DE10147090A1

DE10147090A1 - Device for measuring the flow velocity of gases, especially the wind velocity, has a robust design based on a flow body that causes a flow blockage so that the resulting force on a support can be evaluated and related to velocity

Info

Publication number: DE10147090A1
Application number: DE2001147090
Authority: DE
Inventors: Wolfram Henning
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-04-17

Abstract

Device comprises a flow body (1) supported in a gas flow (4) by a support element (2). The connections between the flow body and the support element and between the support element and the base (3) are almost rigid without mechanical linkages or bearings. A sensor is uses to generate a signal that is a measure of the force acting on the support element due to the flow around the flow body and thus a measurement of the flow velocity.

Description

Technical field

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsrichtung von Gasen, insbesondere aber der Windgeschwindigkeit bzw. Windrichtung. The invention relates to an apparatus and a method for measuring the flow velocity or Direction of flow of gases, but especially the Wind speed or wind direction.

Stand der TechnikState of the art

Für Vorrichtungen zur Messung der Windgeschwindigkeit bzw. Windrichtung gibt es eine Vielzahl von Anwendungen. So ist beispielsweise beim Einsatz in Wetterstationen die Messung von Windgeschwindigkeit und -richtung erforderlich. Hierbei muss die Windmesseinrichtung über lange Zeiträume unbeaufsichtigt zuverlässig funktionieren. Ein anderes Einsatzgebiet ist die Grenzwertüberwachung der Windgeschwindigkeit beispielsweise bei automatischen Sonnenschutzeinrichtungen oder Markisen. Hier muss lediglich das Überschreiten einer bestimmten Windgeschwindigkeit festgestellt werden, so dass die Sonnenschutzeinrichtung in eine Sicherheitsposition, bei der sie nur eine geringe Windangriffsfläche bietet, gebracht werden kann. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist in der Schifffahrt, insbesondere bei Segelbooten. Hier sind Kenntnisse der aktuellen Windrichtung und -geschwindigkeit besonders wichtig. Üblicherweise wird der Windsensor hier hoch am Mast befestigt, so dass er durch die Strömung des Segels nicht beeinträchtigt wird. Hier ist es insbesondere wichtig, einen zuverlässigen Windsensor zur Verfügung zu haben, da ein Auswechseln bzw. eine Reparatur des Sensors am Mast oder an der Mastspitze nur mit hohem Aufwand möglich ist. For devices for measuring the wind speed or wind direction there are a variety of applications. For example, when used in weather stations Measurement of wind speed and direction required. Here, the wind measuring device must be used for a long time Periods work reliably unattended. On another area of application is the limit value monitoring of Wind speed, for example with automatic Sun protection devices or awnings. Here just has to exceeding a certain wind speed be determined so that the sun protection device in a security position where they are only a little Offers wind attack surface, can be brought. On another important area of application is in shipping, especially in sailboats. Here is knowledge of current wind direction and speed in particular important. Usually the wind sensor gets high here Mast attached so that it through the flow of the sail is not affected. Here it is in particular important to have a reliable wind sensor available have to replace or repair the sensor on the mast or on the mast tip only with great effort is possible.

Eine der am häufigsten eingesetzten Windmesseinrichtungen sind die sogenannten Schalenstern-Anemometer. Ein solches Gerät ist beispielsweise in der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 201 02 751 U1 beschrieben. Es besteht aus mehreren um eine Achse drehbar gelagerten Hohlkörpern, welche durch eine Windströmung in Drehung versetzt werden. Die Drehgeschwindigkeit ist ein Maß für die Windgeschwindigkeit. Mit einem solchen Anemometer kann nur die Geschwindigkeit, nicht aber die Windrichtung bestimmt werden. Hierzu ist ein zusätzlicher Windrichtungsgeber, beispielsweise aus einer drehbar gelagerten Platte, welche sich in Windrichtung stellen kann, notwendig. Somit sind für die Messung von Geschwindigkeit und Richtung zwei getrennte Sensoren, welche jeweils drehbar gelagerten Komponenten besitzen, notwendig. Um eine ausreichende Messgenauigkeit zu gewährleisten, müssen die Lager regelmäßig gewartet bzw. ersetzt werden. One of the most commonly used wind measuring devices are the so-called shell star anemometers. On such device is, for example, in the German Utility model specification DE 201 02 751 U1 described. It exists from several rotatably mounted around an axis Hollow bodies, which are rotated by a wind current become. The speed of rotation is a measure of that Wind speed. With such an anemometer can only the speed, but not the wind direction determines become. There is an additional wind direction sensor for this, for example from a rotatably mounted plate, which can turn in the wind direction is necessary. Consequently are for measuring speed and direction two separate sensors, each rotatable own stored components. To be sufficient The bearings must ensure measurement accuracy are regularly serviced or replaced.

Eine andere Ausführung eines Anemometers ist in der japanischen Patentschrift 59057165 A beschrieben. Darin wird ein Propeller zur Messung der Windgeschwindigkeit eingesetzt. Der Propeller selbst ist wieder um eine vertikale Achse drehbar angeordnet, so dass er sich entsprechend dem Wind ausrichten kann. Auch hier sind mehrere Lager und weitere bewegte mechanische Komponenten notwendig, so dass auch diese Einrichtung einer kontinuierlichen Wartung bedarf. Another version of an anemometer is in the Japanese Patent 59057165 A. In it a propeller to measure wind speed used. The propeller itself is vertical again Axis rotatably arranged so that it turns accordingly can align with the wind. There are also several camps here and other moving mechanical components necessary, so that even this establishment of a continuous Maintenance required.

Ein weiteres, mechanisches Anemometer ist in dem deutschen Gebrauchsmuster G 88 14 788.6 offenbart. Darin wird eine als Pendel aufgehängte Kugel durch den Wind ausgelenkt. Die Auslenkung ist ein Maß für die Windgeschwindigkeit. Derartige Anemometer besitzen ebenfalls wartungsaufwendige Lager und andere mechanische Komponenten. Weiterhin sind sie richtungsempfindlich. Es ist aber keine Ausgestaltung offenbart, wie mit einem derartigen Anemometer Richtungs- bzw. Geschwindigkeitsinformationen ermittelt werden können. Another mechanical anemometer is in the German utility model G 88 14 788.6 disclosed. In it a ball suspended as a pendulum by the wind deflected. The deflection is a measure of that Wind speed. Such anemometers also have maintenance-intensive bearings and other mechanical components. They are also sensitive to direction. But it is no configuration disclosed as with such Anemometer direction or speed information can be determined.

Der Nachteil der zuvor beschriebenen Anemometer mit mechanisch bewegten Teilen wird in passiven Anemometern, wie beispielsweise in der US Patentschrift 5,357,795 offenbart, vermieden. Hier werden Orthogonal angeordnete thermische Windsensoren eingesetzt. Derartige Windsensoren haben allerdings den Nachteil, dass geringe Windgeschwindigkeiten nur schwer zu messen sind. Zudem sind Windsensoren unterschiedlichsten Umweltbedingungen ausgesetzt. Insbesondere beim Einsatz auf Schiffen lässt sich ein Kontakt mit dem korrosionsfördernden Salz nicht verhindern. Dies führt zu einer kurzen Lebensdauer dieser Sensoren und damit zu hohen Unterhalts- bzw. Wartungskosten. The disadvantage of using the anemometer described above mechanically moving parts are used in passive anemometers, such as in U.S. Patent 5,357,795 disclosed, avoided. Orthogonal ones are arranged here thermal wind sensors used. such However, wind sensors have the disadvantage that they are low Wind speeds are difficult to measure. Also are Wind sensors in various environmental conditions exposed. Especially when used on ships contact with the corrosion-promoting salt prevent. This leads to a short lifespan of this Sensors and thus too high maintenance or Maintenance costs.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsrichtung von Gasen, insbesondere der Windgeschwindigkeit bzw. Windrichtung bereitzustellen, welche die zuvor genannten Nachteile nicht mehr aufweist und insbesondere unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig und wartungsarm zu betreiben ist. The invention has for its object a Device for measuring the flow rate or Flow direction of gases, especially the To provide wind speed or wind direction, which the no longer has the aforementioned disadvantages and Reliable and reliable, especially under harsh environmental conditions is low-maintenance to operate.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. An inventive solution to this problem is in Claim 1 specified. Developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Strömungskörper, welcher mittels eines Halteelementes befestigt ist. Der Strömungskörper kann selbstverständlich auch aus mehreren Teilen bestehen. Das Halteelement selbst ist fest mit dem die Vorrichtung tragenden Teil, wie beispielsweise einem Schiffsmast oder dem Träger einer Wetterstation verbunden. Beide Verbindungen sind vorzugsweise starr, in jedem Falle aber ohne mechanische Gelenke bzw. Lager ausgeführt. Die gegen den Strömungskörper anströmende Luftströmung erzeugt eine Kraft auf diesen, welche vom Halteelement aufgenommen wird. Die Kraft ist ein Maß für die Windgeschwindigkeit. Zur Ermittlung dieser Kraft ist mindestens ein Sensor vorgesehen. Wesentlich für die Erfindung ist, das mittelbar oder unmittelbar zur Messung keine mechanischen Bewegungen mittels mechanischer Gelenke oder Lager notwendig sind. So entspricht beispielsweise auch eine durch ein Gelenk zeitweilig umklappbare Vorrichtung, welche beispielsweise zum Schutz vor zu hohen Windgeschwindigkeiten einklappbar, aber zur Messung selbst ausgeklappt und fest arretiert ist, dem Erfindungsgedanken. Da nahezu alle bekannten Kraftsensoren die Kraft mittelbar über Weg- oder Winkeländerungen erfassen, ist die erfindungsgemäße Anordnung zumindest in den zur Kraft- bzw. Wegmessung eingesetzten Bereichen elastisch gestaltet. Die exakte Dimensionierung der Elastizität richtet sich nach den eingesetzten Sensoren bzw. den zu messenden Windgeschwindigkeiten. Werden beispielsweise Dehnungsmessstreifen eingesetzt, so genügt meist eine nur sehr geringe Elastizität mit entsprechend geringer Verformung, da Dehnungsmessstreifen meist sehr empfindlich sind. Wird dagegen beispielsweise ein Ultraschall-Sensor eingesetzt, so sind große Auslenkungen im Bereich mehrerer mm beziehungsweise cm notwendig, um eine akzeptable Auflösung zu erhalten. The device according to the invention comprises a Flow body, which is fastened by means of a holding element is. The flow body can of course also be made of consist of several parts. The holding element itself is firmly with the part supporting the device, such as for example a ship mast or the carrier of a Weather station connected. Both connections are preferably rigid, but in any case without mechanical joints or warehouse executed. The against the flow body incoming air flow creates a force on it, which is taken up by the holding element. The force is a measure of wind speed. For investigation this force, at least one sensor is provided. It is essential for the invention that indirectly or no mechanical movements immediately for measurement mechanical joints or bearings are necessary. So also corresponds, for example, to a joint temporarily foldable device which, for example, for Protection against excessive wind speeds can be folded in, but unfolded for measurement and locked in place is the idea of the invention. Since almost all known Force sensors transmit the force indirectly via displacement or Detecting changes in angle is the arrangement according to the invention at least in those used for force or displacement measurement Areas elastic. The exact dimensioning the elasticity depends on the used Sensors or the wind speeds to be measured. Become For example, strain gauges are used, so it suffices usually only a very low elasticity with accordingly less deformation, since strain gauges are usually very are sensitive. On the other hand, for example Ultrasonic sensor used, so there are large excursions in the A range of several mm or cm is necessary to achieve a to get acceptable resolution.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Halteelement stabförmig ausgebildet. Vorzugsweise ist dabei der Querschnitt des Halteelementes kreisförmig. Als Folge davon lässt sich eine ungehinderte und wirbelfreie Luftströmung im Bereich der Strömungskörpers erreichen. Weiterhin lässt sich damit der Strömungskörper weit genug von anderen störenden Teilen absetzen. In a preferred embodiment of the invention the holding element is rod-shaped. Preferably the cross section of the holding element is circular. As The consequence of this is an unhindered and vortex-free Reach air flow in the area of the flow body. Furthermore, the flow body can be stretched far enough separate from other disruptive parts.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Sensor als Wegsensor ausgebildet, welcher die Verformung des Halteelementes ermittelt. Durch die Krafteinwirkung des Strömungskörpers auf das Halteelement wird sich dieses zumindest geringfügig verformen. Eine solche Verformung lässt sich mit geeigneten, dem Stand der Technik entsprechenden Sensoren ermitteln. Dabei ist das Halteelement bevorzugt so zu dimensionieren, dass es sich hinreichend stark verformt. Weiterhin ist gerade bei einer richtungssensitiven Messung das Halteelement symmetrisch auszubilden, so dass bei einer Anströmung aus unterschiedlichen Richtungen der gleiche Strömungswiderstand besteht. In a further advantageous embodiment of the Invention, at least one sensor is designed as a displacement sensor, which determines the deformation of the holding element. Due to the force of the flow body on the Holding element this will at least slightly deform. Such deformation can be determine sensors corresponding to the state of the art. The holding element is preferably closed in this way dimension that it deforms sufficiently strong. Farther is that especially for a direction-sensitive measurement Form the holding element symmetrically, so that at one Inflow from different directions is the same Flow resistance exists.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden als Sensoren zur Messung der Verformung des Halteelementes wahlweise Piezosensoren, Dehnungsmeßstreifen, oder auch faseroptischen Sensoren eingesetzt. In a further advantageous embodiment of the Invention are used as sensors for measuring deformation of the holding element optionally piezo sensors, Strain gauges, or fiber optic sensors used.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Halteelement einen wesentlich geringeren Querschnitt und damit einen kleineren Strömungswiderstand als der Strömungskörper besitzt. Dies ermöglicht eine einfachere Dimensionierung des Strömungskörpers, da damit der Strömungswiderstand des Halteelementes weitgehend vernachlässigt werden kann. Weiterhin ergibt sich mit einer derartigen Ausgestaltung auch bei schräger Anströmung, unter Winkeln, welche nicht senkrecht zum Halteelement stehen, ein konstanter Strömungswiderstand. Another advantageous embodiment of the invention is that the holding element is essential smaller cross-section and thus a smaller one Has flow resistance than the flow body. This enables easier dimensioning of the Flow body, because the flow resistance of the holding element can be largely neglected. Furthermore results himself with such a configuration even at an angle Inflow, at angles that are not perpendicular to the Holding element stand, a constant flow resistance.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungskörper zur Strömungsmessung in nur einer Achse flächig ausgebildet. Dadurch üben Strömungen aus unerwünschten Richtungen keine zusätzlichen Kräfte auf die Messeinrichtung aus. In a further embodiment of the invention, the Flow body for flow measurement in only one axis flat. As a result, currents exert undesirable directions no additional forces on the Measuring device.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungskörper zur Strömungsmessung in zwei Achsen rotationssymmetrisch ausgebildet. Dabei ist die Rotationsachse senkrecht zu den beiden Achsen der Strömung. Durch diese rotationssymmetrische Ausbildung ergibt sich ein konstanter Strömungswiderstand unabhängig von der Strömungsrichtung. In a further embodiment of the invention, the Flow body for flow measurement in two axes rotationally symmetrical. Here is the Rotation axis perpendicular to the two axes of the flow. By this rotationally symmetrical design results constant flow resistance regardless of the Flow direction.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass im Falle einer Strömungsmessung in drei Achsen der Strömungskörper kugelförmig ausgebildet ist. Durch diese Kugelförmige Ausbildung ergibt sich in allen zu messenden Achsen ein konstanter Strömungswiderstand. Another advantageous embodiment of the invention is that in the case of a flow measurement in three Axes of the flow body is spherical. This spherical formation results in all axes to be measured a constant flow resistance.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere zur Messung der Strömung in mehr als einer Achse, werden mehrere Sensoren eingesetzt, welche vorzugsweise auf orthogonal zueinander stehenden Achsen angeordnet sind. Durch diese Anordnung ist eine spätere rechnerische Auswertung der einzelnen Richtungskomponenten besonders einfach. In a further advantageous embodiment of the Invention, especially for measuring the flow in more than one axis, several sensors are used, which preferably on axes orthogonal to each other are arranged. This arrangement is a later one arithmetical evaluation of the individual Direction components particularly simple.

Einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird beim Einsatz mehrerer Sensoren die Strömungsgeschwindigkeit durch Ermittlung des Betrags des Geschwindigkeitsvektors bestimmt. Diese ist beispielsweise bei orthogonal zueinander angeordneten Sensoren die Wurzel aus der Summe der Quadrate der einzelnen Geschwindigkeitswerte. A further advantageous embodiment is the Using multiple sensors to measure the flow rate Determination of the amount of the speed vector certainly. This is, for example, orthogonal sensors arranged to each other take the root of the sum of the Squares of the individual speed values.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Ermittlung der Strömungsrichtung durch Ermittlung der Richtung des Geschwindigkeitsvektors. Somit kann nicht nur die Windgeschwindigkeit, sondern auch die Windrichtung aus den Sensorsignalen abgeleitet werden. In another embodiment of the invention, the Determining the direction of flow by determining the Direction of the speed vector. So can't only the wind speed, but also that Wind direction can be derived from the sensor signals.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein weiterer, vorzugsweise identisch ausgeführter Strömungskörper mit mindestens einem Sensor an einem Windgeschützten Ort angebracht. Weiterhin ist eine Kompensationsvorrichtung vorgesehen, welche die Störgrößen der Messung des ersten Strömungskörpers kompensiert. Zur Kompensation wird zumindest eine Messgröße des bzw. der weiteren Strömungskörper verwendet. So können beispielsweise beim Einsatz der Vorrichtung in Booten Messfehler, welche durch Neigung entstehen, kompensiert werden. So entsteht bei einer Neigung des Strömungskörpers eine zusätzliche Kraftkomponente, welche nicht mehr senkrecht nach unten, sondern auch zur Seite wirkt. Diese Kraftkomponente ist von einer durch den Strömungsdruck hervorgerufenen Kraft nicht mehr zu unterscheiden. Sie wirkt allerdings auch auf den Windgeschützten Strömungskörper ein. Damit ergibt sich durch Neigung die gleiche Kraftkomponente in beiden Strömungskörpern. Diese kann nun auf einfache Weise durch Subtraktion kompensiert werden. Ebenso ist eine Temperaturkompensation möglich. Somit lassen sich auf diese Art besonders genaue Sensoren realisieren. In a further advantageous embodiment of the The invention is at least one further, preferably identical executed flow body with at least one sensor installed in a wind-protected place. Furthermore is a compensation device is provided which Disturbance variables of the measurement of the first flow body compensated. At least one measured variable is used for compensation the or the other flow body used. So can, for example, when using the device in boats Measurement errors caused by inclination are compensated become. Thus, when the Flow body an additional force component, which is no longer vertically downwards, but also to the side. This Force component is one by the flow pressure indistinguishable force created. she however also affects the wind-protected Flow body. The slope is the same Force component in both flow bodies. This can now easily compensated by subtraction become. Temperature compensation is also possible. In this way, particularly precise sensors can be made realize.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Kompensation der Störgrößen nicht mittels weiterer Strömungskörper, sondern durch die Signale zusätzlicher Sensoren, welche beispielsweise Temperatur, Neigung oder auch Geschwindigkeit eines die Vorrichtung tragenden Fahrzeuges ermitteln. So kann ein bekannter Temperaturkoeffizient eines Sensors zur Messung der durch den Strömungskörper ausgeübten Kraft auch mittels der Temperaturmesswerte eines zusätzlichen Temperatursensors kompensiert werden. Ebenso ist eine Neigungskompensation auch mittels eines zusätzlichen Neigungssensors, oder eines anderen Sensors, der ein der Neigung entsprechendes Signal liefert, möglich. Insbesondere bei bewegten Fahrzeugen, wie beispielsweise bei Segelbooten ist es nur schwer möglich, die absolute Windgeschwindigkeit mittels Sensoren auf dem Fahrzeug zu ermitteln. Die an dem Fahrzeug gemessene Windgeschwindigkeit ergibt sich durch Vektoraddition des Vektors der tatsächlichen Windgeschwindigkeit mit dem Vektor der Fahrzeuggeschwindigkeit. Und nun die tatsächliche Windgeschwindigkeit zu ermitteln, wird von dem Vektor der gemessenen Windgeschwindigkeit der Vektor der Fahrzeuggeschwindigkeit subtrahiert. Zu Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit ist meist ein zusätzlicher Sensor vorzusehen. Selbstverständlich kann diese auch beispielsweise aus einem Satellitennavigationssystem ermittelt werden. In another embodiment of the invention, the Compensation of the disturbance variables not by means of further Flow body, but through the signals additional Sensors which, for example, temperature, inclination or also the speed of a device carrying the device Determine vehicle. So a well-known Temperature coefficient of a sensor for measuring the through the Flow body exerted force also by means of Temperature readings from an additional temperature sensor be compensated. Inclination compensation is also the same by means of an additional inclination sensor, or one other sensor that corresponds to the inclination Signal delivers, possible. Especially when moving It is difficult for vehicles such as sailing boats possible to use the absolute wind speed Detect sensors on the vehicle. The on the vehicle measured wind speed results from Vector addition of the actual wind speed vector with the vector of vehicle speed. And now that actual wind speed is determined by the vector of the measured wind speed the vehicle speed subtracted. To determine the vehicle speed is usually an additional one Sensor. Of course, this can also for example from a satellite navigation system be determined.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Strömungskörper eine Beleuchtung. Eine derartige Beleuchtung kann beispielsweise reflektierende Eigenschaften der Oberfläche des Strömungskörpers bei einer Beleuchtung von außen ausnutzen. Alternativ kann im Falle eines zumindest teilweise lichtdurchlässigen Strömungskörpers eine Beleuchtung von innen erfolgen. Hierbei erfolgt die Lichtzufuhr vorzugsweise mittels mindestens einer lichtleitenden Faser. Ein derartiger beleuchteter Strömungskörper kann beispielsweise als Positionslicht oder auch als Warnlicht eingesetzt werden. In a further embodiment of the invention, the Flow body lighting. Such For example, lighting can have reflective properties Surface of the flow body when illuminated by exploit outside. Alternatively, in the case of one at least partially translucent flow body a Lighting from the inside. This is where the Light supply preferably by means of at least one light-guiding fiber. Such an illuminated flow body can, for example, as a position light or as Warning light can be used.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungskörper bzw. das Halteelement beheizbar ausgeführt. Dadurch kann die Kondensation von Feuchtigkeit bzw. Eisbildung verhindert werden. Durch die zusätzlichen Kräfte der Massen bzw. geänderten Strömungsquerschnitte eines Feuchtigkeits- bzw. Eisbelages können Messfehler entstehen, welche sich durch diese Heizung vermeiden lassen. In a further embodiment of the invention, the Flow body or the holding element heatable executed. This can cause the condensation of moisture or ice formation can be prevented. Through the additional Forces of the masses or changed flow cross sections a moisture or ice layer can cause measurement errors arise, which are avoided by this heating to let.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsrichtung von Gasen, insbesondere der Windgeschwindigkeit bzw. Windrichtung werden die Signale mindestens eines Sensors zu Ermittlung der durch einen Strömungskörper erzeugten Kraft ausgewertet. Der Strömungskörper selbst ist mittels eines Halteelements vorzugsweise starr mit dem die Vorrichtung tragenden Teil verbunden. In a method according to the invention for measuring the Flow velocity or flow direction from Gases, especially the wind speed or The signals of at least one sensor turn towards the wind Determination of the force generated by a flow body evaluated. The flow body itself is by means of a Holding element preferably rigid with the device supporting part connected.

Description of the drawings

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. The invention is hereinafter without limitation general inventive concept based on Exemplary embodiments with reference to the drawings described.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 Allgemeine Ausführungsform der Erfindung Fig. 1 General embodiment of the invention

Fig. 2 Beispielhafte Anordnung eines Dehnungsmessstreifen-Sensors Fig. 2 Exemplary arrangement of a strain gauge sensor

Fig. 3 Vorrichtung mit Sensoren zur Messung in drei Achsen Fig. 3 device with sensors for measurement in three axes

Fig. 1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Ein Strömungskörper (1) ist mittels eines Halteelementes (2) an dem die gesamte Vorrichtung tragenden Teil (3) befestigt. Durch eine Gasströmung, insbesondere durch Wind (4) wird der Strömungskörper angeblasen. Die durch den Strömungsdruck ausgeübte Kraft wird in das Halteelement eingeleitet und über dieses weiter an das die Vorrichtung tragende Teil übertragen. Die Kraft bzw. eine durch diese Kraft erzielte Verformung insbesondere des Halteelementes wird durch einen Sensor (5) ermittelt. Als Sensor können unterschiedliche, dem Stand der Technik entsprechenden Systeme, wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen, Piezosensoren oder auch Ultraschallsensoren eingesetzt werden. Entsprechend der Sensortechnologie sind unterschiedliche Anbringungsorte des Sensoren besonders vorteilhaft. So wird beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen-Sensor oder auch Fasersensoren, welche beispielsweise Dämpfungs- bzw. Polarisationsänderungen ermitteln vorzugsweise am Ort der größten Durchbiegung angebracht. Dieser Ort der größten Durchbiegung (5a) liegt an der Stelle des maximalen Biegemomentes, also an der von dem Strömungskörper entferntesten Stelle, dem Übergang zwischen dem Halteelement und den tragenden Teil. Dem Fachmann ist bekannt, dass unmittelbar an diesem Übergang kein Sensor montierbar ist, da hier die Durchbiegung nicht exakt definiert ist. Daher ist ein Ort, welcher geringfügig von dieser Stelle entfernt ist zu wählen. Wird beispielsweise einen Sensor wie ein Ultraschallsensor, ein Radarsensor oder auch ein Laserinterferometer eingesetzt, so ist diese bevorzugt an einer Stelle mit großer Auslenkung (5b) anzukoppeln. Dies kann beispielsweise der Strömungskörper selbst oder ein Ort möglichst nahe an diesem Strömungskörper sein. Fig. 1 shows schematically a device according to the invention in general form. A flow body ( 1 ) is fastened to the part ( 3 ) carrying the entire device by means of a holding element ( 2 ). The flow body is blown by a gas flow, in particular by wind ( 4 ). The force exerted by the flow pressure is introduced into the holding element and further transmitted via this to the part carrying the device. The force or a deformation achieved by this force, in particular of the holding element, is determined by a sensor ( 5 ). Different systems corresponding to the prior art, such as strain gauges, piezo sensors or also ultrasonic sensors, can be used as sensors. Depending on the sensor technology, different locations of the sensor are particularly advantageous. For example, a strain gauge sensor or fiber sensors, which for example determine changes in attenuation or polarization, are preferably attached at the location of the greatest deflection. This location of the greatest deflection ( 5 a) lies at the point of the maximum bending moment, that is at the point furthest from the flow body, the transition between the holding element and the supporting part. It is known to the person skilled in the art that no sensor can be mounted directly at this transition, since the deflection is not exactly defined here. Therefore, a location that is slightly away from this point should be selected. If, for example, a sensor such as an ultrasound sensor, a radar sensor or a laser interferometer is used, it should preferably be coupled at a point with a large deflection ( 5 b). This can be, for example, the flow body itself or a location as close as possible to this flow body.

Fig. 2 zeigt die beispielhafte Anordnung eines Dehnungsmessstreifen-Sensors (5). Dieser Dehnungsmessstreifen ist wie zuvor beschrieben, an einer Stelle des Halteelementes (2) nahe an dem die Vorrichtung tragenden Teil (3) angeordnet. Das Halteelement (2) ist hier beispielsweise mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung (6) an dem die Vorrichtung tragenden Teil befestigt. Ebenso kann diese Befestigung auch beispielsweise durch eine Klebeverbindung bzw. einen Formschluss realisiert werden. Es ist auch möglich, das Halteelement und das die Vorrichtung tragende Teil aus einem Stück zu fertigen. Fig. 2 illustrates the exemplary arrangement shows a strain gauge sensor (5). As described above, this strain gauge is arranged at a location on the holding element ( 2 ) close to the part ( 3 ) carrying the device. The holding element ( 2 ) is fastened here, for example by means of a welded or soldered connection ( 6 ), to the part carrying the device. This attachment can also be realized, for example, by an adhesive connection or a positive connection. It is also possible to manufacture the holding element and the part carrying the device from one piece.

Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Sensoren zur Messung in drei Achsen. Hier sind auch wieder wie in Fig. 2 beschrieben, Sensoren zur Messung der Durchbiegung des Halteelementes am Fuße des Halteelementes an geordnet. Im vorliegenden Beispiel sind dies ein erstes Sensor (5x) zur Messung der X-Achse sowie ein vorzugsweise senkrecht zu diesem angeordneter zweiter Sensor (5y) zur Messung der Y-Achse. Ein dritter Sensor (5z) zur Messung der Z-Achse ist an einer Biegebalken-Anordnung (7) angebracht und beispielhaft mit einer Schraube (8) fixiert. Diese ist zwischen den Fuß des Halteelementes (2) und dem die Vorrichtung tragenden Teil (3) angeordnet. Durch Kräfte in Richtung der Achse des Halteelementes ergibt sich eine parallele Verschiebung der beiden Enden der Biegebalken-Anordnung. Der Dehnungsmessstreifen ist nun dem Stand der Technik entsprechend angebracht, so dass er ein der Verschiebung entsprechendes Signal abgibt. Durch die se Anordnung ist eine Messung der auf den Strömungskörper einwirkenden Kräfte in drei Achsen möglich. Somit kann die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Strömungsrichtung im drei-dimensionalen Raum ermittelt werden. Eine solche Messung ist beispielsweise bei Segelbooten vorteilhaft, bei denen insbesondere bei starkem Wind der Mast und damit der Vorzugsweise daran montierte Windsensor nicht mehr senkrecht zur Wasseroberfläche stehen. Hier ist dennoch - insbesondere nach Korrektur der Messwerte mittels der Neigungswerte eines Neigungssensors zur Messung der Neigung des Bootes bzw. des Mastes - eine exakte Messung der Windrichtung möglich. Ist die Geschwindigkeit des den Windsensor tragenden Fahrzeuges bekannt, so kann auch die exakte absolute Windgeschwindigkeit ermittelt werden. Fig. 3 shows an exemplary embodiment of the inventive device with sensors for measuring in three axes. Here again, as described in FIG. 2, sensors for measuring the deflection of the holding element at the foot of the holding element are arranged. In the present example, these are a first sensor ( 5 x) for measuring the X axis and a second sensor ( 5 y), preferably arranged perpendicular to this, for measuring the Y axis. A third sensor ( 5 z) for measuring the Z axis is attached to a bending beam arrangement ( 7 ) and, for example, fixed with a screw ( 8 ). This is arranged between the foot of the holding element ( 2 ) and the part ( 3 ) carrying the device. Forces in the direction of the axis of the holding element result in a parallel displacement of the two ends of the bending beam arrangement. The strain gauge is now attached according to the state of the art, so that it emits a signal corresponding to the displacement. This arrangement enables the forces acting on the flow body to be measured in three axes. The flow velocity or the flow direction in the three-dimensional space can thus be determined. Such a measurement is advantageous, for example, in sailboats in which the mast, and thus the wind sensor preferably mounted thereon, are no longer perpendicular to the water surface, particularly in strong winds. However, an exact measurement of the wind direction is possible here - in particular after correcting the measured values by means of the inclination values of an inclination sensor for measuring the inclination of the boat or the mast. If the speed of the vehicle carrying the wind sensor is known, the exact absolute wind speed can also be determined.

Claims

1. Device for measuring the flow speed or flow direction of gases, in particular the wind speed or wind direction, comprising a flow body ( 1 ) in the gas stream ( 4 ), which is attached to the part ( 3 ) carrying the device by means of a holding element ( 2 ), characterized in that the connection between the flow body and the holding element and the connection between the holding element and the part carrying the devices is made approximately rigid, without mechanical joints or bearings, and at least one sensor for emitting at least one signal is present, which is a measure of the force introduced into the holding element by the flow body.

2. Device according to claim 1, characterized in that the holding element rod-shaped, preferably with circular cross section is formed.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that at least one sensor is designed as a displacement sensor and by the force application of the Flow body in the holding element caused deformation of the Holding element determined.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that for measuring either piezo sensors, Strain gauges or sensors with light-conducting fibers be used.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the holding element in comparison to Flow body has a small flow cross section.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the flow body for flow measurement in only an axis is flat.

7. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the flow body for flow measurement in 2 axes is rotationally symmetrical.

8. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the flow body for flow measurement in 3 axes is spherical.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that if several sensors are used, these preferably on axes orthogonal to each other are arranged.

10. The device according to one of claims 1 to 9, characterized in that if several sensors are used, the Determination of the flow velocity by determination of the amount of the speed vector.

11. The device according to one of claims 1 to 10, characterized in that if several sensors are used, the Determining the direction of flow by determining the Direction of the speed vector takes place.

12. The device according to one of claims 1 to 11, characterized in that with at least one other flow body associated holding element and at least one sensor a place protected from the wind, and a compensation device is also provided, what disturbances of measurement of the first Flow body such as temperature or inclination by measuring the second or the other Flow body compensated.

13. The device according to one of claims 1 to 12, characterized in that at least one further sensor for detecting Disturbances such as temperature, inclination or speed is the device supporting Vehicle is provided, and still one Compensation device is present, which the Corrected sensor data accordingly.

14. The device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the flow body has an illumination, where the light supply preferably by means of light-conducting fibers.

15. The device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the flow body or the holding element can be heated to prevent moisture condensation or To prevent ice formation.

16. Method of measuring the Flow velocity or flow direction of gases, in particular the wind speed or wind direction by means of a flow body, which by means of a Holding element on the carrying the measuring device Part is attached characterized in that the flow body with the holding element and this with the part carrying the devices preferably rigid, without mechanical joints or bearings is connected and the signals at least continue of a sensor to determine the by the Flow body force introduced into the holding element be evaluated.