 12 haben einen durchmesserverjüngten Ansatz 13, mit dem sie In die Staudrucköffnungen 5 des Grundkörpers 1 der Vorrichtung eingesetzt und dort befestigt sind.
Der Abstand der Scheiben 11 von der Aussenfläche des Gehäuses 2 ist Im wesentlichen gleich gross wie der Durchmesser der Scheiben.
Der Durchmesser der Rohrstücke 12 ist kleiner als Jener der Scheiben 11.
In jedem Strömungskörper 10 ist eine Bohrung 14 vorgesehen, die zur Achse der jeweiligen Staudruck- öffnung 5 koaxial angeordnet ist, und an der Aussenfläche der Scheibe 11 ins Freie mündet.
Die Leitungen 4 von jeweils zwei einander gegenüberliegenden Staudrucköffnungen 5 bzw. Strömungskörpern 10 führen zu einem Druckwandler, in dem der Differenzdruck der beiden einander gegenüberliegenden Staudrucköffnungen 5 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das zur Bestimmung gemeinsam mit dem dem Differenzdruck der beiden anderen einander gegenüberliegenden Staudrucköffnungen entsprechenden, elektrischen Signal von Windgeschwindigkeit und Windrichtung ausgewertet wird. Es ist auch möglich, jeder Staudrucköffnung 5 einen Druckwandler zuzuordnen und die belden von den Druckwandlern erhaltenen, elektrischen Signale zu vergleichen, so dass ein dem Differenzdruck entsprechendes Signal erhalten wird.
Flg. 3 zeigt für eine Vorrichtung ohne Strömungskörper 10 den Verlauf der Beziehung zwischen Differenzdruck und Windrichtung, die in einem Windkanal ermittelt worden ist. Dabei wurde die Vorrichtung gedreht. Die jeweilige Lage der Vorrichtung entspricht der im Diagramm genannten"Winkelstetlung". Wie ersichtlich, zeigen die Kurven Bereiche mit erheblichen Unstetigkeiten und überdies mehrere Nulldurchgän- ge, so dass sich bei der Auswertung theoretische Fehler in der Grössenordnung von t 30. (Windrichtung) ergeben. Fig. 4 zeigt in einem Fig. 3 analogen Diagramm den Verlauf der Kurven, wenn an die Staudrucköffnungen 5 die erfindungsgemässen Strömungskörper 10, bestehend aus Scheibe 11 und Rohrstück 12, angesetzt sind.
Im Fall der Fig. 4 hatten die Scheiben 11 einen Durchmesser von 7 mm, eine Dicke von 1 mm und die Rohrstücke 12 eine Länge von 6, 5 mm bei einem Durchmesser von 3 mm.
Fig. 5 zeigt den Verlauf der Kurven, wenn die Scheiben 11 einen Durchmesser von 12 mm, eine Dicke von 1 mm haben und die Rohrstücke 12 eine Länge von 6 mm bei einem Durchmesser von 10 mm hatten.
Die Bohrung 14 in den Strömungskörpern 10 betrug in allen Fällen 1, 5 mm.
Es ist ersichtlich, dass die In den Fig. 4 und 5 gezeigten Kurven einen wesentlich glatteren Verlauf haben, insbesondere wenn der Durchmesser der Rohrstücke 12 im Vergleich zum Durchmesser der Scheiben 11 klein ist. Es hat sich gezeigt (vgl. auch die Diagramme der Fig. 4 und 5), dass die Kurven "glatter" werden, Je kleiner der Durchmesser der Rohrstücke 12 im Vergleich zu dem Durchmesser der Scheibe 11 1St.
In der Praxis wird es aber darauf ankommen, das Vermögen der Rohrstücke 12, zu den Scheiben 11 Wärme zu leiten, mit dem Bestreben den Durchmesser der Rohrstücke Im Hinblick auf die Messgenauigkeit
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klein zu halten, zu optimieren, um Insbesondere Im Einsatz im Hochgebirge sicherzustellen. dass die Scheiben 11 der Strömungskörper 10 nicht vereisen.
Dabei ist darauf Rücksicht zu nehmen, dass die Heizwicklung 7 aus praktischen Gründen nur Im Inneren des Gehäuses 2 untergebracht werden kann. Eine für den Einsatz im Hochgebirge optimierte Ausführungsform Ist die in Fig. 1 gezeigte, bei der die Strömungskörper 10 mit einem Scheibendurchmesser von 12 mm, einer Scheibenstärke von 1 mm über Rohrstücke 12 mit einer Länge von 6 mm und einem Durchmesser von 10 mm ausgeführt sind. Der Aussendurchmesser des Gehäuses 2 beträgt hier 30 mm.
Zusammenfassend kann die Erfindung beispielsweise wie folgt dargestellt werden :
Eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit und zum Bestimmen der Richtung von Luftströmungen mit einem Gehäuse 2, in dem vier Staudrucköffnungen 5 in einer Ebene und zueinander um 90' versetzt angeordnet sind. Je zwei einander gegenüberliegender Staudrucköffnungen 5 sind über Leitungen 4 mit einem Druckwandler verbunden, in dem der Differenzdruck in ein elektrisches Signal aufgrund dessen zusammen mit dem dem Differenzdruck der beiden anderen Staudrucköffnungen 5 entsprechenden Signal von Geschwindigkeit und Richtung von Wind bestimmt wird. An jeder Staudrucköffnung 5 ist ein Strömungskörper 10 vorgesehen, der aus einem Rohrstück 12 und einer an dessen freiem Ende liegenden Scheibe 11 besteht.
Der Durchmesser der Scheibe 11 entspricht im wesentlichen ihrem Abstand von der Aussenfläche des Gehäuses 2 der Vorrichtung. Der Durchmesser der Rohrstücke 12 ist kleiner als jener der Scheiben 11. Aufgrund der Anordnung der Strömungskörper 10 ergibt sich ein definierter und keine Unstetigkeiten aufweisender Zusammenhang zwischen Windrichtung und dem Differenzdruck.