DE1523168A1 - Geraet zur Messung der wahren Stroemungsgeschwindigkeit,insbesondere zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Luftfahrzeugen - Google Patents

Description

• GerSt zur Messung der wahren Strdmungsgeschwindigeit insbesondere zur Bestimmun der Geschwindiqkeit von Luftfahrzeugen.
• Die Erfindung betrifft einen Rotationsströmungsmesser zur Bestimmung der wahren Geschwindigkeit von strömenden Gasen oder Flüssigkeiten, wobei der Rotationskörper nicht nur von der Str8mung, sondern zusAtzlich noch von einem Elektromotor angetrieben wird. Dabei wird die Drehzahl des Rotationskörpers mit Hilfe des Elektromotors so eingestellt, daß der Schlupf des Rotationskörpers in der Strömung fUr jede zu messende Strömungsgeschwindigkeit Null ist. Dadurch wird die Strdmungsgeschwindigkeit v der Umfangsgeschwindigkeit u z. B. eines Flügelradblattes für jedes v streng proportional ; denn im Falle Schlupf s = 0 gilt v = u # tgα, wenn a z. B. den Anstellwinkel des FlUgelradblattes bedeutet.
• Mit Hilfe dieses an sich bekannten Meßprinzips kann man die Geschwindigkeit einer Strdmung unabhAngig von den physikalischen Größen, Druck (Dichte) und Temperatur messen. Diese Unabhängigkeit der Meßgrdße von zusätzlichen Parametern ist von besonderer Bedeutung für die Geschwindigkeitsmessung von Luftfahrzeugen, aber auch fUr die Bestimmung der Geschwindigkeit von in Röhren strömenden Medien, inabesondere von Gasen zeitlich verAnderlicher Dichte oder/und Temperatur.
• Die auf dieser Grundlage arbeitenden Meßanordnungen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf : Auf den Propeller wirkt erfahrungsgemäß eine zur strömungsrichtung senkrechte Querkraft, die das pendolartig aufgehängte Maßsystem seitlich auslenkt.
• Ferner kann durch Resonarzerscheinungen das Pendelaystcm in unerwünschte Schwingungen geraten. Die exakte Messung eOf ; Zustandes der Schlupffreiheit ist nicht möglich well zur Überwindung der haftreibungskräfte in der Pendel und der well pLaned eine zusäl eliche sc@@ hdhte Drehgeschwindigkeit erforderlich ist, so daß die Drehgeschwindigkeit im Augenblick des Ausschaltens der Motorspannung grdßer ist als im Zustand Schlupf gleich Null. Dieser Effekt wird noch verstSrkt durch die auf den Propeller wirkende Flüssigkeitsreibung, die einen zusStzlichen Axialschub erzeugt.
• < Es ist auch eine weitere Anordnung bekannt geworden (U. S. Patent Nr. 249 3931), die es gestattet, Str8mungsgeschwindigkeiten im Zustand der Schlupffreiheit zu messen. Diese Anordnung weist eben"-falls wesentliche Mange auf : Das mit dem Propeller rotierende Differenzdruck-Meßsystem und die zur pneumatischen Steuerung erforderlichen Bohrungen und Kanäle im Propellerblatt sind nicht nur technisch schwer zu verwirklichen, sondern auch störanfällig, z. B. durch Verschmutzung und Verstopfung infolge der unvermeidbaren Beimengungen von Fremdstoffen in der Strdmung. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die an den beiden Blattseiten auftretenden Druckdifferenzen sehr klein sind, so daß das Regelsystem fUr den Motor infolge der Steifigkeit der Druckmeßmembrane und der Reibung des Kontaktstiftes erst bei erheblichen Geschwindigkeitsänderungen anspricht. Die Steuerung des Motors durch Schließen oder dffnen eines Kontaktes fGhrt während des Schaltvorganges auf instationäre Zustände, die eine erhebliche Unsichexheit in der Meßwerterfassung bedingen. Der Zustand der Schlupffreiheit kann mit den bisher bekannten Meßanordnungen exakt nicht bestimmt werden, sondern nur mit einer positiven oder negativen endlichen Abweichung.
• Es wurde außerdem ein Rotationsstrdmungsmesser mit Haftreibungskompensation mittels eines an die Propellerwelle angekuppelten elektrischen Motors, durch den der Propeller auf einer von Null verschiedenen Rotationsgoschwindigkeit gehalten wird, vorgeschlagen (DBP 1 241 650), bei dem die elektriscvhen Größen des Motors ein differentielles Maß fUr die Strdmungageschwindigkeit darstellen. Das Ziel dierer Anordnhung ist. im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung, die Messung sehr kleiner Strdmungsgeschwindigkeiten durch Beseitigung der Haftreibung bei beliebiger GrbBe des Schlupfes. Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist nicht die Messung sehr kleiner Geschwindigkeiten, sondern die Messung der Str8mungsgeschwindigkeit im Zustand Schlupf gleich Null, so daß sich eine parameterfreie Proport$onatitSt zwischen Rotationsgeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit ergibt. Erfindungsgemäß wird daher ein Rotationsströmungsmesser vorgeschlagen, bei dem der Rotationskörper außer von der Strömung von einem Elektromotor angetrieben wird und die elektrischen Größen des Motors zur Messung herangezogen werden, wobei die Drehfrequenz des Rotationskdrpers so gewShlt wird, daß der Schlupf gleich Null ist. Dieser Rotationsströmungsmesser ist dadurch gekennzeichnet, daß eine der elektrischen Kennlinien, dargestellt durch die beliebige Kombination je zweier Meßgrößen aus der Gesamtheit der MeBgrößen : Drehfrequenz, Spannung, Strom, Leistung und Widerstand des Motors, dessen Rotationskorper in der Strömung rotiert, durch Variation einer der elektrischen Meßgrößen zum Schnitt gebracht wird mit der entsprechenden Kennlinie des Motors, wenn sein Rotationskörper im Vakuum (Vakuumkennlinie) oder dessen Welle ohne Rotationskörper rotiert (s = o in Abb. 1).
• Bei Verwendung eines Schalenkreuzes als Rotationskörper, insbesondere bei Anemometern, wird zweckmäßigerweise als Vergleichs-Kennlinie des Motors diejenige gewählt, wenn das Schalenkreuz im ruhenden Gas gleicher Dichte rotiert.
• Der Grundgedanke der Erfindung ist der, daß auf einen in einer Strömung rotierenden Propeller im Zustand der Schlupffreiheit weder von der Strdmung auf den Propeller noch umgekehrt eine Kraft ausgeübt wird, er also krAftefrei rotiert. Dieser Zustand kann allerdings wegen der unvermeidlichen Energieverluste durch Reibung nur erzielt werden durch einen zusätzlichen Antrieb des Propellers, z. B. durch einen Elektromotor.
• Ein Elektromotor, dessen Propeller im Vakuum rotiert, hat bezüglich seiner Meßgrößen, z. B. der Drehfrequenz v des Propellers und der Klemmenspannung U eine bestimmte Charakteristik, wie in Abb. 1 als Beispiel durch die strichpunktierte Kurve gezeigt ist. Diese Kurve ist ersichtlich identisch mit der Charakteristik des Motors, wenn dessen Welle ohne Propeller rotiert. Diesem Zustand äquivalent ist, weil auf den Propeller keinerlei Kraft wirken, der Zustand der Schlupffreiheit, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Somit ist also die Vakuumcharakteristik identisch mit der Charakteristik im Zustand Schlupf s = o.
• Für jede Strömungsgeschwindigkeit v : o gibt es genau eine Charakteristik des Motors, die von der Vakuumcharakteristik verschieden sein muß und die einen und nur einen Punkt mit dieser gemeinsam hat. In diesem Schnittpunkt der beiden Charakteristiken ist der Schlupf s = o, d. h. die Strömungsgeschwindigkeit v ist gleich der"Schraubengeschwindigkeit"des Propellers, in Zeichen : (1) v = 2 X R tg a wobei v die Drehfrequenz des Propellers, R sein wirksamer Radius und a der Anstellwinkel des Blattes gegen die Strömungsrichtung bedeutet. Mißt man also die Drehfrequenz v im Zustand s = o, so ist die Strömungsgeschwindigkeit v dieser streng proportional ; der Proportionalitätsfaktor enthält lediglich zwei durch die Konstruktion festgelegte Konstanten. Wenn also bei einer beliebigen Strömungsgeschwindigkeit v das Wertepaar (v, U) auf der Vakuumcharakteristik liegt, so befindet sich der Propeller im Zustand der Schlupffreiheit.
• Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Der Elektromotor M wird durch die Stromquelle B über den Regelwiderstand P angetrieben und die Spannung U an den Motorklemmen mit einem Instrument . gemessen. Auf der Welle des Motors befindet sich der Rotationskörper R, z. B. ein Propeller. Die Welle treibt außerdem einen Frequenzgeber G an. Bei einer beliebigen Strömungsgeschwindigkeit v und einer beliebig eingestellten Spannung U am Motor wird der Propeller mit einer Drehfrequenz v rotieren, der im allgemeinen ein Schlupf s >o zugeordnet ist (vgl. hierzu Abb. 1), was dadurch zum Ausdruck kommt, daß das an den Anzeigeinstrumenten abgelesene Wertepaar (v, U) nicht auf der Vakuumcharakteristik s = o liegt. Durch Snderung der Spannung U mit Hilfe des Regelwiderstandes P kann jedoch ein entsprechendes Wertepaar der Vakuumcharakteristik eingestellt werden. Die Str8mungsgeschwindigkeit v ist mit der so angezeigten Frequenzi, aus Gleichung (1) zu entnehmen.
• Eine Fortbildung der Anordnung zeigt Abb. 3. Der Frequenzgeber kann entfallen, wenn neben der Spannung U auch der Motorstrom I gemessen wird und sowohl die (I, U)-Charakteristik, als auch die (v, U)-Charakteristik des Vakuums bekannt ist. In diesem Falle kann entweder der Strom I oder die Spannung U als Maß für die Frequenz v und damit auch fUr die Strömungsgeschwindigkeit v gemäß Gleichung (1) genommen werden. Es wird ferner erfindungsgemäß vorgeschlagen, die beiden Meßinstrumente fUr Strom und Spannung aus Abb. 3 zu einem Doppelinstrument mit gemeinsamer geometrischer Drehachse ihrer Zeiger zu vereinen. Der Innenwiderstand der Instrumente ist so zu wählen, daß jedem Wertepaar (I, U) der (I, U)-Charakteristik des Vakuums der gleiche Zeigerausschlag an beiden Instrumenten entspricht, wobei eine der Skalen in Finheiten der Strömungsgeschwindigkeit v geeicht sein kann. Zur Erzielung des Zustandes der Schlupffreiheit bei vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit ist die Spannung so einzuregeln, daß die Instrumentenzeiger"in Deckung"liegen, genau dann kann die Strdmungßgeschwindigkeit abgelesen werden.
• Gemma$ Abb. 4 wird in Weiterbildung der Erfindung der Motor M zum Vergleich des Strdmungazustandea am Propeller mit der Vakuumcharakteristik in eine elektrische Widerstanda-MeßbrUcke geschaltet. In den entsprechenden Zweig der Meßbrteke ist als Vergleich$widerstand ein zweiter Motor M2 mit gleicher Vakuumcharakteristik wie M, geachaltet. Während der Propeller R des Motors M1 in der zu messenden Strömung rotiert, rotiert der Propeller des Motors M 2. im Vakuum oder die Motorwelle. rotiert ohne Propeller. Die Brückenwiderstände R1 und R2 sind einander gleich. Der Zustand der Schlupffreiheit ist bei dieser Anordnung ersichtlich gekennzeichnet durch den Zeigerausschlag Null as Brückeninstrument A. Dieser wird mittels SpannungsSnderung am Regelwiderstand P erzielt. Dann kann die Strdmungsgeschwindigkeit v ah einem Instrument abgelesen werden, welches vorher über die (v, U)-Beziehung und vermbge Gleichung (1) geeicht wurde.
• Die vorangehenden Uberlegungen lassen sich auf einen Rotationsstrdmungsmesser, dessen Rotationskdrper ein Schalenkreuz ist, Ubertragen, wenn man als Vergleichskennlinie nicht die Vakuumcharakteristik des Motors, sondern diejenige Kennlinie benutzt, bei der das Schalenkreuz in einem ruhenden Gas gleicher Dichte rotiert.
• Für zeitlich veränderliche Strömungsgeschwindigkeiten wird gemg$ einem weiteren Erfindungagedanken vorgeschlagen, mittels BrUckenstrom tuber eine an sich bekannte Regeleinrichtung die Brückenspeisespannung so einzustellen, daß der Brückenstrom dauernd gleich Null, d. h. daß auch der Schlupf gleich Null ist.
• Der erfindungsgemäße Rotationsstrdmungsmesser zeichnet sich durch folgende Vorteile aust Die Erzielung und Ermittlung der Schlupffreiheit des Rotationsk8rpers auf elektrisch einfachem Wege, nAmlich über einen Regelwiderstand und einen gebrAuchlichen Strom-und Spannungsmesser.
• Dabei entfallen die bei schon bekannten Meßanordnungen verwendeten mechanischen und hydromechanischen Meßeinrichtungen. Das erfindungsgemäße Gordt zeichnet sich wegen seines einfachen Aufbaus durch geringe Störanfälligkeit aus, was besonders bei seiner Verwendung als Geschwindigkeitsmesser fUr-Luftfahrzeuge von Bedeutung ist.
• Das verwendete elektrisch Prinzip zur Messung des Schlupfes hat den Vorteil einer hohen Empfindlichkeit gegenüber kleinen Xnderungen der Strömungsgeschwindigkeit im Gegensatz zu den bisher bekannt gewordenen Meßanordnungen, die erst bei endlichen Xnderungen der Strdmungsgeschwindigkeit ansprechen können. Infolgedessen werden bei automatischer Regelung wegen des Fortfalls von Ein-bzw. Ausschaltvorgängen, wie sie bei schon bekannten GerSten auftreten, instationäre Zustände vermieden.
• Bekanntlich hat eine Meßanordnung fUr Strömungsgeschwindigkeiten nach dem Prinzip der Schlupffreiheit den Vorteil, daß eine Eichung für die Strömungsgeschwindigkeit entfSllt. Sie läßt sich einfach nach Gleichung (1) berechnen. Es entfällt auch die AbhEngigkeit der Strömungsgeschwindigkeitsanzeige von den thermodynamischen Zustandsgrößen Dichte und Temperatur. Letzteres ist besonders wichtig für die Messung der Geschwindigkeit von Luftfahrzeugen, weil bei den bisher gebräuchlichen Verfahren wegen der erheblichen Schwankungen der genannten Parameter beim Flugbetrieb umständliche Auswerteverfahren fUr die Bestimmung der Fluggeschwindigkeit notwendig sind (Pitotrohr).
• Die vorgeschlagene Erfindung hat gegenüber den üblichen Rotationsstrdmungsmessern den weiteren und nicht weniger bedeutenden Vorteil, daß gewisse"Apparatekonstanten", wie z. B. die Reibungskoeffizienten, welche im allgemeinen Funktionen sowohl der Temperatur, als auch der Zeit (Verschleiß) sind, in die erfindungsgemäße Messung nicht eingehen. Das Gerät ist damit weitgehend wartungsfrei und Nacheichungen entfallen.

Claims (11)

P a t e n t a n s p r ü c h e.

1. Rotationsstromungsmesser, bei dem der Rotationskörper außer von der Strömung von einem Elektromotor angetrieben wird, und die Drehzahl des Rotationskörpers so zu wählen ist, daß der Schlupf gleich Null ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der Schlupffreiheit eine der elektrischen Kennlinien des Motors verglichen wird mit der entsprechenden Kennlinie des rotors wenn sein Rotationskörper im Vakuum oder die Welle ohne Rotationskörper rotiert.

2. Rotationsstromungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kennlinien, dargestellt durch die beliebige Kombination je zweier ivießgrößen aus der Gesamtheit der Meßgrößen Drehfrequenz, Spannung, Strom, Leistung und Widerstand des Motors mit dem auf seiner Welle in der Strömung rotierenden Rotationskörper zum Schnitt gebracht wird mit der zugeordneten Kennlinie des Motors, dessen Rotationskörper im Vakuum (Vakuumkennlinie) oder dessen Welle ohne Rotationskörper rotiert.

3., Rotationsstromungsmesser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfrequenz des Motors mit Rotationskörper bei fester Strömungsgeschwindigkeit durch ein Potentiometer oder eine ahnliche Einrichtung solange verändert wird, bis das Wertepaar aus Drehfrequenz und gewählter Meßgröße übereinstimmt mit dem Wertepaar cer zugehörigen Vakuumkennlinie.

4. Rotationsströmungsmesser nach den Ansprüchen 1 bis 3, insbesondere Anemometer, mit einem Schalenkreuz als Rotationskörper, dadurch gekennzeichnet, daß als zugeordnete Vergleichskennlinie diejenige Kennlinie des Motora verwendet wird, die sich ergibt, wenn das Schalenkreuz im ruhenden Gas gleicher Dichte roteiert.

5. Rotationsstromungsmeaser nach den ansprüchern 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand der Schlupffreiheit erzielt wird durch Messung der Spannung U an den Klemmen des rotors und des vom kotor aufgenommenen Stroms I, wobei im Zustand der Schlupffreiheit die Spannung U auf Grund der Vakuumkennlinie U 3 f (I) bzw. bei Verwendung eines Dchalenkreuzes als Rotationskörper die Spannung U auf Grund der Kennlinie U g (I) bei der das Schalenkreuz im ruhenden Gas gleicher Dichte rotiert, als Maß fiir die Drehfrequenz des Motors und damit fUr die ihr proportionale Strömungsgeschwindigkeit genommen wird.

6. Rotationsstromungsmesser nach Anspruch 1 bis 5t dadurch gekennzeichnet, dal3 die beiden Parameter I und U abwechselnd mit dem gleichen Meßinstrument gemessen werden, das über einen Umschalter entweder als Strommesser oder als Spannungsmesner geschaltet wird und je eine Skale für den Strom I, die Spannung U und die Strömungsgeschwindigkeit v besitzt.

7. Rotationsstromungsmesser nach anspruch 1 bis 5, dadurch gekunnzeichnet, daß zur Erzielung der Schlupffreiheit die Zeiger eines Doppelinstrumentea mit je einem Meßsystem für Motorspannung U und Motorstrom I mit geeigneten Kennlinien, dessen Zeigerwellen in gemeinsamer geometrischer Drehachse liegen, in Deckung gebracht werden, und daß der Spannungsmesser oder der Strommesser eine Skale für die Strömungsgeschwiundigkeit v besitzt.

8. Rotationsströmungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit Rotationskörper und ein stromabhängiger Widerstand von gleicher Charakteristik in je einen Zweig einer elektrischen Meßbrücke geschaltet sind, und daß die Schlupffreiheit dadurch erzielt wird, daß das Brückengleichgewicht durch Xnderung der Krückeneingangsspannung erzielt wird und die Drehfrequenz des Motors oder seine Klemmenspannung als Maß fUr die Strömungsgeschwindigkeit v genommen wird.

9. Rotationsstromungsmesser nach den Anspruchen 1 bis 8, daduroh gekennzeichnet, daß als atromäbhangiger Widerstand ein Motor ohne Rotationskörper mit gleicher Vakuumkennlinie wie die des Motors mit Rotationskörper in eine elektrische Meßbrücke geschaltet wird.

10. rotationsströmungsmesser nach Anspruch 9, insbesondere Anemometer, mit einem Schalenkreuz als Rotationskörper, dadurch gekennzeichnet, daß ale stromabhängiger Widerstand ein n gleicher Motor, auf dessen Welle ein gleiches Sohalenkreus im ruhenden Gas gleicher Dichte rotiert, in eine elektrische M*ßbrUoke geschaltet ist.

11. Rotationsströmungsmesser naoh den AnsprUchen 1, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brüokeneingangsspannung vom Brückenstrom über eine an sich bekannte Regeleinrichtung so gesteuert wird, daß die Meßbrücke dauernd im Gleichgewicht ist.