DE1523270A1

DE1523270A1 - Anordnung zum Messen der Geschwindigkeit und Richtung eines Gasstromes mit optischer und akustischer Anzeige des Messergebnisses,insbesondere zum Ermitteln der Vertikalgeschwindigkeit eines Luftfahrzeuges

Info

Publication number: DE1523270A1
Application number: DE19661523270
Authority: DE
Inventors: Brueckner Dipl-Phys Egon; Westerboer Dipl-Phys Ingo
Original assignee: VIERLING DR OSKAR
Current assignee: VIERLING DR OSKAR
Priority date: 1966-04-16
Filing date: 1966-04-16
Publication date: 1969-07-24
Also published as: DE1523270C3; DE1523270B2; GB1097939A; US3435676A

Description

.Prof. Dr. Oskar Vierling 20. Juni 1968

Anordnung zum Messen der Geschwindigkeit und Richtung eines Gasstromes mit optischer und akustischer Anzeige des Meßergebnisses, insbesondere zum Ermitteln der Vertikalgeschwindigkeit eines Luftfahrzeugs

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der Geschwindigkeit und Richtung eines Gasstroms, der durch unter- λ schiedliehe Druckverhältnisse hervorgerufen wird, und ist insbesondere zum Ermitteln der Vertikalgeschwindigkeit von Luftfahrzeugen gedacht.

Die Kenntnis der jeweiligen Vertikalgeschwindigkeit, also der Steig- oder Sinkgeschwindigkeit, ist beim Motorflug wichtig zur genauen Steuerung, vor allem bei Blindflug, beim Segelflug ist sie sogar unerläßlich, da dort die Aufwindgebiete ausgenutzt werden müssen, um die notwendige Höhe zu gewinnen. Meßgeräte für die Vertikalgeschwindigkeit, sogenannte Luftdruck-Variometer oder kurz Variometer, messen die Steig- oder Sinkgeschwindigkeit im allgemeinen anhand der Geschwindigkeit eines Luftstroms, der sich auf- \ grund der Luftdruckveränderung bei wechselnder Höhe zwischen der Außenluft und einem Ausgleichsgefäß einstellt. Beim Steigen fließt dieser Ausgleichsstrom, da der Druck der Außenluft sinkt, vom Ausgleichsgefäß nach außen, beim Sinken dagegen wird der Druck der Außenluft größer und bewirkt einen Luftstrom in entgegengesetzter Richtung. Die jeweilige Geschwindigkeit des AusgleichsStroms ist der entsprechenden Vertikalgeschwindigkeit proportional.

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(Art.

Die bekannten Variometer, die die Geschvrindigkeit des Ausgleichsluftstroms messen und als Vertikalgeschwindigkeit des Flugkörpers anzeigen, arbeiten zum größten Teil mechanisch. Dazu gehören Stauscheiben- bzw. Drehflügel-Variometer und Dosen-Variometer. Bei den ersten teilt ein leicht beweglicher Drehflügel, der bis auf einen sehr schmalen Schlitz genau in eine zylindrische Kammer eingepaßt ist, diese in zwei Hälften, deren eine mit dem statischen Druck und deren andere mit dem Ausgleichsgefäß verbunden ist. Bei den Dosen-Variometern wird der Ausgleichsluftstrom hingegen durch eine W Kapillare gedrosselt und der entstehende Druckunterschied mit einem Druckmesser angezeigt. Alle diese mechanischen Variometer sind jedoch sehr träge und gegenüber kleinen Strömungsgeschwindigkeiten nicht empfindlich genug, so daß sie in Gebieten mit schwachen Aufwinden vielfach erst dann eine Steigung anzeigen, wenn das Plugzeug diesen Bereich bereits wieder verlassen hat.

Man ist deshalb in letzter Zeit dazu übergegangen, elektrische Variometer zu bauen, die neben den Vorteilen der höheren Empfindlichkeit und geringeren Anzeigeverzögerung auch die Möglichkeiten der Meßbereichumschaltung und des Zusammenk Schaltens mit elektrischen Zusatzgeräten gewähren. Als Meßwertaufnehmer enthalten die bekannten elektrischen Variometer Heißleiter oder Thermistoren, das sind Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC). Zwei solcher HeißMter sind in dem Kanal, durch den der Ausgleichsluftstrom fließt, hintereinander angeordnet und bilden zusammen mit zwei anderen Widerständen eine Brückenschaltung. Im Ruhezustand sind beide Heißleiter auf eine Temperatur von beispielsweise l8o ⁰C aufgeheizt. Wenn Luft durch den Ausgleichskanal strömt, kühlt sie die Heißleiter ab, wobei der in bezug auf die Strömungsrichtung erste Heißleiter stärker gekühlt wird als der zweite.

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Durch die unterschiedliche Abkühlung nehmen die Heißleiter verschiedene Widerstandswerte an, und die Brücke wird verßtlrnmt. Ein Anzeigeinstrument im Diagonalzweig der Brücke zeigt ,jetzt eine Spannung an, die der Temperaturdifferenz der Heißleiter und damit der Strömungsgeschwindigkeit der Luft entspricht. Parallel zum Instrument wird bei elektrischen Variometern häufig ein Tonfrequenz-Generator vorgesehen, der bei von Null aus steigenden Anzeigewerten schwingt, und zwar mit umso höherer Frequenz, je größer die Ausgangsspannung der Brücke ist.

Variometer mit Heißleitern zeigen zwar keine störende An-Zeigeverzögerung und weisen die oben aufgezählten Vorteile elektrischer Meßgeräte auf, doch machen sich bei ihnen andere schwerwiegende Nachteile bemerkbar. Die Kennlinien der Heißleiter, die die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur wiedergeben, sind nicht linear und kaum für zwei Exemplare gleich. Man kann durch Ausmessen und zusätzliche Schaltimgsmaßnahmen Übereinstimmung in einem Punkt oder vielleicht auch in einem kleinen Teilbereich der Kennlinien erzielen, darüber und darunter laufen aber die Kennlinien auseinander, so daß die Anzeigewerte stark mit der Umgebungstemperatur und der Heizleistung schwanken und die Lage des Nullpunkts in gleicher Weise wandert. Alterungsbedingte Kennlinienänderungen verstärken diesen Effekt noch, da die beiden Elemente im allgemeinen unterschiedlich von ihnen betroffen werden. Somit ist unter wechselnden Temperaturen oder sich ändernder Betriebsspannung auf die Anzeigewerte wenig Verlaß. Durch die Verschiebung des Nullpunkts kann sogar eine ^ Steiggeschwindigkeit vorgetäuscht werden, wenn das Plugzeug in Wirklichkeit horizontal fliegt oder sinkt. Ein Nacheichen der Nullstellung im Fluge ist ohne zusätzliche Hilfsmittel nicht möglich, weil kein Bezugspunkt vorhanden ist. Zudem

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sind Flugzeugführer und Flugzeug gefährdet, wenn jener so sehr durch sein Variometer beansprucht wird, daß er der Umgebung nicht die erforderliche Aufmerksamkeit schenken kann.

Schon aufgrund der nichtlinearen Kennlinien ist es bei Verwendung von Heißleitern äußerst schwierig, einen mit der Vertikalgeschwindigkeit linear ansteigenden Instrumentenausschlag zu erzielen. Hinzu kommt, daß sich die Strömungen im Bereich der Heißleiter je nach Geschwindigkeit verschiedenartig ausbilden, da die hier in Frage kommenden Heißleiter (Zwerg-NTC-Widerstände) kugelförmig sind und die durchströmende Luft zur Wirbelbildung anregen. Bei kleinen Durchflußgeschwindigkeiten geht aber die hinter dem ersten Heißleiter auftretende Turbulenz stärker in das Meßergebnis ein als bei hohen Geschwindigkeiten. Insofern ist die Anzeige auch von dieser Seite her Ungenauigkeiten ausgesetzt.

Bevor man zu den elektrischen Variometern mit Heißleitern überging, wurde schon versucht, das von anderen Anwendungen her bekannte Hitzdrahtverfahren auf Variometer zu übertragen. So ist beispielsweise eine Meßvorrichtung für Gas- oder Luftgeschwindigkeiten mit Stauscheiben bekannt (DBP 242 O38), bei der zwei geheizte Drähte zickzackförmig decart zwischen Federn gespannt sind, daß ihre Ebenen in der Strömungsrichtung liegen. Beide Drähte bilden zusammen mit zwei weiteren Widerständen eine Brückenschaltung, in deren Diagonalzweig ein Galvanometer angeordnet 1st. Diese bekannte Vorrichtung ist bei den für Anemometer üblichen hohen Durchfluflmengen durchaus vorteilhaft. Gegenüber kleinsten Durchflußmengen, wie sie bei Variometern auftreten, ist sie aber nicht genügend empfindlich, da die sehr langsam strömende Luft in der gewünschten Ansprechzeit nur einen Bruchteil der zick-

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zackförmlg ausgespannten Drähte erfaßt. Zudem ist die Aufhängung an insgesamt 80 Federn überaus aufwendig und beeinträchtigt die Anzeige durch die Wärmeabfuhr über diese Federn in nicht vertretbarem Maße.

Ein bekannter Hitzdrahtströmungsmesser (DBP 876 484) enthält zwei Wicklungen, die symmetrisch auf einem dünnwandigen Rohr angeordnet sind und ebenfalls in einer Brückenschaltung liegen. Auch bei dieser Vorrichtung ist die Empfindlichkeit gegenüber kleinsten Durchflußmengen nicht ausreichend, da der ^ Wicklungsträger aus isolierendem Material besteht und daher zwangsläufig eine hohe Wärmekapazität aufweist. Die Anzeige reagiert dadurch zu träge und ist außerdem vom jeweils vorhergehenden Zustand der Erwärmung oder Abkühlung abhängig.

Um Nichtlinearitäten, denen Hitzdraht-Strömungsmesser mit gleichmäßig gespannten Drähten unterliegen, weitgehend zu kompensieren, ist bereits vorgeschlagen worden (DBP 1 093 569), den Draht zickzackförmig mit immer größer werdenden Drahtabschnitten je Längeneinheit der Gehäuselängsachse auszuspannen. Die oben erwähnten Nachteile eines derart zwischen Federn gespannten Drahts, nämlich unzureichende Empfindlichkeit und Störungen durch die Aufhängung, bleiben aber bei kleinen ™

Durchflußmengen bestehen, weshalb diese Anordnung nicht auf Variometer übertragbar ist.

Ein bekannter Durchflußmesser zur Anzeige geförderter Flüssigkeiten (DBP 1 201 575) enthält als strombeheizten temperaturabhängigen Widerstand eine Wicklung von reinem Platindraht auf einem durchbohrten Isolierkörper, der in der Leitung mit der zu messenden Flüssigkeit liegt. Der Wickelkörper hat hier die Form eines Doppelkegels, die die Messung von der Verteilung der Geschwindigkeiten der strömenden Flüssigkeit an verschiedenen Stellen des Leitungsquer-

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sohnitts unabhängig macht. Es geht dabei also nicht um die Erfassung jeder kleinsten Geschwindigkeitsänderung, sondern gerade umgekehrt um eine Mengenmessung im Gleichgewichtszustand. Deshalb ist dieses Prinzip in Variometern nicht anwendbar.

Bei Variometern nach dem Hitzdrahtverfahren ist nach vorstehendem das wesentliche Problem die Aufhängung. Wickelkörper kommen nicht in Frage, da sie infolge ihrer Wärmekapazität

fe die Empfindlichkeit und Anzeigegeschwindigkeit zu stark herabsetzen. In der üblichen Technik ist der geheizte Draht gespannt zwischen federnden Halterungen aufgehängt. Um die bei elektrischen Variometern gewünschte Empfindlichkeit gegenüber kleinsten Durchflußmengen hervorzubringen, müßte der Hitzdraht hier bedeutend kürzer sein als bei bekannten Anordnungen. Ein sehr kurzer Draht läßt sich aber wieder nicht in konventioneller Weise aufhängen, da über die Halterung unverhältnismäßig hohe Störwirkungen hervorgerufen werden. Darüber hinaus■ergeben kurze Drahtlängen kleine Widerstandswerte, was wiederum hohe Ströme zur Aufheizung erfordert. Deshalb ist die Idee eines elektrischen Hitzdraht-Variometers nie über das Stadium eines Versuchsmusters hinausgekommen, und man wandte

W sich in der Folgezeit ausschließlich dem beschriebenen Aufbau elektrischer Variometer mit Heißleitern zu.

Die Erfindung bietet eine neue Lösung an, die die Vorteile elektrischer Geifite, hohe Empfindlichkeit, geringe Ansprechverzögerung, Möglichkeit der Meßbereiehumschaltung, Verbindung mit elektrischen Zusatzgeräten usw., mit denen der mechanischen Geräte, nämlich Alterungsbeständigkeit, lineare Abhängigkeit zwischen Meß- und Anzeigegrößen, Temperatur-Unabhängigkeit, Nullpunktstabilität usw. verknüpft, ohne

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die jeweiligen Nachteile beider Verfahren aufzuweisen. In der Anordnung der Erfindung wird der die Vertikalgeschwindigkeit bestimmende Gasstrom ebenfalls über eine temperaturempfindliche Meßsonde geleitet, die nach dem bekannten Prinzip der Hitzdrahtströmungsmesser aus zwei Wicklungen von jeweils mehreren Windungen eines Metalldrahts besteht, welche Wicklungen mit den Windungsflächen quer zum Gasstrom in Reihe liegen und Teil einer Widerstands-Brückenschaltung sind, deren Ausgangsspannung über einen Verstärker einem Anzeigeinstrument zur optischen Anzeige sowie einem Oszillator mit angeschlossenem Lautsprecher zur akustischen Anzeige zugeführt wird. Gekennzeichnet ist diese Anordnung aber dadurch, daß die Wicklungen der Meßsonde freitragend je in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet und mit ihren kleinen Deckflächen aneinanderstoßend angeordnet sind, wobei sie nur durch einen Lacküberzug in der ursprünglichen Wickellage gehalten werden. Durch diese besondere Ausbildung der Sonde werden mehrere an sich gegensätzliche Forderungen übereingebracht, die darin bestehen, daß man einerseits einen Hitzdraht mit seinen bekannten günstigen Eigenschaften (Linearität der Anzeige, Alterungsbeständigkeit) wünscht, aber andererseits die Störwirkungen und Empfindlichkeitsverluste durch eine übliche Halterung vermeiden möchte und daß man ferner große Drahtlängen braucht, um die notwendige Heizleistung mit geringem Strom zu erzeugen, aber trotzdem eine kleine Ausdehnung der Sonde wünscht, um eine hohe Anzeigeempfindlichkeit und niedrige Anzeigeverzögerung zu erhalten. Die Kegelstumpfform beider Wicklungen bewirkt darüber hinaus eine Empfindlichkeitssteigerung, deren Zustandekommen weiter unten erläutert wird.

In der praktischen Erprobung hat sich die Verwendung von isoliertem Nickel-Draht als Material für die Wicklungen der Sonde als sowohl wirtschaftlich wie auch herstellungs- und nä3technisch günstig erwiesen.

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Eine Meßanordnung mit der beschriebenen Sonde zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit in bezug auf Linearität und Nullpunktstabilität aus. Diesen Eigenschaften angepaßt ist in einer weiteren Ausbildung der Meßanordnung der Erfindung das von der Sonde gesteuerte Anzeigesystem, indem nämlich vorgesehen ist, daß die mit den Wicklungen der Meßsonde aufgebaute, an sich bekannte Widerstands-Brückenschaltung in an sich bekannter Weise über einen Bereichsumschalter und einen Verstärker eine optische Anzeige auf einem Anzeigeinstrument und über einen Tonfrequenz-Oszillator mit angeschlossenem Lautsprecher eine an sich bekannte akustische Anzeige steuert, wobei die akustische Anzeige aber nicht nur den bei Null (Horizontale) beginnenden Steigbereich, sondern den gesamten Anzeigebereich des Instruments umfaßt und durch einen Zerhacker parallel zum Oszillator ergänzt wird, der durch die Brückenausgangsspannung in der Weise ein- und ausgeschaltet wird, daß er jeweils nur in einem Bereich, und zwar vorzugsweise dem Steigbereich, wirksam ist.

Eine akustische Anzeige sowohl der Steig- als auch der Sinkgeschwindigkeit hat gegenüber der üblichen auf die Steiggeschwindigkeit beschränkten Anzeige natürlich erhebliche Vorteile, da sie den Flugzeugführer auch im Sinkflug akustisch vor Veränderungen und vor Gefahren warnt. Sie setzt aber voraus, daß der Meßwertaufnehmer, hier die Sonde, mit geringer Verzögerung reagiert, eine der Meßgröße proportionale Anzeigegröße llrfert und außerdem keine Scheinanzeigen (Nullpunktverschiebung) hervorruft. Sofern diese Voraussetzungen nicht erfüllt sind, führt eine akustische Anzeige der Vertikalgeschwindigkeit in beiden Richtungen nur zu Verwirrungen und gefährdet den Flieger. Insofern ist die hier verwirklichte Art der Anzeige nur im Verein mit der neuen Sonde sinnvoll. Um die Sicherheit der

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akustischen Anzeige noch weiter zu erhöhen, wird hier mittels des zusätzlichen Zerhackers eine scharfe Trennung zwischen den beiden von der Horizontallage abweichenden Richtungen vollzogen, die dem Flieger eine Entscheidung darüber erspart, ob der gehörte Ton zur Aufwärts- oder Abwärtsbewegung gehört. Steig- und Sinkbreich werden besonders einprägsam dadurch unterschieden, daß der Ton im einen Bereich stetig hörbar bleibt, während er im anderen Bereich von Null an ständig kurzzeitig unterbrochen wird. Für die technische Ausführung ist es an sich gleichgültig, welche Schwingungen von der Nullage an zerhackt werden, die dem Steigbereich oder die dem Sinkbereich zugeordneten Frequenzen. In der Auffassung des Piloten aber wird sich der stetige Ton leichter mit dem Heruntergleiten verbinden und der intermittierende Ton mit dem Steigen. Daher ist in einer praktischen Ausführung der Anordnung der Erfindung diese Zuordnung getroffen·

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Beispiels näher beschrieben und in ihrer Wirkungsweise erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Anordnung zum Messen der Geschwindigkeit und Richtung eines Gasstroms mit optischer und akustischer Anzeige des Meßergebnisses;

Fig. 2 die in der Anordnung von Fig. 1 als Meßwertaufnehmer eingesetzte Sonde.

Die Meßanordnung nach Fig. 1 enthält einen normalen Ausgleichsbehälter 1 bekannter Bauart, der über einen Strömungs-. kanal ²J- mit der Außenluft bzw. der Abnahmestelle für den sogenannten statischen Druck 5 verbunden ist. Im Strömungskanal 4 befindet sich die Sonde 2, die gemäß Fig. 2 aus zwei

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kegelstumpfförmigen Wicklungen 21, 22 von je mehreren Windungen eines Metalldrahts besteht. Sie ist in einen Metallblock 23 eingeschlossen, durch den nur die Wicklungsenden herausgeführt sind. Die inneren Anschlüsse beider Wicklungen sind miteinander verbunden, und die gesamte Sonde bildet so den einen Zweig einer Brückenschaltung 5, in deren anderem Zweig zwei ohmsche widerstände liegen. Die Mittelabgriffe von Sonde und Brückenwiderständen führen zu einem Verstärker 7, dessen Eingangsklemmen umschaltbare Widerstände 6 zur Empfindlichkeitseinstellung (Meßbereichumschaltung) parallel liegen. Am Verstärkerausgang sind ein Spannungsmesser 8 als Anzeigeinstrument zur optischen Anzeige und ein Oszillator 10 sowie ein Zerhacker 9 mit nachgeschaltetem Lautsprecher 11 zur akustischen Anzeige angeschlossen.

Wenn das Plugzeug steigt, fließt infolge des erniedrigten Außendrucks Luft aus dem Ausgleichsbehälter 1 in Richtung der ausgezogenen Pfeile durch den Kanal 4, in dem sich die Sonde 2 befindet. Die Sonde ist im Ruhezustand auf eine Oberflächentemperatur von über 100 ⁰C aufgeheizt. Infolge der besonderen Sondenform ist die Temperatur aber nicht an allen Punkten der Oberfläche gleich, sondern steigt gegen die Mitte zu, wo die beiden Wicklungen 21, 22 zusammenstoßen, da dort der Abstand von den Wänden des Metallblocks 23 und damit der Wärmewiderstand größer ist ab an den Außenkanten. Die von links einströmende Luft kühlt die linke Wicklung 21 je nach Strömungsgeschwindigkeit mehr oder weniger ab und setzt dadurch den ohmsehen Widerstand des Drahtes herunter. Während dieses Vorgangs wird die Luft selbst erwärmt, und zwar bei Passieren des heißen Sondenzentrums auf eine höhere Tönperatur als sie die rechte Wicklung 22 im Mittel aufweist. Die Wicklung

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22 erfährt also durch den Luftstrom statt der sonst üblichen schwächeren Abkühlung sogar noch eine Temperaturerhöhung und damit eine Widerstandszunahme. Da die Ausgangsspannung der Brückenschaltung 5 der Differenz der beiden Wicklungswiderstände 21, 22 proportional ist, wird durch den beschriebenen Effekt eine beträchtliche Steigerung der Ansprechempfindlichkeit erzielt.

Bei kleinen Vertikalgeschwindigkeiten ist das in der Zeiteinheit durch die Sonde transportierte Luftvolumen so klein, daß es mehrere Sekunden dauert, bis die Sondenwicklungen in ihrer gesamten Längsausdehnung passiert sind. Die dadurch bedingte unerwünschte Anzeigeverzögerung bei kleinen Anzeigewerten wird indes durch die besondere Ausbildung der Sonde weitgehend aufgehoben, weil der größte Beitrag zur Anzeige von dem heißeren und im Vergleich zur öesamtausdehnung der Sonde viel kleineren Zentrum hervorgebracht wird.

Nebenher verbessert die Sondenform die Linearität zwischen Meßgröße und Anzeigewert. Die Sonde selbst kann als lineares Bauelement betrachtet werden, da ihre Widerstandsänderung exakt linear mit der Temperatüränderung verläuft. Die nachgeschalteten elektrischen Anordnungen lassen sich ebenfalls so aufbauen, daß sie - bis zu einem oberen Grenzwert natürlich linear arbeiten. Linearitätsabweichungen sind somit nur im Verhältnis Temperaturdiffernz (Grad der Abkühlung) zur Strömungsgeschwindigkeit zu befürchten. Praktische Erfahrungen, die von verschiedenen Seiten bestätigt werden, haben erwiesen, daß die Temperaturdifferenz bei mittleren und höheren Strömungsgeschwindigkeiten eine lineare Funktion der Geschwindigkeit des Luftstroms ist, bei sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeiten aber die lineare Punktion zu kleineren Werten hin verläßt. Bei zylindrischer Form der Sonde und demzufolge gleichmäßiger Temperaturverteilung auf ihrer Oberfläche würde ein

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sehr langsamer Luftstrom überhaupt keine wahrnehmbare Abkühlung hervorrufen, jedenfalls keine unterschiedliche Abkühlung beider Wicklungen. Vielmehr müßte man sogar mit den in der Praxis beobachteten Umkehreffekten rechnen, daß nämlich die in Strömungsrichtung zweite Wicklung stärker gekühlt wird als die erste. Bei der hier beschriebenen Sonde kann dieser Fehler nicht auftreten. Je langsamer sich hier die Luft durch das heißere Zentrum bewegt, umso stärker wird sie erhitzt. Wenn jetzt auch der Luftstrom zu schwach ist, um die erste ^ Wicklung wirksam abzukühlen, wird er doch die äußeren, kühleren Teile der zweiten Wicklung erwärmen, und damit ergibt sich wieder eine richtige Anzeige. Durch die beschriebene Erhöhung der Empfindlichkeit an der unteren Meßgrenze wird also die gesamte Punktion weitgehend linearisiert.

Am oberen Ausgang der Brückenschaltung 5 tritt, wenn die Luft wie bisher angenommen von links nach rechts strömt, bei der gezeichneten Polung der Batterie eine gegenüber der Bezugsspannung am gemeinsamen Punkt der beiden unteren Widerstände positive Spannung auf, deren Höhe der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist. Bei umgekehrter Strömungs- ψ richtung ist die Spannung am oberen Brückenausgang dementsprechend negativ gegen die Bezugsspannung, und im Ruhezustand ist die Brücke abgeglichen und liefert keine Spannung bzw. an beiden Ausgängen die gleiche Spannung. Natürlich 1st diese Art der Polung nicht zwingend, vielmehr kann sie nach Belieben umgekehrt werden. Die beiden Vergleichswiderstände der Brücke können übrigens relativ groß gegenüber den ohmschen Widerständen der Wicklungen sein, da sie in bezug auf die Spannungszuführung einen eigenen Zweig bilden und die Höhe der am Mittelabgriff der Wicklungen abnehmbaren Differenzspannung nicht beeinflussen.

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An die beiden Ausgänge der Brückenschaltung 5 ist ein an sich bekannter Differentialverstärker 7 mit hoher Nullpunktstabilität angeschlossen. · Zur Meßbereichumschaltung können dem Verstärkereingang Widerstände 6 parallelgeschaltet werden, die die bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten auftretenden hohen Spannungen herunterteilen, bevor sie verstärkt werden. Auf diese Weise werden sowohl der Verstärkungsbereich des Verstärkers 7 wie auch der Anzeigebereich des Instruments 8 und der Tonfrequenzbereich des Oszillators 10 optimal ausgenutzt, ohne daß die hohe Anzeigegenauigkeit bei kleinen Meßwerten zu Lasten des insgesamt zu verarbeitenden Meßbereichs ginge oder die Anzeige bis hinauf zu großen Meßwerten die Genauigkeit an der unteren Grenze beeinträchtigte.

Am Ausgang des Verstärkers 7 ist ein Voltmeter 8 angeschlossen, dessen Zeiger in der Ruhelage in Mittelstellung steht. Die Skala des Instruments ist in m/sec geeicht und zeigt in einer Richtung von der Mittelstellung positive Werte, also Steiggeschwindigkeiten, in der anderen Richtung negative Werte, also Sinkgeschwindigkeiten an. Die Mittelstellung, die der Spannungsdifferenz Null am Ausgang der Brücke 5 entspricht, kann mit dem mechanischen Nullpunkt des Instruments übereinstimmen, sie braucht es aber nicht, wenn man zwischen Brückenschaltung 5 und Instrument 8 in bekannter V/eise eine Potentialverschiebung in der einen oder anderen Richtung vornimmt, so daß am Ausgang des Verstärkers beispielsweise nur negative Spannungen auftreten, von denen ein mittlerer Wert der Anzeigegröße Null entspricht, während die darüberllegenden Spannungen positive und die darunterliegenden Spannungen negative Anzeigewerte ergeben. Derartige Maßnahmen sind dem Fachmann geläufig und brauchen daher nicht erläutert zu werden.

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Der Verstärker 7 ist ausgangsseitig ferner mit einem Zerhacker 9 und einem Tonfrequenz-Oszillator 10, jeweils bekannter Bauart, verbunden. Der Oszillator erzeugt Schwingungen, deren Frequenz von der Ausgangsspannung des Verstärkers und damit von der Ausgangsspannung der Brückenschaltung 5 abhängt. Je höher die Brückenspannung der Polarität ist, die der Strömungsrichtung von links nach rechts, also dem Steigen des Plugzeugs entspricht, umso größer ist auch die Oszillatorfrequenz. Je größer dagegen die BrUckenpannung mit umgekehrtem Vorzeichen ist, umso W kleiner ist die Oszillatorfrequenz. Der angeschlossene Lautsprecher 11 gibt dementsprechend umso höhere Töne wieder, je größer die Steiggeschwindigkeit (positive Vertikalgeschwindigkeit) ist, und umso tiefere, je größer die Sinkgeschwindigkeit (negative Vertikalgeschwindigkeit) ist. Als Tonfrequenz-Oszillator eignet sich besonders gut ein astabiler Multivibrator mit linear ansteigender Frequenz.

Die Ausgangsspannungen des Verstärkers 7, die bei der gezeichneten Polung der Batterie positiven Ausgangsspannungen der Brücke entsprechen, also durch Luftströmungen von links t nach rechts hervorgerufen werden, machen einen Zerhacker 9 wirksam, der die dem Steigbereich zugeordneten Oszillatorschwingungen zerhackt. Der Pilot erhält auf diese Weise eine eindeutige akustische Aussage darüber, ob sein Flugzeug steigt oder sinkt und mit welcher Geschwindigkeit es sich aufwärts oder abwärts bewegt. Wenn der Ton tiefer wird, aber nach wie vor intermittierend klingt, bedeutet das, daß die Steiggeschwindigkeit zwar geringer geworden ist, die Vertikalbewegung aber immer noch aufwärts verläuft. Wird der Ton jedoch tiefer und klingt stetig fort, weiß der Flieger, daß er sich abwärts bewegt, und zwar je nach Frequenz mit kleinerer oder größerer Geschwindigkeit. Dieses Doppeltonprinzip gibt die

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größte Anzeigesicherheit und macht nach einiger Übung die Beobachtung des Instruments überflüssig und erhöht dadurch aie Plugsicherheit. Voraussetzung für sein fehlerfreies Funktionieren sjnd allerdings die mit der oben beschriebenen Sonde erzielte Nullpunktstabilität und das dadurch garantierte exakte Ein- und Aussetzen des Zerhackers 9 bei jedem Polaritätswechsel der BrUckenausgangsspannung.

Die beschriebene Anordnung ist nach vorstehendem durchaus auch ohne Anzeigeinstrument 8 einsatzfähig, wie sie desgleichen funktionstauglich ist, wenn nur das Anzeigeinstrument vorgesehen wird und die akustische Anzeige ausgeschaltet oder entfernt wird. Mit akustischer und optischer Anzeige wird jedoch eine doppelte Zuverlässigkeit erreicht, die bei der hier herausgestellten Anwendung in Flugzeugen besonders zweckdienlich ist. Wenn die Anordnung dagegen auf anderen Gebieten, wo die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen zu ermitteln ist,'eingesetzt wird, kann man auch auf eines der beiden Anzeigesysteme verzichten.

Anschließend soll noch der Aufbau der Sonde beschrieben v/erden. Wie schon erwähnt, besteht sie aus zwei Wicklungen 21, 22, je in Form eines Kegelstumpfes, die mit ihren kleinen Deckflächen gegeneinander gerichtet sind. Als Material dient ein rein metallener Draht; so wurde in einem praktischen Ausführungsbeispiel NJdcel-Draht von 0,03 mm Querschnitt mit Außenisolierung verwendet. Dieser Draht wird auf einem entsprechenden Wickeldorn in der dargestellten konischen Form gewickelt und die Wicklung vor dem Abziehen vom Wickeldorn mit einem Klebemittel "geheftet", d. h. stellenweise dünn betupft, um die Windungen in der gewünschten Form zu halten. Alsdann werden zwei Wicklungen dieser Art in die Rinne eines Metallblocks 23 gesetzt und ihre Anschlüsse durch die dort vorgesehenen Bohrungen nach unten heraus-

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geführt. Zweckmäßig legt man die Anschlüsse durch Wachs mit hohem Schmelzpunkt o. ä. in den Bohrlöchern fest. Nach der Justage werden alle Teile der Wicklungen mit einem temperaturbeständigen Lack überstrichen, der nach mehrstündiger Erwärmung auf eine Temperatur von z. B. 150 ⁰C aushärtet. Das vorher aufgebrachte Klebemittel verflüchtigt sich bei diesem Aushärtungsprozeß. Das Wachs in den Bohrungen aber wird vorübergehend weich und füllt jetzt die Löcher vollständig aus. Nach dem Erkalten ist die Sonde somit exakt in der Rinne des Blocks 23 fixiert, und zwar freitragend, also ohne Halterung, Verspannung oder sonstige Hilfsmittel, die die Meßergebnisse beeinträchtigen könnten. Der Block 23 wird anschließend mit einem entsprechenden Gegenstück ve?»- schraubt, vernietet oder ähnlich fest verbunden. Von außen zugänglich bleiben dann nur die Wicklungsanschlüsse, die an den elektrischen Teil angeschlossen werden, und der Strömungskanal, der als Rinne durch den Block 2j5 geführt ist und der durch Schlauchleitungen o. ä. mit dem Ausgleichsbehälter 1 und der Abnahmestelle für den statischen Druck verbunden wird.

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Claims

Prof. Dr. Oskar Vierling 20. Juni 1968 Patentansprüche

1. Anordnung zum Messen der Geschwindigkeit und Richtung eines Gasstroms mit optischer und akustischer Anzeige des Meßergebnisses, bei der der Gasstrom über eine temperaturempfindliche Meßsonde geleitet wird, die nach dem bekannten Prinzip der Hitzdrahtströmungsmesser aus zwei Wicklungen von jeweils mehreren Windungen eines Metalldrahts besteht, welche Wicklungen mit den Windungsflächen quer zum Gasstrom in Reihe liegen und Teil einer Widerstands-Brückenschaltung sind, deren Ausgangsspannung über einen Verstärker einem Anzeigeinstrument zur optischen Anzeige sowie einem Oszillator mit angeschlossenem Lautsprecher zur akustischen Anzeige zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (21, 22) der Meßsonde (2) freitragend je in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet und mit ihren kleinen Deckflächen aneinanderstoßend angeordnet sind, wobei sie nur durch einen Lacküberzug in der ursprünglichen Wickellage gehalten werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von isoliertem Nickel-Draht als Material für die Wicklungen (21, 22) der Sonde.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Wicklungen (21, 22) der Meßsonde (2) aufgebaute, an sich bekannte Widerstands-Brückenschaltung (2, 5) in an sich bekannter Weise über einen Bereichsumschalter (6) und einen Verstärker (7) eine optische Anzeige auf einem Anzeigeinstrument (8) und über einen

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Tonfrequenz-Oszillator (10) mit angeschlossenem Lautsprecher (11) eine an sich bekannte akustische Anzeige steuert, wobei die akustische Anzeige aber nicht nur den bei Null (Horizontale) beginnenden Steig§<bereich, sondern den gesamten Anzeigebereich des Instruments (8) umfaßt und durch einen Zerhacker (9) parallel zum Oszillator (10) ergänzt wird, der durch die Brückenausgangsspannung in der Weise ein- und ausgeschaltet wird, daß er jeweils nur in einem Bereich, und zwar vorzugsweise dem Steigbereich, wirksam ist.

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