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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zum Messen einer Geschwindigkeit einer Strömung mit einem in die Strömung eintauchenden Widerstandskörper, mit einem einen runden Querschnitt aufweisenden Ausleger, der an seinem einen Ende an einer Bezugsstruktur gelagert ist, mit einem elastisches Lager zwischen dem Ausleger und der Bezugsstruktur, das Auslenkungen des Widerstandskörpers gegenüber der Bezugsstruktur sowohl in beiden Raumrichtungen senkrecht zu dem Ausleger als auch in Raumrichtung des Auslegers elastisch abstützt, und mit Einrichtungen zum Erfassen der elastisch abgestützten Auslenkungen des Widerstandskörpers.
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STAND DER TECHNIK
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Mit Schalenstern- und Flügelradanemometern lässt sich der Betrag einer Strömungsgeschwindigkeit in einer Richtung messen. Zur zusätzlichen Messung der Richtung der Strömung sind weitere Einrichtungen, wie beispielsweise Windfahnen mit zugehörigem Winkeldecoder, erforderlich.
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Für die präzise Messung kleiner Strömungsgeschwindigkeiten werden Hitzedrahtsonden verwendet. Auch hier sind zusätzliche Einrichtungen vorzusehen, um die Richtung der Strömung zu erfassen.
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Zur zwei- oder dreidimensionalen Messung einer Geschwindigkeit einer Strömung werden Ultraschall- und Laser-Doppler-Anemometer verwendet. Hierbei handelt es sich um vergleichsweise komplexe Einrichtungen.
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Mit der Particle Image Velocimetry (PIV) kann ein Strömungsfeld sichtbar gemacht werden, und die Geschwindigkeitskomponenten einzelner Volumenelemente können berechnet werden. Auch hierfür sind vergleichsweise komplexe Einrichtungen erforderlich.
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Aus der
DE 39 39 573 A1 ist ein Sensor zur Messung von Kräften und hieraus ableitbarer physikalischer Größen bekannt. Dieser Sensor dient z. B. zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Flüssigkeiten oder Gasen und verwendet einen in die Strömung eintauchenden Widerstandskörper, dessen Verformung als Maß für die angreifende Widerstandskraft und damit als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird. In einer Ausführungsform des bekannten Sensors ist die Verformbarkeit auf eine Biegestellte eines stabförmigen Lichtleitkörpers beschränkt, der eine strömungsquerschnittsvergrößernde Kugel trägt. Die Biegung des Lichtleitstabs an der Biegestelle wird durch die Änderung der Richtung erfasst, in der Licht aus dem freien Ende des Lichtleitstabs austritt. Dazu ist an einer der Biegestelle gegenüber liegenden Seite eines die Strömung führenden Kanals ein Positionssensor angeordnet.
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Aus der
DE 31 38 985 A1 ist ein Fahrtmesser bekannt, der in einem Strömungskanal, der an seinen beiden Enden in der Fahrtrichtung offen ist, eine Windfahne aufweist. Die Windfahne ist in dem Strömungskanal quer zur Durchflussrichtung stehend an einem Ende eingespannt und besteht aus einem Federmaterial mit temperaturabhängigem Federverhalten. Eine Messeinrichtung erfasst die Durchbiegung der Windfahne. Die Messeinrichtung kann einen Dehnungsmessstreifen aufweisen, der fest auf die Windfahne aufgebracht ist. Es können auch paarweise nach Art einer Brückenschaltung angeschlossene Dehnungsmessstreifen an der Windfahne angebracht sein. Alternativ kann die Messeinrichtung die Auslenkung des freien Endes der Windfahne erfassen, beispielsweise durch einen daran angebrachten Permanentmagneten und einen dem Permanentmagneten gegenübergesetzten magnetfeldabhängigen Sensor, wie beispielsweise einen Hallsensor.
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Aus der
DE 32 22 591 A1 ist ein Messfühler bekannt, bei dem eine Lichtleitfaser als einseitig eingespannter Stab verwendet wird, in den an der Einspannseite Licht eingeleitet wird. Das Licht erzeugt dem freien Ende des Stabs gegenüber einen Lichtpunkt, dessen Auslenkung aus einer Ruhelage nach Betrag und Richtung ein Maß für die auf die Lichtleitfaser ausgeübte Kraft ist. Die Lage des Lichtpunkts wird durch ein lichtempfindliches Element festgestellt. Der Messfühler eignet sich zur ein- oder zweidimensionalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in einem Strömungskanal, auf dessen einen Seite die Lichtleitfaser eingespannt ist und auf dessen anderen Seite das lichtempfindliche Element angeordnet ist.
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Aus der
US 5,117,687 A ist eine Messvorrichtung bekannt, die einen Widerstandskörper und eine Membran mit einem Array von Dehnungsmessstreifen aufweist. Der Widerstandskörper ist an einem Ende eines Auslegers angeordnet und über den Ausleger mit der Membran gekoppelt. Eine Auslenkung des Widerstandskörpers hat zur Folge, dass sich die Membran entsprechend der Auslenkung des Widerstandskörpers verformt. Die Verformung wird dabei über das Array von Dehnungsmessstreifen erfasst.
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Aus der
DE 19 33 009 B ist ein Messgerät bekannt, das einen kugelförmigen Hohlkörper aufweist, der gegen eine feste Halterung in seinem Inneren federnd aufgehängt ist. Zum Erfassen einer Auslenkung des Hohlkörpers gegenüber der Halterung sind Messumformer vorgesehen, die einen Abstand zwischen der Hohlkugel und der Halterung erfassen und in ein elektrisches Signal umwandeln.
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Die aus der
DE 101 47 090 A1 bekannte Messvorrichtung weist einen Strömungskörper auf, der über ein elastisch verformbares Halteelement und eine Biegebalken-Anordnung an einem tragenden Teil fixiert ist. Um eine Auslenkung des Strömungskörpers in einer Richtung quer zur Längsachse des Halteelements zu erfassen, sind an dem Halteelement zwei Sensoren vorgesehen, über die eine Durchbiegung des Haltelements erfasst wird. Eine Auslenkung des Strömungskörpers in Richtung der Längsachse des Halteelements wird über einen an der Biegebalken-Anordnung angeordneten Sensoren erfasst, der eine Biegung der Biegebalken-Anordnung erfasst. Indem die Biegebalken-Anordnung zwei als Biegebalken wirkenden Schenkel aufweist, die quer zur Längsachse des Haltelements und parallel zueinander ausgerichtet sind und die über zwei quer dazu ausgerichtete starre Schenkel miteinander verbunden sind, soll eine weitgehende Entkopplung der Durchbiegung des Halteelements und der Biegung der Biegebalkenanordnung bei Auslenkungen des Strömungskörpers quer zur Längsachse des Halteelements und in Richtung der Längsachse erreicht werden.
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Aus der
DE 91 15 727 U1 ist ein Staudruckwindsensor zur Messung der Windkraft bekannt, der eine Kugel und drei linear unabhängige Kraftsensoren, die in der Kugel angebracht sind, aufweist. Durch die Verwendung von Kraftsensoren soll erreicht werden, dass keine mechanischen Bewegungen stattfinden, wodurch Zuverlässigkeit und Lebensdauer sehr hoch werden.
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Die Kugel ist über einen formstabilen Ausleger mit einer Bezugsstruktur starr verbunden. An dem Ausleger sind Neigungssensoren vorgesehen, über die eine Abweichung von einer vertikalen Ausrichtung des Staudruckwindsensors erfasst werden kann, um z. B. bei einem Einsatz auf beweglichen Objekten wie Schiffen oder Landfahrzeugen eine Neigungskorrektur vornehmen zu können.
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Aus der
US 4,730,485 A1 ist eine Messvorrichtung zum Messen von Windgeschwindigkeit und - richtung bekannt, die als dem Wind ausgesetzten Widerstandskörper einen langgestreckten Hohlzylinder aufweist. Ein Ende des Hohlzylinders ist mit einer Abdeckkappe verschlossen. Das gegenüberliegende Ende ist an einer Nabe mit radialen Armen festgelegt. Die radialen Arme sind mit ihren freien Enden an einer abstützenden Struktur befestigt. Dehnungsmessstreifen sind in gleichen Abständen von einer Längsachse des Hohlzylinders auf der Ober- und Unterseite jedes Arms angeordnet und an eine Brückenschaltung angeschlossen. Konkret sind die Dehnungsmessstreifen dort an den Armen angeordnet, wo deren Querschnitt soweit reduziert ist, dass sich Festkörpergelenke ausbilden. Diese bekannte Vorrichtung ist nicht für die Messung von Windgeschwindigkeiten in Richtung der Zylinderachse des Hohlzylinders geeignet.
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Aus der
EP 1 646 853 B1 ist eine Vorrichtung zum Messen von auf einen Körper wirkenden Kräften und Momenten bekannt. Die Vorrichtung weist eine Messstruktur auf, die drei Arme umfasst. Die Arme tragen am Ende Verbindungselemente, die aus sphärischen Verbindungen bestehen. Die sphärischen Verbindungen sind aufgrund einer weiteren geraden schieberartigen Anbindung in Richtung der Achse der Arme frei verschiebbar. Weiter sind die Arme jeweils mit zwei Paaren von Dehnungsmessstreifen versehen, um zwei auf jeden Arm wirkende perpendikulare Biegemomente zu messen.
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Aus der
JP S61-162 728 A ist ein Kraftsensor bekannt, bei dem sich drei elastische Arme radial auswärts von einem Abstützbereich erstrecken. Die äußeren Enden der Arme sind an einen ringförmigen Verbindungsbereich angeschlossen. An den Armen sind Dehnungsmessstreifen angeordnet.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung zum Messen einer Geschwindigkeit einer Strömung mit einem in die Strömung eintauchenden Widerstandskörper aufzuzeigen, die trotz einfachen Aufbaus zum dreidimensionalen Messen der Geschwindigkeit einer Strömung, d. h. zum Messen von Betrag und dreidimensionaler Richtung der Geschwindigkeit der Strömung, geeignet ist.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Messen einer Geschwindigkeit einer Strömung mit einem in die Strömung eintauchenden Widerstandskörper, mit einem Ausleger, der an seinem einen Ende an einer Bezugsstruktur gelagert ist und an dessen anderem Ende der Widerstandskörper gelagert ist, und mit Einrichtungen zum Erfassen von elastisch abgestützten Auslenkungen des Widerstandskörpers, um daraus auf die Geschwindigkeit der Strömung am Ort des Widerstandskörpers zu schließen, ist ein elastisches Lager zwischen dem Ausleger und der Bezugsstruktur und/oder zwischen dem Widerstandskörper und dem Ausleger vorgesehen, das Auslenkungen des Widerstandskörpers gegenüber der Bezugsstruktur sowohl in den beiden Raumrichtungen senkrecht zu dem Ausleger als auch in der Raumrichtung des Auslegers elastisch abstützt. Die Einrichtungen zum Erfassen von elastischen Auslenkungen des Widerstandskörpers sind dabei so ausgelegt, dass sie die elastisch abgestützten Auslenkungen des Widerstandskörpers in allen drei Raumrichtungen erfassen, um daraus auf Betrag und dreidimensionale Richtung der Geschwindigkeit der Strömung am Ort des Widerstandskörpers zu schließen.
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Die vorliegende Erfindung löst sich in zweierlei Richtung von dem Stand der Technik der Messvorrichtungen zum Messen einer Geschwindigkeit einer Strömung mit einem in die Strömung eintauchenden Widerstandskörper. Zum einen befreit sie eine solche Messvorrichtung von der Anordnung des Widerstandskörpers in einem Strömungskanal. Zum anderen sorgt sie für eine elastische Abstützung des Widerstandskörpers auch in Richtung weg von der Bezugsstruktur, d. h. in Richtung des Auslegers, über den der Widerstandskörper an der Bezugsstruktur gelagert ist. Im Ergebnis ermöglicht es die Erfindung, auch Richtungskomponenten der Geschwindigkeit der Strömung zu erfassen, die in der Raumrichtung des Auslegers verlaufen. Damit kann einerseits die dreidimensionale Richtung der Geschwindigkeit der Strömung am Ort des Widerstandskörper bestimmt werden und andererseits auch der alle Geschwindigkeitskomponenten umfassende Betrag der Geschwindigkeit der Strömung. Tatsächlich können mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung Messgenauigkeiten für Betrag und dreidimensionale Richtung der Geschwindigkeit der Strömung am Ort des Widerstandskörper von ≤ 1 % problemlos erreicht werden. Dies darf angesichts des Aufwands, der bislang zum Messen von Betrag und dreidimensionaler Richtung der Geschwindigkeit einer Strömung betrieben wurde, als durchaus überraschend bezeichnet werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung weisen die Steifigkeiten der elastischen Abstützung der Auslenkungen des Widerstandskörpers in allen drei Raumrichtungen eine gleiche Größenordnung auf. Es ist nicht erforderlich, dass die elastische Abstützung des Widerstandskörpers gegenüber Auslenkungen in den Raumrichtungen senkrecht zu dem Ausleger genauso groß sind wie in der Raumrichtung des Auslegers. Etwa gleiche Steifigkeiten, die bei gleich großen Strömungskomponenten zu etwa gleichen Auslenkungen führen, erleichtern jedoch die Auswertung. Unter einer gleichen Größenordnung der Steifigkeiten der elastischen Abstützung in den verschiedenen Raumrichtungen werden hier Steifigkeiten verstanden, die sich um nicht mehr als einen Faktor 10 untereinander unterscheiden.
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Das elastische Lager ist bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zwischen dem Ausleger und der Bezugsstruktur vorgesehen. Grundsätzlich kann zusätzlich auch zwischen dem Widerstandskörper und dem Ausleger ein elastisches Lager vorgesehen sein. Weiterhin können die Elastizitäten des elastischen Lagers teilweise durch Elastizitäten des Auslegers bereitgestellt werden. Vielfach erweist es sich jedoch als einfacher, geeignete Elastizitäten bzw. Steifigkeiten des elastischen Lagers getrennt von dem Ausleger bereitzustellen. Das heißt, der Ausleger ist vorzugsweise formstabil und verformt sich infolge der auftretenden Geschwindigkeiten der Strömung zumindest nicht wesentlich.
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Da primär die linearen Auslenkungen des Widerstandskörpers in den drei Raumrichtungen von Interesse sind, ist es vorteilhaft, das elastische Lager gegenüber Drehbewegungen um die Raumrichtungen, insbesondere gegenüber Knickbewegungen um die Raumrichtungen, senkrecht zu dem Ausleger stabilisiert ist.
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Die Einrichtungen zum Erfassen der elastisch abgestützten Auslenkungen des Widerstandskörpers weisen mindestens drei in linear unabhängigen Richtungen wirksame Sensoren auf. Es können z. B. auch drei Paare von in Brückenschaltung angeordneten Sensoren vorgesehen werden. Die Sensoren umfassen dabei Dehnungsmessstreifen.
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Der Widerstandskörper der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist kugelförmig, um einen möglichst gleichen Strömungswiderstand bei Anströmung in allen drei Raumrichtungen aufzuweisen.
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Eine Länge des Auslegers zwischen der Bezugsstruktur und dem Widerstandskörper ist mindestens so groß und bevorzugt mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser des Widerstandskörpers. Hierdurch werden Verdichtungen der zwischen dem Widerstandskörper und der Bezugsstruktur hindurchtretenden Strömung zumindest im Wesentlichen verhindert.
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Der Ausleger der erfindungsgemäßen Messvorrichtung weist vorzugsweise einen runden Querschnitt auf, um keine der zu ihm senkrechten Raumrichtungen auszuzeichnen. Der Durchmesser des Auslegers beträgt vorzugsweise höchstens 10 % des Durchmessers des Widerstandskörpers. Auf diese Weise wird der Einfluss des Strömungswiderstands des Auslegers auf die Auslenkung des Widerstandskörper gegenüber der Bezugsstruktur möglichst klein gehalten. Ein solcher, grundsätzlich unvermeidbarer Einfluss des Auslegers wird aber beim Kalibrieren der erfindungsgemäßen Messvorrichtung berücksichtigt.
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Vorzugsweise ist der Ausleger der erfindungsgemäßen Messvorrichtung gerade. Dabei kann er ohne Auslenkung des Widerstandskörpers senkrecht von der Bezugsstruktur abstehen. Eine hiervon abweichende Grundstellung des Auslegers kann sinnvoll sein, um eine dominante Strömungskomponente der zu messenden Strömung durch eine Vorneigung oder Vorauslenkung des Widerstandskörpers zu berücksichtigen. Durch diese dominante Komponente der Strömungsgeschwindigkeit wird diese Vorneigung oder Vorauslenkung des Strömungskörpers dann durch eine gegengerichtete Grundauslenkung des Strömungskörpers ausgeglichen.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann auch Kompensationseinrichtungen umfassen, die die Auslenkungen des Widerstandkörpers durch die Strömung kompensieren. Hierdurch kann der Ort des Widerstandskörpers gegenüber der Bezugsstruktur festgehalten werden, so dass die Geschwindigkeit der Strömung an einem festen Ort gegenüber der Bezugsstruktur gemessen wird. Auch wenn die Auslenkungen mit einer solchen Kompensationseinrichtung kompensiert werden, sind sie aber erfassbar und bezüglich Betrag und Richtung der Geschwindigkeit der Strömung in allen drei Raumrichtungen auswertbar. Insbesondere sind die Kompensationen in den drei Raumrichtungen den Auslenkungen selbst völlig gleichwertig.
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Grundsätzlich können die Steifigkeiten der elastischen Abstützung der Auslenkungen des Widerstandskörpers gegenüber der Bezugsstruktur in allen Richtungen aber auch so groß gewählt werden, dass eine Resultierende der Auslenkungen des Widerstandskörpers bei einem vorgegebenen Maximalbetrag der Geschwindigkeit der Strömung ein gewisses Maß nicht überschreitet. Dieses Maß kann z. B. der halbe Durchmesser des Widerstandskörpers oder noch kleiner sein. Auch kleine Auslenkungen des Widerstandskörpers, die den Widerstandskörper nicht an einen grundsätzlich anderen Ort gegenüber der Bezugsstruktur führen, können erfindungsgemäß ausgewertet werden, da es letztlich nur um die Erfassung der aus dem Strömungswiderstand des Widerstandskörpers resultierenden Kräfte geht, die zwar über die Auslenkungen erfolgt, die aber keine Auslenkungen einer bestimmten Größe erfordert.
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Wenn sich die Bezugsstruktur bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung anders als gleichförmig bewegt, rufen die auf die Bezugsstruktur einwirkenden Beschleunigungen ebenfalls Auslenkungen des Widerstandskörpers gegenüber der Bezugsstruktur hervor, die auf der Trägheit des Beschleunigungskörpers beruhen. Um diese Auslenkungen, die nicht mir der interessierenden Geschwindigkeit der Strömung korreliert sind, zu separieren, können auf der der Bezugsstruktur zugewandten Seite des elastischen Lagers Beschleunigungssensoren angeordnet sein. Die mit diesen Beschleunigungssensoren erfassten Beschleunigungen der Bezugsstruktur können dann berücksichtigt werden, wenn auf Größe und Richtung der Geschwindigkeit der Strömung aus den Auslenkungen des Widerstandskörpers geschlossen wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 zeigt schematisch einen über einen Ausleger an einer Bezugsstruktur gelagerten Widerstandskörper einer ersten Ausführungsform einer Messvorrichtung zum Messen einer Geschwindigkeit einer Strömung, wobei ein elastisches Lager zwischen dem Ausleger und der Bezugsstruktur vorgesehen ist.
- 2 zeigt schematisch einen über einen Ausleger an einer Bezugsstruktur gelagerten Widerstandskörper einer nicht unter die Patentansprüche fallenden Ausführungsform einer Messvorrichtung zum Messen einer Geschwindigkeit einer Strömung, wobei ein elastisches Lager zwischen dem Ausleger und dem Widerstandskörper vorgesehen ist.
- 3 ist eine Ansicht von oben auf eine konkrete Umsetzung der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit elastischem Lager zwischen Ausleger und Bezugsstruktur in einer Draufsicht; und
- 4 ist eine Seitenansicht der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung gemäß 3.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt wesentliche Teile einer Messvorrichtung 1 zum Messen einer Geschwindigkeit einer durch einen Pfeil angedeuteten Strömung 2 nach Betrag und dreidimensionaler Richtung. Die Messvorrichtung 1 weist einen kugelförmigen in die Strömung 2 eintauchenden Widerstandskörper 3 auf. Der Widerstandskörper 3 ist über einen Ausleger 4 an einer Bezugsstruktur 5 gelagert. Der Ausleger 4 hat einen runden Querschnitt, dessen Durchmesser nicht größer als 10 % des Durchmessers des Widerstandskörpers 3 ist. Die Länge des Auslegers zwischen der Bezugsstruktur 5 und dem Widerstandskörper 3 ist hier doppelt so groß wie der Durchmesser des Widerstandskörpers 3. Zwischen dem Ausleger 4 und der Bezugsstruktur 5 ist ein elastisches Lager 6 vorgesehen, das den Ausleger 4 und den daran starr gelagerten Widerstandskörper 3 elastisch gegenüber der Bezugsstruktur 5 abstützt. Durch den Strömungswiderstand des Widerstandskörpers 3 in der Strömung 2 wird der Widerstandskörper 3 daher gegenüber der Bezugsstruktur 5 ausgelenkt, wobei diese Auslenkungen elastisch in dem Lager 6 abgestützt werden. Die Auslenkungen des Widerstandskörpers 3 in den einzelnen Raumrichtungen längs des Auslegers 4 und senkrecht dazu sind ein Maß für die Komponenten der Geschwindigkeit der Strömung 2 in diesen Raumrichtungen. Die absoluten Auslenkungen hängen dabei von den Steifigkeiten des Lagers 6 in den einzelnen Raumrichtungen und dem Strömungswiderstand des Widerstandskörpers 2 ab. Indem die Auslenkungen des Widerstandskörpers 3 gegenüber der Bezugsstruktur 5 erfasst werden, was auch anhand der resultierenden Deformation des Lagers 6 erfolgen kann, kann auf die einzelnen Komponenten der Geschwindigkeit der Strömung 2 in den einzelnen Raumrichtungen und damit sowohl auf den Betrag als auch auf die dreidimensionale Richtung der Strömung 2 geschlossen werden.
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2 zeigt eine nicht unter die Patentansprüche fallende Ausführungsform einer Messvorrichtung 1, bei der der Ausleger 4 starr an der Bezugsstruktur 5 gelagert ist und das elastische Lager 6 zwischen dem Ausleger 4 und dem kugelförmigen Widerstandskörper 3 vorgesehen ist. Der Ausleger 4 ist dabei wie auch bei der Ausführungsform gemäß 1 im Wesentlichen formstabil. Eine elastische Verformbarkeit des Auslegers 4 ist aber nicht anders zu berücksichtigen als die Elastizität des elastischen Lagers 6 und daher unproblematisch.
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Die 3 und 4 illustrieren einen konkreten Aufbau einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1, bei der wie in 1 das elastische Lager 6 zwischen der Bezugsstruktur 5 und dem Ausleger 4 angeordnet ist. Dabei ist am Fuß des Auslegers 4 zunächst ein formstabiles flaches Dreibein 7 starr befestigt. Die Enden des Dreibeins 7 sind mit den freien Enden von drei Biegebalken 8 verbunden, die parallel zu der Oberfläche der Bezugsstruktur 5 angeordnet sind und mit ihren anderen Enden an der Bezugsstruktur 5 eingespannt sind. Die Biegerichtung der Biegebalken 8 verläuft senkrecht zu der Oberfläche der Bezugsstruktur 5, und sie wird von auf den Biegebalken 8 angeordneten Dehnungsmessstreifen 9 erfasst. Es können auch Paare von Dehnungsmessstreifen 9 oben und unten an den Biegebalken 8 vorgesehen und in einer Brückenschaltung verschaltet sein, um eine Temperaturkompensation zu erreichen. Die Elastizitäten des elastischen Lagers 6 werden hier von den Steifigkeiten der Biegebalken 8 bestimmt. Bei Auslenkungen des Widerstandskörpers 3 in Raumrichtung und senkrecht zu dem Ausleger 4 werden die Biegebalken in unterschiedlichen Richtungen und unterschiedlich stark gebogen, wobei sich aus den Signalen der Dehnungsmessstreifen 8 die Richtung und das Maß der Auslenkung ableiten lassen. Bei einer Auslenkung des Widerstandskörpers 8 in Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Bezugsstruktur 5 werden hingegen alle Biegebalken 8 gleichsinnig und um ein gleiches Maß gebogen. Entsprechend kann auch eine solche Auslenkung mit Hilfe der Signale der Dehnungsmessstreifen 9 nach Betrag und Richtung erfasst werden.
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Durch den Aufbau des elastischen Lagers 6 gemäß den 3 und 4 mit Hilfe der Biegebalken an den Enden des formstabilen Dreibeins 7 werden etwa gleiche Elastizitäten bzw. Steifigkeiten des Lagers für Auslenkungen des Widerstandskörpers 3 in allen drei Raumrichtungen und auch etwa gleiche Empfindlichkeiten beim Erfassen dieser Auslenkungen erreicht.
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Bei der praktischen Erprobung der Messvorrichtung 1 gemäß den 3 und 4 konnten Betrag und dreidimensionale Richtung der Strömung 2 mit einer Genauigkeit ≤ 1 % erfasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messvorrichtung
- 2
- Strömung
- 3
- Widerstandskörper
- 4
- Ausleger
- 5
- Bezugsstruktur
- 6
- elastisches Lager
- 7
- Dreibein
- 8
- Biegebalken
- 9
- Dehnungsmessstreifen
