DE1129005B - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung von Stroemungsmitteln - Google Patents

Description

INTERNAT.KL. GOIp

DEUTSCHES

PATENTAMT

P26133IXb/42o

ANMELDETAG: 28. NOVEMBER 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 3. MAI 1962

Verfahren und Vorrichtung

zum Ermitteln der Geschwindigkeit

und der Bewegungsrichtung

von Strömungsmitteln

Anmelder:

Pechiney Compagnie de Produits Chimiques et Electrometallurgiques, Paris

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann, Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 27. November 1959 (Nr. 811 412)

Ladislas Erdely, Paris, ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen von Strömungen. Eine Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere dort gegeben, wo die Absicht besteht, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung von auf Konvektion zurückzuführenden langsamen Meeresströmungen zu messen.

Bis jetzt werden derartige Messungen mit Hilfe von Geräten durchgeführt, die einerseits ein geeignetes Organ, z. B. einen Flügel, umfassen, der sich auf die Strömungsrichtung einstellen kann, wobei das ganze Gerät durch die Wirkung der Strömung in deren Richtung gedreht wird, sowie andererseits einen Propeller od. dgl., d. h. eine Einrichtung, für deren Betätigung verhältnismäßig große Kräfte benötigt werden, wobei von vornherein angenommen ist, daß genügend starke Strömungen auftreten, um die mechanischen und auf die Massenträgheit zurückzuführenden Widerstände zu überwinden, welche bei derartigen Geräten auftreten. Zwar ist es durch Messung der Umlaufgeschwindigkeit des Propellers möglich, auf die Strömungsgeschwindigkeit zu schließen, doch ergeben sich häufig fehlerhafte Messungen, was auf das Vorhandensein von Tieren oder Pflanzen zurückzuführen ist, die von den Meeresströmungen mitgeführt werden und den Propeller abbremsen oder blockieren können.

Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten ,-

Geräte besteht darin, daß sie nicht imstande sind,

sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten von einigen zwischen der Gleichgewichtsstellung eines Körpers, Zentimetern bis zu einigen Metern in der Stunde zu 30 der sich in allen Richtungen frei bewegen kann, in messen, bei denen jedoch außerordentlich große einem in Ruhe befindlichen Strömungsmittel und der Wassermengen bewegt werden können, die zu einem
erheblichen Wärmeaustausch führen und entscheidende Auswirkungen auf das Klima, die Meeresfauna
usw. haben. 35

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind diese Nachteile ausgeschaltet, und die erfindungsgemäßen Geräte für die Durchführung dieses Verfahrens ermöglichen eine Messung sowohl der Geschwindigkeit

als auch der Richtung sehr langsamer Konvektions- 40 Geräts aus dieser Abweichung abgeleitet. Strömungen, und zwar auch in Zonen, in denen das Die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

sich bewegende Strömungsmittel Fremdkörper mit- nach der Erfindung umfaßt einen Rotationskörper führt. am Ende einer Stange, die sich längs der verlängerten

Die Erfindung bietet besondere Vorteile, wenn die Drehachse des Rotationskörpers erstreckt, zwei kon-Absicht besteht, Strömungen an normalerweise unzu- 45 zentrische Ringe, die einerseits relativ zueinander und gänglichen Punkten, z. B. in großen Meerestiefen, zu andererseits gegenüber ihrer Aufhängung um zwei zumessen und gleichzeitig kontinuierlich Meßergebnisse einander rechtwinklige Achsen drehbar sind, welche zu einer Beobachtungsstation an der Wasseroberfläche den gemeinsamen Mittelpunkt der beiden Ringe zu ermitteln. schneiden, wobei sich die Stange des Rotationskörpers

Die Erfindung besteht bei dem Verfahren zum Er- 50 durch den Mittelpunkt der Ringe erstreckt und an der mitteln der Geschwindigkeit und der Bewegungsrich- Lagerachse des inneren der beiden Ringe rechtwinklig tung von Strömungsmitteln darin, daß die Abweichung zur Ebene dieses Ringes verbunden ist, sowie ferner

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Gleichgewichtsstellung des Körpers in dem gleichen, jedoch in Bewegung befindlichen Strömungsmittel nach Größe und Richtung gemessen wird.

Diese Abweichung ist eine Funktion der Geschwindigkeit und der Richtung der Strömung, die auf den Körper wirkt, welcher sich in jeder Richtung frei bewegen kann, und die Charakteristiken der zu untersuchenden Strömung werden nach der Eichung des

Mittel, um nach Größe und Richtung die Abweichung Die Erfindung wird im folgenden an Hand schema-

zu messen, welche zwischen den Gleichgewichtsstel- tischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispie-

lungen der beiden Ringe auftritt, wenn sich der in allen len näher erläutert.

Richtungen frei bewegliche Rotationskörper einerseits Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Darin einem in Ruhe befindlichen Strömungsmittel und 5 stellung eines erfindungsgemäßen Gerätes, mit dem andererseits in dem gleichen, sich jedoch bewegenden auf Konvektion zurückzuführende Meeresströmungen Strömungsmittel befindet. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen

Da sich bei einem erfindungsgemäßen Gerät die werden können;

durch die Strömung auf den Körper einwirkende Kraft Fig. 2 veranschaulicht schematisch eine weitere Ausproportional zu einer Vergrößerung der Oberfläche io bildungsform eines erfindungsgemäßen Gerätes; des Körpers vergrößert, können Ablagerungen von Fig. 3 veranschaulicht eine in ein erfindungsgemäßes Fremdkörpern das Arbeiten des Gerätes nicht behin- Gerät eingebaute Meßwertübermittlungseinrichtung; dem, sondern sie machen es im Gegenteil nur noch Fig. 4 zeigt eine elektrische Schaltung zum Überempfindlicher, da sie die der Strömung ausgesetzte mitteln der Meßwerte zu einer Beobachtungsstation Fläche vergrößern; hierin besteht ein Vorteil, da nicht 15 an der Wasseroberfläche.

fälschlich der Schluß gezogen werden kann, es sei Bei dem Gerät nach Fig. 1 ist eine Hohlkugel 1,

keine Strömung vorhanden. die mehrere Öffnungen 2 für den Druckausgleich und

Der frei bewegliche Körper kann einen Schwimmer zum Entfernen von Verunreinigungen aufweist, auf

bilden, der entweder aus einem Material mit einem einer sich längs eines Durchmessers der Hohlkugel geringeren spezifischen Gewicht als Wasser besteht 2° erstreckenden Tragstange 3 angeordnet, die ihrerseits

oder der als hohler, allseitig geschlossener Rotations- bei 4 mit dem Mittelpunkt einer drehbaren Lagerung

körper ausgebildet ist, dessen Gewicht niedriger ist als verbunden ist, so daß das bewegliche Aggregat I₃3

das Gewicht des durch ihn verdrängten Wassers. ungehindert Bewegungen in allen Richtungen ausfüh-

Wenn Strömungsmessungen in großen Meerestiefen ren kann. In Fig. 1 erkennt man eine kardanisch« von mehreren tausend Metern durchgeführt werden ²5 Aufhängung, die zwei konzentrische Ringe 5 und 6

sollen, ist es vorteilhaft, einen offenen Rotationskörper umfaßt, welche um zwei zueinander rechtwinklige

zu benutzen, um den Außen- und Innendruck auszu- Achsen X-X' bzw. Y-Y' drehbar sind; die Achse X-X'

gleichen und gleichzeitig das Entfernen von Fremd- ist in dem feststehenden Gestell des Gerätes drehbar

körpern zu ermöglichen. gelagert.

Bei einer bevorzugten Ausbildungsform der erfin- 30 Auf der Verlängerung 7 der die Hohlkugel tragendungsgemäßen Vorrichtung wird der Rotationskörper den Stange 3 ist ein verstellbares Ausgleichgewicht 8 durch einen Hohlkörper gebildet, der auf seiner angeordnet, das der Strömung im Vergleich zur Außenseite durch eine Rotationsfläche begrenzt ist, Außenfläche der Hohlkugel 1 nur eine kleine Fläche die vorzugsweise die Gestalt einer Kugel besitzt und darbietet und es ermöglicht, die Empfindlichkeit des mindestens zwei Öffnungen aufweist. 35 beweglichen Aggregats durch Verlagern des Schwer-Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungs- punktes dieses Aggregats gegenüber dem Lagerpunkt 4 gegenstandes kann die Lage des Schwerpunktes des zu regeln.

den Rotationskörper und die Stange umfassenden An zwei Punkten 9 und 10, von denen der eine Aggregats durch Verstellen eines Ausgleichgewichts auf dem Ring 5 und der andere auf dem Ring 6 liegt, verlagert werden, das auf der Verlängerung der Stange 40 wobei jeder dieser Punkte jeweils auf einem zur Lagerjenseits der Verbindungsstelle zwischen der Stange achse des betreffenden Ringes rechtwinkligen Radius und dem Mittelpunkt der Lagerachse des einen Ringes Hegt, sind Stangen 11 und 12 befestigt, deren geradangeordnet ist. linige Verlagerungen in rechtwinkligen Koordinaten Wenn das Gerät zur Durchführung des erfindungs- die Verlagerungen der Hohlkugel gegenüber dem Gegemäßen Verfahrens mit einer bekannten Orientierung 45 stell des Geräts wiedergeben, eingetaucht wird, ermöglichen es die beiden waage- Wenn das Gerät in Wasser eingetaucht wird und rechten Komponenten, die die Stellung bestimmen, keine Bewegung des Gerätes in dem in Ruhe befindweiche der schwingende Körper unter der Wirkung der liehen Wasser erfolgt, nimmt das bewegliche Aggre-Strömung einnimmt, die Geschwindigkeit und die gatl, 3 gemäß Fig. 1 nur unter der Wirkung der Richtung der Strömung zu messen. In den häufigeren 5o Schwerkraft eine Gleichgewichtsstellung ein, wobei die Fällen, in denen das Gerät mit einer beliebigen Orien- Stange 3,7 im wesentlichen senkrecht steht. Die Enden tierung eingetaucht wird, versieht man es zweckmäßi- 13 und 14 der Stangen 11 und 12 nehmen dann eine gerweise mit einem Kompaß, der mit Fernanzeige- definierte Stellung ein, die dem Nichtvorhandensein mitteln ausgerüstet ist, so daß sich die wahre Rieh- einer Strömung entspricht.

rung der Strömung feststellen läßt. 55 Beim Auftreten einer Strömung wirkt auf die der Bei dem erfindungsgemäßen Gerät zum Messen von Strömung zugewandte Hälfte der Hohlkugel 1 ein Strömungen ist der bewegliche Körper, wie bereits Druck, während die andere Seite der Hohlkugel einem beschrieben, mit HiKe zweier konzentrischer Ringe Unterdruck ausgesetzt ist, wobei die Strömung eine kardanisch aufgehängt. Die Änderungen der Neigung Kraft ausübt, die eine Funktion der Kugeloberfläche jedes der beiden Ringe kann mit HiIEe eines Hebel- ⁶° und der Strömungsgeschwindigkeit ist. oder Gestängesystems auf zwei Organe übertragen Hierbei nimmt das bewegliche Aggregat eine neue werden, die Translationsbewegungen ausführen und Gleichgewichtsstellung gegenüber der ursprünglichen deren Bewegungen gemessen oder registriert werden Gleiehgewichtsstellung ein, und die neuen Stellungen können. Zweckmäßig dienen die Bewegungen dieser der Zeiger 13 und 14 geben nach der Eichung des beweglichen Organe dazu, den Wert zweier elektri- 65 Gerätes die Geschwindigkeit der Strömung und ihre scher Widerstände zu variieren, dessen Messung an Richtung gegenüber einer Bezugsachse des Gerätes an. Ort und Stelle oder von einer fernliegenden Meß- Die Stellungen der Zeiger 13 und 14 können innerstation aus erfolgen kann. halb des eingetauchten Gerätes in bekannter Weise

registriert werden, ζ. B, auf photographischem Wege, durch Bandaufnahmen, magnetische Registriereinrichtungen usw. Die Registrierung erfolgt entweder kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen auf Grund eines dem Gerät von der Oberfläche aus zugeführten elektrischen Kommandosignals. In beiden Fällen wird das Gerät periodisch an die Oberfläche gebracht, damit die Aufzeichnungen ausgewertet werden können.

In vielen Fällen ist es erwünscht, die gewonnenen Informationen an der Oberfläche laufend zu sammeln. Eine hierzu geeignete, an sich bekannte Vorrichtung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt; bei diesem Gerät tragen die Enden 13 und 14 der Stangen 11 und 12 jeweils ein Bauteil 15 bzw. 16, das mindestens teilweise aus einem magnetischen Metall besteht. Diese Teile tauchen je nach der Verlagerung der Kugel 1 mehr oder weniger tief in Wicklungen 17 bzw. 18 ein, deren Blindwiderstand hierdurch geändert wird, so daß sich die Frequenzen von zwei Oszillatoren ändern, deren Schwingungen über ein Kabel zu einer Empfangsstation an der Wasseroberfläche geleitet werden. Diese Anordnung bietet einen großen Vorteil, denn beim Fehlen einer Strömung nehmen die Tauchkerne 15 und 16 gegenüber den Wicklungen 17 und 18 eine mittlere Stellung ein. Das NichtVorhandensein einer Strömung wird somit durch einen mittleren Wert auf der Meßskala und nicht durch den Nullpunkt der Skala angezeigt, so daß nicht die Gefahr besteht, daß fälschlicherweise auf das NichtVorhandensein einer Strömung geschlossen wird, z. B. im Falle einer Beschädigung des Gerätes.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die schwingende Hohlkugel 1 mit großen, einander diametral gegenüberliegenden Öffnungen 19 und 20 versehen, durch die das Ansammeln von Fremdkörpern in der Hohlkugel verhindert wird.

In den häufigen Fällen, in denen ein erfindungsgemäßes Gerät in beliebiger Orientierung in das Wasser eingetaucht oder sogar von einer Meßstelle zur anderen geschleppt wird, um Strömungsmessungen innerhalb großer Gebiete durchzuführen, können die Ablesungen eines mit dem Gerät vereinigten Kompasses gleichzeitig mit Angaben über die Stellung der Tauchkerne 15 und 16 zur Oberfläche übermittelt werden.

In Fig. 3 ist die Ausrüstung eines Gerätes für die Durchführung von Messungen in großen Meerestiefen dargestellt. Die Wicklungen 17 und 18 sind in einem dünnwandigen Gehäuse 19 angeordnet, das unmagnetisch ist und mit einer nicht zusammendrückbaren, elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit gefüllt ist, z. B. mit einem gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoff, wie Hexan, Oktan usw., damit das Gehäuse den in großen Meerestiefen auftretenden Drücken standhalten kann. Die von dem Wasser umspülten Tauchkerne 15 und 16 sind in konzentrisch zu den Wicklungen angeordneten Schächten 21 bzw. 22 gleitend beweglich.

Die Übertragungseinrichtung ist in einem abgedichteten Kasten 25 angeordnet, der genügend dickwandig ist, um dem höchsten auftretenden Druck bei einer Wassertiefe von 8000 m standzuhalten; dieser Kasten besteht aus nichtmagnetischem Material, so daß ein Kompaß 23 einwandfrei arbeiten kann.

Die Leitungsdrähte sind durch eine Dichtung 24, die gegebenenfalls mehrstufig ausgebildet ist, nach außen geführt.

Die Übermittlung der drei Signale, d. h. der beiden rechtwinkligen Koordinaten der Stellung der Hohlkugel sowie der Kompaßanzeige, zur Oberfläche kann mit Hilfe eines einzigen elektrischen Kabels mit zwei Leitern erfolgen, wobei die Rückleitung durch das Wasser erfolgt.

Wenn Strömungsmessungen während einer langen Zeit durchgeführt werden sollen, ohne das Gerät wieder an die Oberfläche zu bringen, ist es erwünscht, die Signale nicht ständig zur Oberfläche zu übermitteln, da dies zu einer schnellen Erschöpfung der Batterie 26 führen würde, die nur eine geringe Kapazität aufweist, damit der Rauminhalt des Kastens 25 klein gehalten werden kann. Zu diesem Zweck kann das Gerät mit einem mit bestimmter Verzögerung arbeitenden Zeitschalter ausgerüstet werden, dessen Betätigung durch einen von der Oberfläche aus zugeführten elektrischen Impuls erfolgt. Bei dieser Anordnung werden die Signale jeweils nur während einer kurzen Zeitspanne übermittelt, deren Länge ausreicht, um die Meßwerte für die Strömung aufzuzeichnen; dies bietet außerdem den Vorteil, daß das Kabel bzw. die Kabel des Gerätes während der übrigen Zeit für andere Messungen, z. B. für Messungen der Temperatur, des Salzgehaltes usw., zur Verfügung stehen.

In Fig. 4 ist das in dem Kasten 25 untergebrachte Signalübermittlungsgerät schematisch dargestellt.

Die Wicklungen 17 und 18, deren Blindwiderstand durch die Verlagerung der Tauchkerne 15 und 16 variiert wird, sind mit zwei variablen Oszillatoren 27 und 28 verbunden, deren Frequenzbereiche sich nicht überschneiden.

Die Anzeigewerte des Kompasses werden z. B. mit HiKe einer Photozelle oder Photodiode 29 übermittelt, die durch eine Lichtquelle 30 beleuchtet wird, welche durch eine mit dem Kompaß vereinigte Blende 31 mehr oder weniger stark abgedeckt sein kann. Die Änderungen des Widerstandes der Photodiode dienen zur Änderung der Frequenz eines variablen Oszillators 32, der auf einen dritten Frequenzbereich eingestellt ist. Diese Ausbildung einer Kompaßfernanzeige bildet jedoch keinen Teil der Erfindung. Um ein Beispiel zu geben, sei erwähnt, daß brauchbare Ergebnisse mit folgenden Frequenzbereichen erzielt wurden: 100 bis 500 Hz bei dem ersten Oszillator, 800 bis 1300 Hz bei dem zweiten Oszillator und 1600 bis 2200 Hz bei dem dritten Oszillator. Nach dem Passieren der Mischstufe 34 werden die drei Frequenzen über den Leiter 33 zur Oberfläche getragen. In der Empfangsstation an der Wasseroberfläche ermöglichen es geeignete Filter, die drei Frequenzen voneinander zu trennen und die drei Meßwerte zu ermitteln, welche für die untersuchte Strömung charakteristisch sind. In Fig. 4 ist bei 35 die Starteinrichtung des Gerätes, d.h. der mit einer bestimmten Verzögerung arbeitende Zeitschalter, schematisch angedeutet, der von der Beobachtungsstation an der Oberfläche aus über eine dort vorgesehene Stromquelle in Tätigkeit gesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vor allem zum Messen von Konvektionsströmungen in der Nähe des Meeresbodens, d. h. wenn das Gerät auf dem Meeresboden ruht, doch lassen sich natürlich auch Messungen in beliebiger Tiefe zwischen dem Wasserspiegel und dem Meeresboden durchführen, ohne daß es erforderlich ist, das Gerät in einer festen Orientierung zu halten, denn der Fernanzeigekompaß ermöglicht die Feststellung der wahren Strömungsrichtung.

Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung von Strömungsmitteln, insbesondere von langsamen Konvektionsströmungen von Wassermassen in unmittelbarer Nähe des Meeresbodens, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung zwischen der Gleichgewichtsstellung eines Körpers, der sich in allen Richtungen frei bewegen kann, in einem in Ruhe befindlichen Strömungsmittel und der Gleichgewichtsstellung des Körpers in dem gleichen, jedoch in Bewegung befindlichen Strömungsmittel nach Größe und Richtung gemessen wird.

2. Vorrichtung zum Ermitteln der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung von Strömungsmitteln, insbesondere von langsamen Konvektionsströmungen von Wassermassen in unmittelbarer Nähe des Meeresbodens, gekennzeichnet durch einen Rotationskörper, der am Ende einer Stange angeordnet ist, die sich längs der Verlängerung der Rotationsachse des Rotationskörpers erstreckt, zwei konzentrische Ringe, die einerseits relativ zueinander und andererseits gegenüber ihrer Aufhängung um zwei zueinander rechtwinklige Achsen drehbar sind, welche den gemeinsamen Mittelpunkt der beiden Ringe schneiden, wobei sich die Stange durch den Mittelpunkt der beiden Ringe erstreckt und an der Lagerachse des inneren der beiden Ringe rechtwinklig zur Ebene dieses Ringes befestigt ist, sowie durch Mittel, um die Abweichung zwischen den Gleichgewichtsstellungen der beiden Ringe nach Größe und Richtung zu messen, wenn sich der Rotationskörper, der sich in jeder Richtung frei bewegen kann, einerseits in einem in Ruhe befindlichen Strömungsmittel und andererseits in dem gleichen, jedoch in Bewegung befindlichen Strömungsmittel befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper durch einen Hohlkörper gebildet wird, der auf seiner Außenseite durch eine Rotationsfläche begrenzt ISt₅ die vorzugsweise die Gestalt einer Kugel besitzt und mindestens zwei Öffnungen aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Verlängerung der Stange jenseits der Verbindungsstelle zwischen der Stange und dem Mittelpunkt der Lagerachse des einen Ringes ein Ausgleichgewicht verstellbar angeordnet ist, so daß die Lage des Schwerpunktes des den Rotationskörper und die Stange umfassenden Aggregats variiert werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Rotationskörper oberhalb der Ebenen der beiden Ringe befindet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Rotationskörper unterhalb der Ebenen der beiden Ringe befindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel zwei Stangen- und Hebelsysteme umfassen, von denen je eines mit einem der Ringe verbunden ist, wobei sich die Stangen vorzugsweise rechtwinklig zu den Ebenen der Ringe erstrecken und wobei die Verbindungsstelle zwischen jeder Stange und dem betreffenden Ring gegenüber der Lagerachse des Ringes um 90° versetzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Registrierung der Bewegungen jedes Stangen- und Hebelsystems vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stangen-undHebelsystem bei seiner Bewegung Mittel betätigt, durch die ein elektrischer Widerstand verändert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Widerstand einen Bestandteil eines mit einer Steuer- und Registrierstation verbundenen variablen Oszillators bildet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit der Vorrichtung ein an sich bekannter Kompaß mit einer Fernanzeigeeinrichtung verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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