DE1773681C3 - Windmeßeinrichtung zur Bestimmung des Windgeschwindigkeitsvektors - Google Patents

Description

Hiernach besteht die Vorrichtung zur Windmessung im wesentlichen aus einem Detektor 1, drei Propellern N, E und Z, einer Kodiereinrichtung 2, einem Zeitgeber 3, einer Speichereinrichtung 4, einem langsam arbeitenden Digitalaufzeichner 5, einer schnell arbeitenden, magnetischen Leseeinrichtung 6, einer weiteren Leseeinrichtung 7, einer Schaltung 8, einem Digital-Analog-Umwandler mit Ablesung 9, einem Vorwahlzähler 10, einem Zweirichtungszähler 11, einer Turnerischen Anzeigeeinrichtung 12, einem Digital-Analog-Umwandler 13, einer Anzeigeeinrichtung 14 zur Sichtbarmachung mittels Kathodenstrahlröhren, einer optischen Aufzeichnungseinrichtung 15, einer Alarmeinrichtung 16, einem Analog-Rechner 17, einem Analog-Aufzeichner 18, einem A.nalog-Digital-Umwandler 19, einem Ordinator 20, zwei Stellen zur Handeinstellung der Werte 21 und 22 sowie einer Einrichtung 23 zu einem Vergleich der Ergebnisse.

Der digitale Weg zur Verarbeitung der Informationen besteht im wesentlichen aus den Teilen 1—7 und 11, während der analoge Weg hauptsächlich die Teile 1,2,3 und 13,14,15 umfaßt

]e nach der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht die Möglichkeit, sowohl den einen als auch den anderen Weg zur Auswertung der Informationen zu wählen.

Der Detektor besteht aus einem nicht dargestellten Mast, an welchem drei Arme rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Von diesen drei Armen liegen zwei in einer hori .ontalen Ebene und können nach Norden (N) ja und Osten (E) ausgerichtet sein, während der dritte Arm (Z) vertikal angeordnet ist.

An den äußeren Enden dieser Arme sind Propeller oder Luftschrauben gelagert, deren Umdrehungsgeschwindigkeit proportional der Komponente des Windvektors in Richtung der jeweiligen Achsen ist. Dieser Detektor gestattet daher die Messung der drei kartesischen, rechtwinklig zueinander angeordneten Komponenten des Windvektors.

Jeder dieser Arme trägt ein Kodierungssystem, welches die mechanische Größe (Umdrehungsgeschwindigkeit), bei welcher es sich um einen Analogwert handelt, in eine elektrische Größe in Form eines quantifizierten Digitalwertes umwandelt (F i g. 2,2a, 2b).

Diese Einrichtung besteht aus einer lichtaussendenden Diode 110 (Laser-Diode) von praktisch unbegrenzter Lebensdauer, welche auf drei 3 photoelektrische Zellen 111, 112, 113 gerichtet ist. Zwischen dieser Lichtquelle 110 und den photoelektrischen Zellen 111, 112 und 113 befindet sich eine Scheibe 120, die mit drei Löchern 201, 202, 203 versehen ist und fest auf der Achse 118 sitzt, welche an ihrem äußeren Ende den erwähnten Propeller trägt.

Zwischen der Scheibe 120 und den Photozellen ist eine Zwischenwand 114 angeordnet, welche aus einer Platte mit drei Löchern 115, 116, 117 besteht, die unmittelbar vor den Photozelien angeordnet sind. Das Ganze ist in einem Block 119 untergebracht.

Sobald sich der Propeller dreht, werden die drei Photozellen nacheinander durch die Löcher 201, 202 oder 203 beleuchtet. Die K-: ^J:erungseinrichtung bewirkt auf diese Weise niüu aie geringste Reibung auf der PropellerachS^.

Der Block 119 enthält fernerhin die Energiequelle der Diode GL und die drei Vorverstärker AM. Die drei Blöcke (Fig.3) Sind erforderlichenfalls untereinander austauschbar.

Die photoelektrischen Elemente 111, 112 und 113 bestehen ihrerseits aus drei Mikro-Photodioden, deren photoelektrischen Charakteristiken sich umgekehrt verhalten wie diejenigen der Laser-Diode unter dem Einfluß der Temperatur.

Die Kodierung besteht aus einem Dekodierkreis CD zur Destimmung der Drehrichtung des Propellers. Diese Einrichtung unterscheidet beispielsweise eine Impulsfolge 1, 2, 3 von einer Impulsfolge 3, 2, 1. Diese Impulsfolge wird gegeben durch die elektrischen Impulse, die nacheinander von den Photozellen 113,112 und 111 ausgesendet werden. Hierbei ist dafür gesorgt, daß zwei elektrische Impulse, die nacheinander von derselben Photozelle kommen, nur einmal gezählt werden und daß eine Schwingung des Propellers keine Nebenimpulse auslösen kann. Eine Impulsfolge 111,112, 11J würde somit beispielsweise gezählt als 111.

Auf diese Weise erhält die Dekodierung CD an den drei Eingängen a, b und c die Impulse der Photozelien und liefert am Ausgang g einen entsprechenden Impuls an den positiven oder negativen Ausgängen, je nach der Drehrichtung des Propellers. Dieser Impuls entspricht einer '/j-Propellerumdrehung, d. h. dem Durchgang eines der Scheibenlöcher vor den drei Photozellen. Die Dauer des elektrischen Impulses aus der Dekodierung CD ist abhängig von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Propellers. Deshalb werden diese Impulse durch einen Monovibrator MV geschickt, welcher dann Impulse von konstanter Dauer und Amplitude liefert.

Ein Impuls entspricht einer bestimmten Windstrekkenkomponente Ax. Die Zeit At zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen bestimmt die Komponente X=AxIAtdes Windvektors r(X, Y, Z).

Die weiteren Elemente und Einrichtungen der Windmeßvorrichtung sind dazu bestimmt, die von den Kodiereinrichtungen in Form elektrischer Impulse gelieferten Informationen zu übertragen oder zu vervollständigen.

Das Zeitmeßgerät 3 liefert Impulse für die Synchronisation oder die Kodierung. Die Sammeleinrichtung 4 verbindet die Kodiereinrichtung 2 und das Zeitmeßgerät 3 mit dem langsam arbeitenden, magnetischen Digitalaufzeichner 5, welcher mit vier Spuren ausgestattet ist. Er vereinigt die positiven und negativen Ausgänge der Kodiereinrichtung 2 in einem einzigen Kanal. Hierbei entspricht der positive Ausgang den Impulsen mit positiver Spannung, während der negative Ausgang den Impulsen mit negativer Spannung entspricht.

Der langsam arbeitende, magnetische Digitalaufzeichner 5 speichert die Informationen über den Windvektor und die Signale des Zeitmeßgerätes während einer Dauer von 72 Stunden. Die Laufgeschwindigkeit dieses Aufzeichners beträgt 0,76 cm/sec. Hierbei dienen die Signale des Zeitmeßgerätes als einzige Basis bei der späteren Verarbeitung der Informationen.

Die schnell arbeitende, magnetische Digital-Leseeinrichtung 6 ist dazu bestimmt, die Verarbeitung der Werte zu beschleunigen. Die Arbeitsgeschwindigkeit dieser Einrichtung beträgt 19 cm/sec, wodurch ein erheblicher Zeitgewinn erzielt wird. Sie trennt die positiven und negativen Impulse jedes der vier Kanäle in zwei sog. positive und negative Spuren. Es sind deswegen sieben Ausgänge vorgesehen, und zwar ein Ausgang für das Zeitmeßgerät und 2x3 Ausgänge für di? Impulse von N₁E, Z.

Die Schaltung 8 mißt die mittleren Winde. Ein Digitalsystem bewirkt die algebraische Summierung der

Werte, welche durch die Kodiereinrichtung 2 übertragen wird. Eine nicht dargestellte Zentrale fragt diese Schaltung in bestimmten Zeitabständen ab oder registriert die Werte sofort.

Ein ablesbarer Digital-Analog-Umwandler 9 überträgt die von der Kodiereinrichtung 2 erhaltenen Werte auf einen Zeiger, welcher vor einem Zifferblatt verschiebbar ist. Hierbei kann die Zeitkonstante einstellbar sein.

Der Vorwahlzähler 10 steuert die Ingangsetzung, das Anhalten und die Rückstellung sowohl der Zählkette 11 als auch der numerischen Anzeige 12. Der Eingang dieses Vorwahlzählers erhält die Impulse von dem Zeitmeßgerät 3. Die Ausgänge geben Steuersignale in einer Anzahl, welche einerseits festen Zeitabständen und andererseits der Anzeige der Windgeschwindigkeit in einem beliebigen Meßsystem entspricht, z. B. m/sec Knoten, Fuß pro Sekunde usw.

Die Anordnung einer in zwei Richtungen wirkenden Zählkette 11 gestattet die Bildung der algebraischen Summe aller Impulse, die von den positiven und negativen Ausgängen der Leseeinrichtung 7 kommen.

Die numerische Anzeige 12 gestattet die Bildung der algebraischen Summe der Werte aus der Kodiereinrichtung 2. Die Zeiteinheit kann hierbei um einen Faktor 10 veränderbar sein, was einer Verschiebung des Kommas auf der Anzeige entspricht. Ein Ausgang der Kodiereinrichtung BCD gestattet den Anschluß einer Druckeinrichtung oder eines Ordinators.

Der Digital-Analog-Umwandler 13 wandelt die Impulse aus der Kodiereinrichtung 2 in Form einer elektrischen Spannungsgröße um, und zwar proportional der Frequenz der Werte. Die Spannung ist hierbei positiv oder negativ je nachdem, ob der Impuls aus einem positiven oder negativen Ausgang der Kodiereinrichtung 2 kommt.

Die Analog-Signale NE aus dem Umwandler 13 werden einer Kathodenstrahlröhre 14 zugeführt. Hiero bei erscheint der Windvektor auf dem Schirm in Form eines Segments einer leuchtenden Geraden. Ein Fadenkreuz gestattet hierbei eine unmittelbare Ablesung der Größe für die horizontale Windvektorkomponente sowie deren Richtung. Dieses Fadenkreuz kann hierbei in der Weise angeordnet sein, daß etwaige Fehler des Detektors kompensiert werden.

Die erwähnte optische Aufzeichnungseinrichtung 15 kann das Signal in Form eines Lichtbildes auf einem fotografischen Film festhalten.

Die Warneinrichtung 16 prüft die Analogwerte, welche von dem Umwandler 13 geliefert werden, und löst ein Warnsignal aus, sobald diese einen bestimmten Wert überschreiten. Dieser Alarm kann ausgelöst werden, sobald einer der Analogwerte die kritische Schwelle überschreitet, so daß es möglich ist, die Richtungen zu unterscheiden.

Die Analogwerte aus dem Digital-Analog-Umwandler 19 werden übertragen auf einen Analogrechner 17, welcher, ausgehend von den Windvektorkomponenten, die Größe der Horizontalkomponente und deren Winkel mit einer bevorzugten Richtung berechnet.

Die Signale aus dem Umwandler 13 und dem Analogrechner 17 können durch eine Aufzeichnungseinrichtung 18 registriert werden.

Die Rückwandlung der Analogwerte durch den Analog-Digital-Umwandler 19 in Codesignale gestattet die Einführung der Informationen in den Digitalrech-

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Windmeßeinrichtung zur Bestimmung des Windgeschwindigkeitsvektors mit entsprechend der Windgeschwindigkeit in Drehung versetzten Lochscheiben, die zwischen Lichtquellen und Fotodetektoren angeordnet sind sowie mit einer den Fotodetektoren nachgeschalteten elektrischen Schaltung zur Auswertung der Detektorsignale, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der drei kartesischen Windkoordinaten drei gleiche, mit je einem der drei vom Wind angetriebenen, den drei Koordinaten-Richtungen zugeordneten Propeller (N, E, Z) verbundene Lochscheiben (120) und für jede Lochscheibe eine Gruppe von mindestens drei Fotodetektoren (111, 112, 113) mit einer gemeinsamen Lichtquelle (110) vorgesehen sind, jeder Gruppe von Fotodetektoren eine Kodiereinrichtung (2) nachgeschaltet ist, welche die zeitliche Reihenfolge der von den Fotodetektoren jeder Gruppe erzeugten Meßsignale entsprechend der Drehrichtung der Lochscheibe unterscheidet und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dieser Reihenfolge unterschiedliche Ausgangssignale auf einem Kanal für positive oder auf einem Kanal für negative Impulse zu erzeugen, daß der Kodiereinrichtung wenigstens eine Speichereinrichtung (4,5) mit einem Digitalaufzeichnungsgerät (5) nachgeschaltet und ein mit dieser Speichereinrichtung verbundener, Synchronisierungsimpuls liefernder Zeitgeber (3) vorgesehen ist, daß dem Digitalaufzeichnungsgerät (5) eine Leseeinrichtung (6, 7) zur getrennten Erfassung der negativen und der positiven Impulse nachgeschaltet ist, und daß ferner ein von den Synchronisierungsimpulsen des Zeitgebers (3) gesteuerter Vorwahlzähler (10), dessen Ausgang einen der Leseeinrichtung (6, 7) nachgeschalteten und die algebraische Summe der positiven und der negativen Impulse bildenden Zweirichtungszählcr (11) steuert sowie eine Schaltung (8) zur Mittelwertbildung der Ausgangssignale der Kodiereinrichtung (2) durch Summierung über bestimmte, vom Zeitgeber (3) vorgegebenen Zeiteinheiten vorgesehen sind.

2. Windmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnten Speichereinrichtung (4, 5) ein Digital-Analog-Wandler (13) parallel geschaltet und diesem eine Anzeige- und Speichereinrichtung (14, 15) nachgeschaltet ist und daß die Ausgänge der beiden erwähnten Speichereinrichtungen (4,5 bzw. 15) mit einem gemeinsamen Rechengerät (20) und einer Vergleichseinheit (23) verbunden sind.

3. Windmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem erwähnten Digital-Analog-Wandler (13) außerdem ein Analog-Rechner (17) und eine Alarmeinrichtung (16) nachgeschaltet sind und daß ferner gegebenenfalls an den Ausgang der Kodiereinrichtung (2) ein weiterer Digital-Analog-Wandler mit einer Anzeigevorrichtung (9) angeschlossen ist.

4. Windmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (110) Kristallampen aus Galliumphosphid sind.

Bei einer bekannten Windmeßeinrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (US-PS 30 68 692) werden nicht die drei kartesischen Windkoordinaten, sondern die Polarkoordinaten des Windvektors in einer horizontalen Ebene gemessen. Dazu sind zwei parallel übereinander angeordnete, drehbare Lochscheiben vorgesehen, von denen die eine Scheibe durch ein Schalenkreuz angetrieben wird und die Stärke des Windes liefert, während die andere Lochscheibe von

ic einer Richtungsfahne verdreht wird und den Polarwinkel liefert Mit dieser bekannten Vorrichtung kann aber nicht die häufig sehr wichtige senkrechte Windkomponente ermittelt werden.
Eine andere bekannte Ausführung (US-PS 32 08 275)

• ⁵ arbeitet nach dem gleichen Prinzip, wobei für jede Drenrichtung eines Anemometers mit optischer Signalbildung getrennte Anzeige- und Speicherkanäle für digitale Signale vorgesehen sind.
Eine weitere bekannte Einrichtung (FR-PS 13 70 683) ermöglicht lediglich die Messung einer Windkomponente mittels einer einzigen Lochscheibe und zugehöriger photoelektrischer Einrichtung.

Auch sind Windmeßvorrichtung mit Bestimmung der kartesischen Komponenten bekannt, welche die Komponenten des Windvektors in analoger Form mittels Tachometer messen. Diese Meßmethode ist indessen nicht genau genug, sobald der zu messende Wind schwach ibt oder schnell wechselt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Meßgenauigkeit, insbesondere bei geringen Windgeschwindigkeiten und bei starken Windänderungen, zu verbessern und hierzu auf einfache Weise die Drehrichtung jedes einzelnen der drei Propeller getrennt zu erfassen.

Dies wird durch eine Windmeßeinrichtung der eingangs beschriebenen Art erreicht, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch Merkmale, wie sie im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführt sind.

Zweckmäßige Ausführungsmöglichkeiten ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung einer derart ausgebildeten Windmeßeinrichtung besteht darin, zunächst die von der Kodiereinrichtung auf getrennten Kanälen erzeugten positiven und negativen Impulse für jede der drei kartesischen Koordinaten zusammen mit den von einem Zeitgeber gelieferten Takt- bzw. Synchronisierungsimpulsen mittels eines Digitalaufzeichnungsgerätes aufzuzeichnen und dann nach Bedarf mittels der nachgeschalteten Einrichtung auszuwerten. Diese umfaßt zur Mittelwertbildung im wesentlichen einen Zweirichtungszähler, in welchem die positiven Impulse addiert und die negativen Impulse subtrahiert werden und welche jeweils während einer die Mittlungsperiode bestimmenden Zeitspanne arbeitet, welche ihrerseits durch einen Vorwahlzähler definiert ist, der durch die Synchronisierungsimpulse bis zum voreingestellten Zählerstand fortgeschaltet wird.
In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windmeßeinrichtung wiedergegeben, wobei zeigt
F i g. 1 ein Blockschema der Einrichtung,
F i g. 2 einen Radialschnitt durch die Detektor- und Kodiereinrichtung,

Fig.2a eine Draufsicht auf das bewegliche Element dieser Einrichtung,

F i g. 2b einen Axialschnitt durch diese Einrichtung,
F i g. 3 das elektrische Schema dieser Einrichtung.