DE1523168B2 - Verfahren zur messung von stroemungsgeschwindigkeiten und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

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Der Zustand der Schlupffreiheit kann mit den bisher genau eine Charakteristik des Motors mit Propeller,

bekannten Meßanordnungen exakt nicht bestimmt die von der Vakuumcharakteristik verschieden sein

werden, sondern nur mit einer positiven oder negativen muß und die einen und nur einen Punkt mit dieser

endlichen Abweichung. gemeinsam hat. In diesem Schnittpunkt der beiden

Es wurde außerdem ein Rotationsströmungsmesser 5 Charakteristiken ist der Schlupf s = 0, d. h., die Strömit Haftreibungskompensation mittels eines an die mungsgeschwindigkeit ν ist gleich der »Schrauben-Propellerwelle angekuppelten elektrischen Motors, geschwindigkeit« des Propellers, in Zeichen:
durch den der Propeller auf einer von Null verschiedenen Rotationsgeschwindigkeit gehalten wird, vorge- _

schlagen (deutsche Patentschrift 1 241 650), bei dem io ν-ΙπνΚ-tgoi (1)
die elektrischen Größen des Motors ein differentielles

Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellen. wobei ν die Drehzahl des Propellers, R sein wirksamer Das Ziel dieser Anordnung ist, im Gegensatz zur Radius und tx der Anstellwinkel des Blattes gegen die vorliegenden Erfindung, die Messung sehr kleiner Strömungsrichtung bedeutet. Mißt man also die Strömungsgeschwindigkeiten durch Beseitigung der 15 Drehzahl ν im Zustand S = O, so ist die Strömungs-Haftreibung bei beliebiger Größe des Schlupfes. Der geschwindigkeit ν dieser streng proportional; der Zweck der vorliegenden Erfindung ist nicht die Mes- Proportionalitätsfaktor enthält lediglich zwei durch sung sehr kleiner Geschwindigkeiten, sondern die die Konstruktion festgelegte Konstanten. Wenn also Messung der Strömungsgeschwindigkeit im Zustand bei einer beliebigen Strömungsgeschwindigkeit ν das Schlupf gleich Null, so daß sich eine parameterfreie 20 Wertepaar (v, U) auf der Vakuumcharakteristik liegt, Proportionalität zwischen Rotationsgeschwindigkeit so befindet sich der Propeller im Zustand der Schlupf und Strömungsgeschwindigkeit ergibt. freiheit.

Ausgehend von einem Verfahren zur Messung von A b b. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Der Elektro-

Strömungsgeschwindigkeiten, bei dem ein Propeller motor M wird durch die Stromquelle B über den

schlupffrei im Medium von einem Elektromotor 25 Regelwiderstand P angetrieben und die Spannung U

angetrieben wird und eine der Betriebsgrößen des an den Motorklemmen mit einem Instrument gemessen.

Motors zur Bestimmung der Strömungsgeschwindig- Auf der Welle des Motors befindet sich der Rotations-

keit gemessen wird, besteht die Erfindung darin, daß körper R, z. B. ein Propeller. Die Welle treibt außer-

von den elektrischen Betriebsgrößen des Motors eine dem einen Drehzahlgeber G an. Ein angeschlossenes

so verändert wird, daß die anderen Betriebsgrößen 30 Instrument zeigt die Drehzahl ν an. Bei einer beliebigen

Werte annehmen, die einer Rotation des Propellers Strömungsgeschwindikeit ν und einer beliebig einge-

im Vakuum bzw. einer Rotation des Motors ohne stellten Spannung U am Motor wird der Propeller mit

Propeller entsprechen. einer Drehzahl ν rotieren, der im allgemeinen ein

Als elektrische Betriebsgrößen des Motors sind Schlupf s > 0 zugeordnet ist (vgl. hierzu Abb. 1),

Klemmenspannung U, Strom /, Widerstand und Lei- 35 was dadurch zum Ausdruck kommt, daß das an den

stung zu verstehen. Da leicht meßbar und veränderbar, Anzeigeinstrumenten abgelesene Wertepaar (v, U)

wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt nicht auf der Vakuumcharakteristik s = 0 liegt,

mit Klemmenspannung U und Strom / gearbeitet. Durch Änderung der Spannung U mit Hilfe des

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungs- Regelwiderstandes P kann jedoch ein entsprechendes

gemäßen Verfahrens besteht darin, daß ein Meß- 40 Wertepaar der Vakuumcharakteristik eingestellt wer-

instrument vorgesehen ist, das über einen Umschalter den. Die Strömungsgeschwindigkeit ν ist mit der so

entweder die Klemmenspannung oder den Motorstrom angezeigten Drehzahl ν aus Gleichung (1) zu ent-

zu messen gestattet und das je eine Skala für die nehmen.

Klemmenspannung, den Motorstrom und die Strö- Eine Fortbildung der Anordnung zeigt Abb. 3.

mungsgeschwindigkeit besitzt. 45 Der Frequenzgeber kann entfallen, wenn neben der

Der Grundgedanke der Erfindung ist also der, daß Spannung U auch der Motorstrom / gemessen wird

auf einen in einer Strömung rotierenden Propeller und sowohl die (/, ^-Charakteristik als auch die

im Zustand der Schlupffreiheit weder von der Strö- (v, {/^Charakteristik des Vakuums bekannt ist. In

mung auf den Propeller noch umgekehrt eine Kraft diesem Falle kann entweder der Strom / oder die

ausgeübt wird, er also kräftefrei rotiert. Dieser Zustand 50 Spannung U als Maß für die Drehzahl ν und damit

kann allerdings wegen der unvermeidlichen Energie- auch für die Strömungsgeschwindigkeit ν gemäß

Verluste durch Reibung nur erzielt werden durch einen Gleichung (1) genommen werden. Es wird ferner

zusätzlichen Antrieb des Propellers durch einen erfindungsgemäß vorgeschlagen, die beiden Meß-

Elektromotor. instrumente für Strom und Spannung aus A b b. 3

Ein Elektromotor, dessen angeschlossener Propeller 55 zu einem Doppelinstrument mit gemeinsamer geomeim Vakuum rotiert, hat bezüglich seiner Betriebs- irischer Drehachse ihrer Zeiger zu vereinen. Der größen, z. B. der Drehzahl ν des Propellers und der Innenwiderstand der Instrumente ist so zu wählen, Klemmenspannung U, eine bestimmte Charakteristik, daß jedem Wertepaar (/, U) der (/, L/)-Charakteristik wie in A b b. 1 als Beispiel durch die strichpunktierte des Vakuums der gleiche Zeigerausschlag an beiden Kurve gezeigt ist. Diese Kurve ist ersichtlich identisch 60 Instrumenten entspricht, wobei eine der Skalen in mit der Charakteristik des Motors, wenn dessen Welle Einheiten der Strömungsgeschwindigkeit ν geeicht ohne Propeller rotiert. Diesem Zustand äquivalent ist, sein kann. Zur Erzielung des Zustandes der Schlupfweil auf den Propeller keinerlei Kräfte wirken, der freiheit bei vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit Zustand der Schlupffreiheit, unabhängig von der ist die Spannung so einzuregeln, daß die Instrumenten-Strömungsgeschwindigkeit. Somit ist also die Vakuum- 65 zeiger »in Deckung« liegen, genau dann kann die charakteristik identisch mit der Charakteristik im Strömungsgeschwindigkeit abgelesen werden.
Zustand Schlupf s = 0. Gemäß A b b. 4 wird in Weiterbildung der Erfin-

Für jede Strömungsgeschwindigkeit ν > 0 gibt es dung der Motor M₁ zum Vergleich des Strömungs-

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zustandes am Propeller mit der Vakuumcharakteristik Wendung als Geschwindigkeitsmesser für Luftfahr-

in eine elektrische Widerstands-Meßbrücke geschaltet. zeuge von Bedeutung ist.

In den entsprechenden Zweig der Meßbrücke ist als Das verwendete elektrische Prinzip zur Messung des Vergleichswiderstand ein zweiter Motor M₂ mit glei- Schlupfes hat den Vorteil einer hohen Empfindlichkeit eher Vakuumcharakteristik wie Af₁ geschaltet. Wäh- 5 gegenüber kleinen Änderungen der Strömungsgerend der Propeller R des Motors M₁ in der zu messen- schwindigkeit im Gegensatz zu den bisher bekanntden Strömung rotiert, rotiert der Propeller des Mo- gewordenen Meßanordnungen, die erst bei endlichen tors M₂ im Vakuum, oder die Motorwelle rotiert Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit anspreohne Propeller. Die Brückenwiderstände R₁ und R₂ chen können. Infolgedessen werden bei automatischer sind einander gleich. Der Zustand der Schlupffreiheit io Regelung wegen des Fortfalls von Ein- bzw. Ausist bei dieser Anordnung ersichtlich gekennzeichnet schaltvorgängen, wie sie bei schon bekannten Geräten durch den Zeigerausschlag Null.am Brückeninstrument auftreten, instationäre Zustände vermieden.
A. Dieser wird mittels Spannungsänderung am Regel- Bekanntlich hat eine Meßanordnung für Strömungswiderstand P erzielt. Dann kann die Strömungs- geschwindigkeiten nach dem Prinzip der Schlupfgeschwindigkeit ν an einem Instrument abgelesen 15 freiheit den Vorteil, daß eine Eichung für die Ströwerden, welches vorher über die (v, C/)-Beziehung und mungsgeschwindigkeit entfällt. Sie läßt sich einfach vermöge Gleichung (1) geeicht wurde. nach Gleichung (1) berechnen. Es entfällt auch die

Für zeitlich veränderliche Strömungsgeschwindig- Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeitsanzeige

keiten wird gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken von den thermodynamischen Zustandsgrößen Dichte

vorgeschlagen, mittels Brückenstrom über eine an sich 20 und Temperatur. Letzteres ist besonders wichtig für

bekannte Regeleinrichtung deie Brückenspeisespan- die Messung der Geschwindigkeit von Luftfahrzeugen,

nung so einzustellen, daß der Brückenstrom dauernd weil bei den bisher gebräuchlichen Verfahren wegen

gleich Null, d. h. daß auch der Schlupf gleich Null ist. der erheblichen Schwankungen der genannten Para- IC

Der erfindungsgemäße Rotationsströmungsmesser meter beim Flugbetrieb umständliche Auswerteverzeichnet sich durch folgende Vorteile aus: 25 fahren für die Bestimmung der Fluggeschwindigkeit

Die Erzielung und Ermittlung der Schlupffreiheit notwendig sind (Pitotrohr).

des Rotationskörpers auf elektrisch einfachem Wege, Die Erfindung hat gegenüber den üblichen Rota-

nämlich über einen Regelwiderstand und einen ge- tionsströmungsmessern den weiteren und nicht weniger

bräuchlichen Strom- und Spannungsmesser. Dabei bedeutenden Vorteil, daß gewisse »Apparatekonstan-

entfallen die bei schon bekannten Meßanordnungen 30 ten«, wie z. B. die Reibungskoeffizienten, welche im

verwendeten mechanischen und hydromechanischen allgemeinen Funktionen sowohl der Temperatur als

Meßeinrichtungen. Das erfindungsgemäße Gerät zeich- auch der Zeit (Verschleiß) sind, in die erfindungsgemäße

net sich wegen seines einfachen Aufbaus durch geringe Messung nicht eingehen. Das Gerät ist damit weit-

Störanfälligkeit aus, was besonders bei seiner Ver- gehend wartungsfrei und Nacheichungen entfallen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

I 523 168 1 2 oder Flüssigkeiten bestimmt werden. Die Erfindung Patentansprüche· betrifft auch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Es wird ausgegangen von bekannten Anordnungen

1. Verfahren zur Messung von Strömungs- 5 zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, bei geschwindigkeiten, bei dem ein Propeller schlupf- denen ein Propeller schlupffrei im Medium von einem frei im Medium von einem Elektromotor ange- Elektromotor angetrieben wird und eine der Betriebstrieben wird und eine der Betriebsgrößen des großen des Motors zur Bestimmung der Strömungs-Motors zur Bestimmung der Strömungsgeschwin- geschwindigkeit gemessen wird. Dabei wird die Drehdigkeit gemessen wird, dadurch gekenn- io zahl des Propellers mit Hilfe des Elektromotors so zeichnet, daß von den elektrischen Betriebs- eingestellt, daß der Schlupf des Propellers in der großen (Klemmenspannung [U], Strom [/], Wider- Strömung für jede zu messende Strömungsgeschwinstand, Leistung) des Motors eine so verändert wird, digkeit Null ist. Dadurch wird die Strömungsgeschwindaß die anderen Betriebsgrößen Werte annehmen, digkeit ν der Umfangsgeschwindigkeit u z. B. eines die einer Rotation des Propellers im Vakuum bzw. 15 Flügelradblattes für jedes ν streng proportional; denn einer Rotation des Motors ohne Propeller ent- im Falle Schlupf 5 = 0 gilt ν = u · tg oc, wenn «z.B. sprechen. den Anstellwinkel des Flügelradblattes bedeutet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Mit Hilfe dieses bekannten Meßprinzips kann man zeichnet, daß die Drehzahl (v) des Propellers bei die Geschwindigkeit einer Strömung unabhängig von der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit (v) 20 den physikalischen Größen, Druck (Dichte) und durch ein Potentiometer oder eine ähnliche Ein- Temperatur messen. Diese Unabhängigkeit der Meßrichtung so verändert wird, bis das Wertepaar größe von zusätzlichen Parametern ist von besonderer aus Drehzahl (v) und einer der gewählten elek- Bedeutung für die Geschwindigkeitsmessung von trischen Betriebsgrößen mit dem entsprechenden Luftfahrzeugen, aber auch für die Bestimmung der Wertepaar für Vakuumbetrieb bzw. für Betrieb 25 Geschwindigkeit von in Röhren strömenden Medien, des Motors ohne Propeller übereinstimmt. insbesondere von Gasen zeitlich veränderlicher Dichte

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, oder/und Temperatur. Nach diesem Prinzip arbeitet dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Be- z. B. der Strömungsmesser von G. F r e η ζ e 1 triebsgrößen die Klemmenspannung (U) und der (deutsche Patentschrift 477 072).

Motorstrom (/) gewählt werden, wobei eine dieser 30 Die auf dieser Grundlage arbeitenden Meßanord-

Größen als Maß für die Drehzahl (v) dient. nungen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf:

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Auf den Propeller wirkt erfahrungsgemäß eine zur nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn- Strömungsrichtung senkrechte Querkraft, die das zeichnet, daß ein Meßinstrument vorgesehen ist, pendelartig aufgehängte Meßsystem seitlich auslenkt, das über einen Umschalter entweder die Klemmen- 35 Ferner kann durch Resonanzerscheinungen das Pendelspannung (U) oder den Motorstrom (/) zu messen system in unerwünschte Schwingungen geraten. Die gestattet und das je eine Skala für die Klemmen- exakte Messung des Zustandes der Schlupffreiheit ist Spannung (U), den Motorstrom (/) und die Strö- nicht möglich, weil zur Überwindung der Haftreibungsmungsgeschwindigkeit (v) besitzt. kräfte in der Pendelaufhängung und der Wellen-

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens 40 kupplung eine zusätzliche Schubkraft und damit eine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn- überhöhte Drehgeschwindigkeit erforderlich ist, so zeichnet, daß zur Messung von Klemmenspannung daß die Drehgeschwindigkeit im Augenblick des (U) und Motorstrom (/) ein Doppelzeigerinstru- Ausschaltens der Motorspannung größer ist als im ment vorgesehen ist, dessen zwei Meßsysteme so Zustand Schlupf gleich Null. Dieser Effekt wird noch ausgelegt sind, daß die Übereinstimmung der 45 verstärkt durch die auf den Propeller wirkende Flüssig-Wertepaare bei Deckung der Zeiger gegeben ist keitsreibung, die einen zusätzlichen Axialschub er- und das eine Skala die Strömungsgeschwindigkeit zeugt.

(v) besitzt. Es ist auch eine Anordnung bekanntgeworden

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens (USA.-Patent 2 493 931), die es gestattet, Strömungsnach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn- 50 geschwindigkeiten im Zustand der Schlupffreiheit zu zeichnet, daß der Motor und ein stromabhängiger messen. Diese Anordnung weist ebenfalls wesentliche Widerstand von gleicher Charakteristik (vorzugs- Mängel auf: Das mit dem Propeller rotierende Diffeweise ein zweiter identischer Motor, der einen im renzdruck-Meßsystem und die zur pneumatischen Vakuum rotierenden Propeller bzw. keinen Pro- Steuerung erforderlichen Bohrungen und Kanäle im peller besitzt) in je einen Zweig einer elektrischen 55 Propellerblatt sind nicht nur technisch schwer zu Meßbrücke geschaltet sind und daß zur Erzielung verwirklichen, sondern auch störanfällig, z. B. durch des Brückengleichgewichts Spannungsregler für Verschmutzung und Verstopfung infolge der unvermanuelle oder automatische Regelung vorgesehen meidbaren Beimengungen von Fremdstoffen in der sind. Strömung. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen,

60 daß die an den beiden Blattseiten auftretenden Druckdifferenzen sehr klein sind, so daß das Regelsystem

für den Motor infolge der Steifigkeit der Druckmeßmembrane und der Reibung des Kontaktstiftes erst bei erheblichen Geschwindigkeitsänderungen anspricht. 65 Die Steuerung des Motors durch Schließen oder

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung Öffnen eines Kontaktes führt während des Schaltvon Strömungsgeschwindigkeiten. Insbesondere soll Vorganges auf instationäre Zustände, die eine erhebdie wahre Geschwindigkeit von strömenden Gasen liehe Unsicherheit in der Meßwerterfassung bedingen.