DE102016008973A1 - Windanzeiger als Windfahne mit integriertem Geschwindigkeitsmesser - Google Patents

Abstract

Herkömmliche Windanzeiger wie Windsäcke, Windfahnen usw. besitzen keine oder nur aus kurzen Entfernungen (einige Meter) sichtbare Geschwindigkeits- bzw. Windstärkenskala. Insbesondere sind Sportpiloten wie Gleitschirm- und Drachenflieger aus Sicherheitsgründen auf die genaue Kenntnis der Windverhältnisse an den Start- und Landeplätzen angewiesen. Bisher findet man an diesen Plätzen nur Windsäcke unterschiedlicher Bauart, die zwar die Windrichtung genügend genau anzeigen, aber kaum Rückschlüsse auf die Windgeschwindigkeit ermöglichen (nur die Unterscheidung kein, schwacher oder starker Wind, wobei je nach Windsacktyp bereits ab 15 km/h starker Wind angezeigt wird). Für Sportpiloten, die einige hundert Meter über dem Landeplatz ihre Landeeinteilung planen, ist es von großer sicherheitsrelevanter Bedeutung, die Windverhältnisse in Landeplatznähe zu erfahren, was zur Zeit auf Grund der fehlenden Windgeschwindigkeitsanzeigen in Bodennähe nicht möglich ist. Außerdem haben Windsäcke auf Grund ihrer UV-anfälligen Gewebe eine sehr kurze Lebensdauer (1–2 Jahre). Die Erfindung kombiniert das herkömmliche System Windfahne (1) mit einer Messeinrichtung (4; 5; 6; 7), zur Messung und Anzeige der Windgeschwindigkeit, die mit einer von vier Seiten (Sicht von oben, unten, und von beiden Seiten) gut sichtbaren Geschwindigkeitsanzeige (6; 7) ausgestattet ist. Windfahne (1) und Messeinrichtung sind mechanisch zu einer Einheit verbunden und nach stand der Technik in horizontaler Ebene beliebig drehbar auf einem Haltemast (3) mit Rotationslager (2) gelagert, wobei der Haltemast im Lot ausgerichtet sein muss. Die Horizontalkomponenten der beiden Längsachsen von Messeinrichtung und Windfahne verlaufen zueinander parallel, so dass der Windrichtungsvektor in der vertikalen Längsachsenebene der Messeinrichtung liegt. Die Messeinrichtung besteht aus einer in vertikaler Richtung gekrümmten Kugelbahn, die von der Geschwindigkeitsskala (4), bestehend aus optisch unterscheidbaren Ringen (Skalenringe (4)), umschlossen ist und einer von Außen gut sichtbaren Kugel (6), die innerhalb der Kugelbahn in axialer Richtung frei bis zu den Begrenzungen (5) (Herausfallschutz) rollen kann. Das zu Grunde liegende Messprinzip beruht auf der physikalischen Abhängigkeit zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und dem Strömungswiderstand, der an einem der Strömung ausgesetzten Körper erzeugt wird, im Fall der Erfindung an der Kugel (6), so dass bei anstehendem Wind die Kugel (6) von ihrem Strömungswiderstand angetrieben, längs der Kugelbahn bis zu der Stelle ungehindert rollt, wo die Luftwiderstandskraft an der Kugel (6) mit der Gegenkraft, die eine Funktion aus dem Kugelgewicht und dem Neigungswinkel der Kugelbahn am Berührungspunkt Kugelbahn/Kugel (6) ist, übereinstimmt. Dadurch wird die Lage der Kugel (6) in Relation zu den Skalenringen (4) zum Indikator der aktuellen Windgeschwindigkeit. Deshalb wird der Wertebereich, so wie die Gestaltung der Skala (Skalenringabstände) durch die Funktion der Kugelbahnkrümmung (Winkel der Berührungsflächen zwischen Kugel und Kugelbahn gegen die Horizontale in Abhängigkeit zum Skalenabschnitt), dem Durchmesser und dem Gewicht der Kugel bestimmt. Da alle aerodynamischen Wirkungen linear von der Dichte des betreffenden Mediums, in diesem Fall der Luftdichte abhängen, zeigt die Erfindung unabhängig von der Standorthöhe immer die aerodynamisch äquivalente Windgeschwindigkeit an. Das heißt, die Geschwindigkeit, die auf Meereshöhe die identischen aerodynamischen Wirkungen hätte (sofern der Windanzeiger auf Meereshöhe geeicht wurde). Bei Gebrauch von z. B. Flügelradanemometern, die die Strömungsgeschwindigkeit messen und anzeigen, muss der Piloten zur Bewertung der Windverhältnisse in Bezug auf seine Startentscheidung die Standorthöhe berücksichtigen, was bei gebrauch der Erfindung nicht ...

Description

• Herkömmliche Windanzeiger wie Windsäcke, Windfahnen usw. besitzen keine oder nur aus kurzen Entfernungen (einige Meter) sichtbare Geschwindigkeits- bzw. Windstärkenskala. Insbesondere sind Sportpiloten wie Gleitschirm- und Drachenflieger aus Sicherheitsgründen auf die genaue Kenntnis der Windverhältnisse an den Start- und Landeplätzen angewiesen. Bisher findet man an diesen Plätzen nur Windsäcke unterschiedlicher Bauart, die zwar die Windrichtung genügend genau anzeigen, aber kaum Rückschlüsse auf die Windgeschwindigkeit ermöglichen. Bei Windsäcken herkömmlicher Art wird zwar versucht an Hand des Neigungswinkels des Windsackes gegenüber der Horizontalen die Windstärke (bzw. Windgeschwindigkeit) grob abzuschätzen, was aber nur dem Betrachter gelingen kann, dessen Blickrichtung rechtwinklig zur Längsachse des Windsacks gerichtet ist und der aus seiner persönlichen Erfahrung mit diesem Windsack (Beobachtungen mit gleichzeitigen Geschwindigkeitsvergleichen mit einem präzisen Windmesser) schöpfen kann. Diese Voraussetzungen sind in der Regel nicht gegeben, so dass generell festgestellt werden muss, dass Windsäcke herkömmlicher Art keine brauchbare Auskunft über die aktuelle Windstärke bieten können (nur die Unterscheidungsmerkmale, kein, schwacher oder starker Wind, wobei je nach Ausführungsart des Windsacks bereits ab 15 km/h starker Wind angezeigt wird). Außerdem ist es für den Sportpiloten, der noch einige hundert Meter über dem Landeplatz seine Landeeinteilung plant von großer sicherheitsrelevanter Bedeutung, die Windverhältnisse in Landeplatznähe zu erfahren; das ist zur Zeit auf Grund der fehlenden Windgeschwindigkeitsanzeigen in Bodennähe nicht möglich. Oft sind Fehleinschätzungen der Windverhältnisse die Ursache für Start- und Landeunfälle. Windfahnen herkömmlicher Bauart bieten ebenfalls keine Windstärkenanzeige. Windanzeiger bekannter Bauarten sind auf die Windrichtungsanzeige oder auf eine Geschwindigkeitsanzeige spezialisiert, sie können aber nicht beide Merkmale so vereinen, dass man beide Anzeigen weit und von 4 Blickrichtungen (von oben, unten und von beiden Seiten) aus erkennen kann.
• Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, das allgemein bewährte Windfahnensystem so zu verändern, dass einerseits die Robustheit und Einfachheit (wenig bewegliche Teile und ohne Energieversorgung) möglichst beibehalten werden kann, andererseits den gravierenden Mangel (die fehlende Geschwindigkeitsanzeige) zu beheben.
• Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
• Die in der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass zur gewohnten Art der Windrichtungsanzeige eine aus vier Blickrichtungen (aus beiden Vertikal- und Seitenansichten) weit sichtbare Geschwindigkeitsanzeige hinzukommt. Die aus Farbringen bestehende Skala kann international genormt werden, so dass die Anzeige für alle Piloten eindeutig ist. Außerdem basiert die Geschwindigkeitsmessung auf der physikalischen Abhängigkeit zwischen der Windgeschwindigkeit und dem Strömungswiderstand an einem Körper, in diesem Fall an einer Kugel (6). Diese Messmethode hat für Sportpiloten den positiven Nebeneffekt, dass auf hochgelegenen Startplätzen der Einfluss der verminderten Luftdichte sich auf die angezeigte Windgeschwindigkeit so auswirkt, dass an Stelle der absoluten Geschwindigkeit (wie bei Flügelradanemometern gemessen) die aerodynamisch äquivalente Geschwindigkeit angezeigt wird, d. h. die Geschwindigkeit, die auf Meereshöhe die gleiche aerodynamische Wirkung hätte, also gleicher Auftrieb und gleiche Widerstände (Begründung: alle aerodynamischen Kräfte an einer Tragfläche hängen linear von der Luftdichte ab). Genau diese äquivalente Geschwindigkeit ist für den Piloten wichtig. Deshalb muss ein Pilot bei einer Windmessmethode nach dem Luftwiderstand (wie bei der Erfindung) zur Bewertung der angezeigten Geschwindigkeit die Standorthöhe nicht berücksichtigen (nennenswerte Auswirkungen: Ab 3000 m über Seehöhe liegt die aerodynamisch äquivalente Geschwindigkeit um rund 26% unter der tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeit, das wären bei einer für Gleitschirmflieger relevanten Windgeschwindigkeit von z. B. 20 Km/h rund 5 Km/h, was bereits für eine Startentscheidung von Bedeutung sein kann).
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen 1 und 2 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben:
• 1. In eine Windfahne (1), nach Stand der Technik, in horizontaler Ebene drehbar (2) auf einem Haltemast (3) gelagert, ist eine Messeinrichtung zur Messung der Windgeschwindigkeit so integriert, dass die horizontale Richtungskomponente der beiden Längsachsen (Windfahne (1) und Messeinrichtung (4; 5; 6; 7) übereinstimmen und die Luftströmung in der Messeinrichtung von der Windfahne (1) nicht nennenswert beeinflusst werden kann.
• 2. Die Messeinrichtung besteht aus einer in vertikaler Richtung gekrümmten Kugelbahn (5, 7) die von der Geschwindigkeitsskala (4), bestehend aus optisch unterscheidbaren Ringen (Skalenringe (4)), umschlossen ist und einer von außen gut sichtbaren Kugel (6), die auf der Kugelbahn frei bis zu den Begrenzungen (5) (Herausfallschutz) rollen kann. Das zu Grunde liegende Messprinzip beruht auf der physikalischen Abhängigkeit zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und dem Strömungswiderstand, der an einem der Strömung ausgesetzten Körper erzeugt wird, im Fall der Erfindung an der Kugel (6), so dass bei anstehendem Wind die Kugel (6) von ihrem Strömungswiderstand angetrieben, längs der Kugelbahn bis zu der Stelle ungehindert rollt, wo die Luftwiderstandskraft an der Kugel (6) mit der Gegenkraft, die eine Funktion aus dem Kugelgewicht und dem Neigungswinkel der Kugelbahn am Berührungspunkt Kugelbahn/Kugel (6) ist, übereinstimmt. Dadurch wird die Position der Kugel (6) in Relation zu den Skalenringen (4) zum Indikator der aktuellen Windgeschwindigkeit. Deshalb wird der Wertebereich, so wie die Gestaltung der Skala (Skalenringabstände) durch die Funktion der Kugelbahnkrümmung (Winkel der Berührungsflächen zwischen Kugel und Kugelbahn gegen die Horizontale in Abhängigkeit zur Horizontalachse), dem Durchmesser und dem Gewicht der Kugel bestimmt.
• 3. In diesem Ausführungsbeispiel bilden zwei parallele in vertikaler Richtung gekrümmte Führungsschienen (7) (Alu-Rohre), die an der Innenseite der Skalenringe (bestehend aus schmalen Alu-Blechzylindern) fixiert sind und den ebenfalls an den Skalenringen fixierten Drähten (5), die die Kugel (6) vor dem Herausfallen aus dem Rollbereich schützen (Herausfallschutz (5)), die Kugelbahn (5; 7). Die Skalenringe (4) bilden die Geschwindigkeitsskala und dienen gleichzeitig als Befestigungselemente zwischen Kugelbahn und Windfahne (1). Die Krümmung der Führungsschienen (7), die Breite und Abstände der Skalenringe (7) ist so dimensioniert, dass die Kugelpositionen Mitte-Skalenringe ganzzahlige Geschwindigkeiten in gleichen Abständen, z. B. im Raster 10, 20, 30, 40, 50 Km/h und die Positionen genau zwischen den Skalenringen die Geschwindigkeiten 5, 15, 25, 35, 45 Km/h bedeuten. Weitere Zwischenwerte können abgeschätzt werden. Im hier beschriebenen Beispiel (Prototype) wurde die Funktion der Rollbahnkurve (Höhe der Führungsschienen (Vertikalachse) in Bezug auf die horizontale Basis in Abhängigkeit zur Horizontalachse iterativ mit der Tabellenkalkulation Excel berechnet. Die Breite der Skalenringe ist dabei so dimensioniert, dass die Position der Kugelmitte gut abschätzbar ist. Wobei der erste und letzte Skalenring farblich so von den anderen Skalenringen abgesetzt ist, dass man einerseits den ersten als 0-Wind und den letzten Skalenring als Windstärke über dem Wertebereich, so wie die Windrichtung gut erkennen kann, während die übrigen Skalenringe alternierend eingefärbt sein können.
• 4. In der Beispielausführung ist die Windfahne Träger der Kugelbahn und Skala, die beide starr mit ihr verbunden sind.

Claims (1)

1. Windanzeiger als Windfahne mit integriertem Geschwindigkeitsmesser, der entsprechend dem Stand der Technik in horizontaler Ebene beliebig drehbar (Rotationslager (2)) an einem vertikal ausgerichteten Haltemast (3) gelagert ist, bestehend aus einer nach Stand der Technik aufgebauten Windfahne (1), die die Windrichtung anzeigt und einer mechanisch mit ihr fest verbundenen Messeinrichtung (4; 5; 6; 7) zur Messung und Anzeige der Windgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, a. dass die Messeinrichtung aus einer in vertikaler Richtung gekrümmten Kugelbahn, auf der eine Kugel (6) von ihrem Strömungswiderstand angetrieben genau so weit längs der Kugelbahn rollt, bis zu der Stelle, an der die Luftwiderstandskraft an der Kugel (6) mit der Gegenkraft, die eine Funktion aus dem Kugelgewicht und dem Neigungswinkel der Kugelbahn am Berührungspunkt Kugelbahn/Kugel (6) ist, übereinstimmt und einer teilweise transparenten Geschwindigkeitsskala (4), die die Kugelbahn umschließt, besteht, b. dass die Kugelbahn entweder aus mindestens zwei parallelen in vertikaler Richtung gekrümmten Führungsschienen (7), die die Kugel (6) führen und einem Herausfallschutz (5), der verhindert, dass die Kugel (6) weder an den beiden Enden der Kugelbahn noch seitlich die Führungsschienen verlassen kann, oder dass die Kugelbahn aus einem transparenten in vertikaler Richtung gebogenen, an den Stirnseiten offenen Rohr, an dessen Öffnungen ein Herausfallschutz (5) montiert ist, so dass die Kugel das Rohrinnere nicht verlassen kann, besteht, c. dass die Geschwindigkeitsskala aus optisch unterscheidbaren Skalenringen (4), die in Abständen (den Skalenabständen) die Kugelbahn umschließen, in der Weise, dass die Position der Kugel (6) in Bezug auf die Skala (4) auch aus größerer Entfernung und den Blickrichtungen vertikal (von oben/unten) und horizontal (von beiden Seiten) erkennbar ist und somit die aktuelle Windgeschwindigkeit bzw. den aktuellen Geschwindigkeitsbereich anzeigt, besteht.

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