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Windfahne mit Windflügeln mit S-förmigem Profil in kardanischer Aufhängung
zur gleichzeitigen Messung aller Komponenten des Windvektors Nachfolgend beschriebene
Erfindung bezieht sich auf Anordnungen zur Messung des Windgeschwindigkeitsvektors
(im folgenden Windvektor genannt) und betrifft Windflügel mit kardanischer Aufhängung.
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Zur Messung des Windvektors und seiner zeitlichen Änderungen sind
verschiedene Verfahren (mechanische, elektrische und akustische) bekannt, die die
drei Komponenten des Windvektors: Windrichtung in der Horizontalebene (Azimut),
Windneigung gegen die Horizontalebene (Höhenwinkel) und Betrag der Windgeschwindigkeit
einzeln oder paarweise zu bestimmen gestatten. Es ist auch bereits vorgeschlagen
worden, den Windvektor mittels radioaktiver Substanzen zu messen. Für die Dauerregistrierung
des Windvektors in der freien Atmosphäre hat sich bisher nur die mechanische Windmessung
bewährt, sofern folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt werden müssen: Unempfindlichkeit
gegen mechanische sowie chemische Beanspruchungen, hohes zeitliches Auflösungsvermögen
bei zeitlichen Veränderungen der Meßgrößen und schließlich Genauigkeiten in der
Größenordnung 1 O/o.
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Die bisher geläufigen elektrischen Verfahren erfordern einen sehr
großen Aufwand, sind teilweise mechanisch anfällig und setzen eine dauernde Wartung
durch geschultes Personal voraus. Die Genauigkeit der Messungen ist von der Güte
der Wartungen in schwer vorsehbarer Weise abhängig, so daß wiederholte Zwischeneichungen
notwendig werden. Außerdem ist kein elektrisches Verfahren bekannt, das alle drei
Komponenten gleichzeitig und am gleichen Orte zu messen gestattet. Die akustischen
Verfahren, die auf der Laufzeitmessung von Schall in bewegter Luft beruhen, haben
vor allem einen großen Raumbedarf.
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Über die Reproduzierbarkeit von mit derartigen Anlagen vorgenommenen
Messungen liegen außerdem keine Erfahrungen vor. Die Messung des Windvektors schließlich
mittels radioaktiver Substanzen, deren Ortsveränderungen mit geeigneten Geräten
verfolgt werden, ist ausschließlich in geschlossenen Räumen möglich und wegen der
großen Gefährlichkeit und der Kostspieligkeit auch nur als Stfchprobenmessungen
verwend- und denkbar, wenn man von dem Verfolgen großräumiger Ortsveränderungen
so gekennzeichneter Luftmassen absieht (Verbleib radioaktiver Substanzen nach Atombombenversuchen).
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Aus dem vorher Gesagten folgt, daß für die Dauerregistrierung in
der freien Atmosphäre zur Zeit allein die mechanische Messung des Windvektors aussichtsreich
und durchführhar erscheint. Sofern Azimut. Höhenwinkel und Geschwindigkeit am gleichen
Orte, gleichzeitig und mit der gleichen Apparatur gemessen werden sollen, scheiden
Stauplatten. gebremst Schalenkreuze und ähnliche Anordnungen
aus, da sie jeweils
mindestens eine Größe nicht mitzumessen gestatten.
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Auch eine weitere bekannte Anordnung zur Messung des Anstellwinkels
(Abb. 1) kann nur kleine Winkel gegen die Horizontale bzw. die durch Flugzeuglängs-
und Querachse gegebene Ebene messen, denn erstens ist der Meßbereich durch die Verwendung
des Trapezgelenkes stark eingeengt, und zweitens stellen sich mit zunehmendem Winkel
die Flächen in zunehmendem Maße senkrecht zur Strömung.
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Diese die Einstellgenauigkeit und Ansprechempfindlichkeit stark herabsetzenden
Eigenschaften, die in der Kinematik der Anordnung begründet sind, lassen es allein
verstehen. daß die sonst bei einfachen gewölbten Platten zu beobachtenden selbsterregten
Pendelbewegungen nicht aufgetreten sind. Zumindest ist darüber nichts bekannt. Wegen
des nur kleinen erfaßbaren Winkelbereiches gegen eine Bezugsrichtung ist diese Anordnung
nur beschränkt verwendbar.
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Es verbleibt somit lediglich die kardanische Aufhängung eines oder
mehrerer Windflügel in Verbindung mit einer Staudruckmessung oder einer anderen
Einrichtung, z. B. Schalenkreuz mit horizontaler Drehachse zur Gewinnung eines windgeschwindigkeitsabhängigen
Signals, beides in zweckmäßiger Spielart, zur Durchführung des Meßvorhabens.
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Die Hauptschwierigkeiten, mittels Windflügeln in kardanischen Aufhängungen
Richtung und Neigung mit hoher Genauigkeit (guter Reproduzierl>arkeit) und hinreichend
großem zeitlichem Auflösungsvermögen
zu messen, liegen einerseits
in der Sicherstellung ausreichender rücksteliender Momente (Einstellmomente). Sie
begrenzen die Einstellgenauigkeit und Ansprechempfindlichkeit bei den unvermeidbaren,
immer vorhandenen Reibungswiderständen der Aufhängung und dem überwinden der Antriebsmomente
von Potentiometern (Ferngebern) od. ä. zum Zweck der Fern- und Dauerregistrierung.
Andererseits müssen selbsterregte Schwingungen (Pendelbewegungen) der Windflügel
um die jeweilige Achse (vertikal, horizontal) durch zweckmäßige Dämpfung vermieden
werden sowie ferner im Interesse einer möglichst kurzen Einstellzeit (größtes zeitliches
Auflösungsvermögen) ein möglichst kurzzeitig verlaufender Einschwingvorgang gewährleistet
sein.
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Die Forderungen nach kurzem Einschwingvorgang, hoher Ansprechempfindlichkeit
und hinreichenden Einstellmomenten bedingen aus physikalischen Gründen zum Teil
sich widersprechende Auslegungen der Anordnung, wobei die technischen Kompromisse
bisheriger Konstruktionen häufig eine nur scheinbar gute Dämpfung insofern vortäuschen,
als sie durch Indifferenz einen großen Einstellbereich besitzen. Die Anzeige derartiger
Geräte ist dementsprechend mit großen Fehlern behaftet.
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Es ist der Inhalt der vorliegenden Erfindung, diese Schwierigkeiten
durch eine geeignete Windfahne zu beseitigen.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Windfahne ist dadurch gekennzeichnet,
daß die zur Messung des Windvektors dienenden Windflügel ein S-förmiges Profil,
in der Anblasrichtung gesehen (vgl. Abb. 2), besitzen. Durch die erfindungsgemäß
vorgeschlagene S-förmige Profilgestaltung der Windflügel werden die nach den bisherigen
Erkenntnissen sich widersprechenden Forderungen in weitestem Maße gleichzeitig erfüllt.
Mittels des S-Schlages der Flügel, die sich paarweise um eine vertikale und horizontale
Achse drehen können, wird bei hoher Dämpfung und gleichzeitig kurzem Einschwingvorgang
(hohe Schwingfrequenz) die Sicherstellung ausreichender rückstellender bzw. einstellender
Momente gewährleistet. Außerdem wird jede Indifferenz der Anzeige sowie selbsterregte
Pendelbewegungen bei allen Windgeschwindigkeiten vermieden. Selbst durch die Anbringung
von Staurohren an dem zur Messung der Windneigung (Höhenwinkel) dienenden Flügelsystem
(Neigungssystem), dessen Achse die Achse des Richtungssystems senkrecht schneidet,
werden die optimalen Eigenschaften hinsichtlich. Einstellgeschwindigkeit und Meßgenauigkeit
(hohle rückstellende Momente, steiler Anstieg der Momentenkennlinie bei Abweichung
von der Sollrichtung) nicht nachteilig beeinflußt.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Windfahne ist aus den
Abb. 3 und 4 ersichtlich. Das Richtungssystem x besitzt zwei Flügel mit S-Profil
und einer Streckung etwa 1:4. Es ist um die Vertikalachse drehbar und ist statisch
durch das Tariergewicht c ausgewogen, damit etwa im Betrieb sich einstellende Abweichungen
der Vertikalachse von der
Vertikalen keine Vorzugslage (stabiles Gleichgewicht) und
damit in einem bestimmten Bereich möglicherweise eine Verringerung der Ansprechempfindlichkeit
hervorruft. Die Stellung des Richtungssystems wird mittels eines eingebauten Potentiometers
zur Registrierung fernübertragen. Das Neigungssystemy besitzt vier Flügel der gleichen
Ausführung wie x und trägt die Prandtlschen Staurohre e.
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Die Aufteilung auf vier Flügel geschieht aus Symmetriegründen. Das
Neigungssystem ist statisch durch die Tariergewichte d ausgewogen. Auf eine dynamische
Auswuchtung konnte verzichtet werden, da das Vortäuschen von Vertikalkomponenten
durch Zentrifugalmomente des Neigungssystems bei rasch verlaufenden Richtungsänderungen
schon bei sehr kleinen Vertikalkomponenten verschwindet. Die Stellung des Neigungssystems
ist durch ein entsprechendes Potentiometer aus der Ferne registrierbar in gleicher
Weise wie bei dem Richtungssystem. Beide Systeme gestatten fortlaufende Rundummessungen.
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Jedes System hat also einen uneingeschränkten Freiheitsgrad der Rotation.
Unter Berücksichtigung des Freiheitsgrades des Richtungssystems hat also das Neigungssystem
zwei Freiheitsgrade der Rotation.
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Die Prandtlschen Staurohre e können also zur Messung des Betrages
des Windvektors nach Azimut und Höhenwinkel sich in jede beliebige Richtung stellen.
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Durch Azimut (Seitenwinkel), Höhenwinkel und Betrag des Windvektors
(Windgeschwindigkeit) ist der Windvektor somit eindeutig bestimmt. Bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel wurde die pneumatische Messung der Windgeschwindigkeit (Betrag
des Windvektors) gewählt. Sie erfordert, daß der Gesamtdruck und der statische Druck
über das Kardangelenk geleitet werden müssen, um mittels geeigneter Instrumente
den Differenzdruck - gleich Staudruck - als Maß für die Windgeschwindigkeit registrieren
zu können. Die Druckleitungen besitzen als Folge der geforderten Reibungsfreiheit
Ringspalte definierter Breite an Stelle von Dichtungen. Die Ringspalte sind so berechnet,
daß die Druckverluste unter 10/o liegen. Die Umgehung der Kugellager zur Vermeidung
von Korrosionserscheinungen erfordert eine hohe Präzision in der Herstellung. Zur
Information möge die Abb. 5 dienen.
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PATENTANSPRSCHE 1. Windfahne mit Windflügeln in kardanischer Aufhängung,
dadurch gekennzeichnet, daß die zur Messung von Azimut und Höhenwinkel dienenden,
ein Staurohr od. dgl. tragenden Flügel, in Anblasrichtung gesehen, ein S-förmiges
Profil aufweisen und daß sie einen vollen Freiheitsgrad der Rotation besitzen.