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Gerät zum Nachweis und-zur Messung der Strömungsverhältnisse von
gasförmigen oder flüssigen Medien Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Nachweis
und zur Messung der Strömungsrichtung und/oder der Strömungsgeschwindigkeit von
gasförmigen oder flüssigen Medien, welches insbesondere auch zum Einsatz in Fahrzeugen
geeignet ist.
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Bei derartigen Geräten sind auf die Strömungsverhältnisse reagierende
Detektoren erforderlich, deren Meßdaten mittels geeigneter ubertragungsglieder zur
Anzeige gebracht werden müssen, Es sind Meßvorrichtungen bekannt, die für Strömungsgeschwindigkeit
und Strömungsrichtung verschiedene Meßfühler benutzen. Einige bekannte Vorrichtungen
ermöglichen mit hohem technischen Aufwand sehr genaue Messungen, andere sind zur
Fernübertragung der Meßwerte oder zum Einsatz in Fahrzeugen schlecht oder garnicht
geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmeßeinrichtung
zu schaffen, die mit einem einzigen Meßfühler sowohl die Strömungsrichtung als auch
die Strömungsgeschwindigkeit erfassen kann, und die weiterhin eine Feststellung
der Windverhältnisse mit ausreichender Genauigkeit in Land- oder Wasserfahrzeugen
ermöglicht, insbesondere auch der Seitenwindstärke, wobei nur ein sehr geringer
Aufwand notwendig ist0 Weiterhin kann die Erfindung vorteilhaft als Strömungsgeschwindigkeits-
oder Durchflußmengenmesser eingesetzt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß als Nachweiselement
ein vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung bzw. zur Strömungsebene angeordneter
Meßstab Verwendung findet, der möglichst allseitig der Strömung ausgesetzt ist und
der an seinem einen Ende gelagert ist, wobei eine progressiv wirkende Rückstellkraft
den Stab bei Windstille oder bei Abwesenheit einer Strömung in seiner Ruhelage und
bei Anwesenheit einer Strömung in einer zur Ruhelage geneigten Lage bei Gleichgewicht
zwischen Rückstellkraft und Strömungsdruck fixiert, so daß die Auslenkung
und/oder
Biegung des Stabes nach Richtung und/oder Größe ein Maß für die Strömungsrichtung
und/oder Strömungsgeschwindigkeit ist, und daß weiterhin die Aus lenkung und/oder
Biegung des Stabes durch geeignete Übertragungsvorrichtungen an einer Anzeigevorrichtung
sichtbar gemacht werden.
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Bei Anwendung der Erfindung zum Nachweis und zur Messung sowohl der
Geschwindigkeit als auch der Richtung einer Strömung wird der Stab an seinem einen
Ende so gelagert, daß er sich in jeder Richtung aus der Ruhelage heraus bewegen
kann. Dies kann beispielsweise durch eine kardanische Lagerung, durch ein Gummigelenk
oder auch durch eine Spiralfeder erfolgen, an deren einem Ende der Meßstab befestigt
ist und deren anderes Ende festliegt. Diese Sprialfeder kann, ebenso wie ein Gummigelenk,
gleichzeitig die Funktion einer Rückstellkraft übernehmen.
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Wird lediglich die Biegung des Meßstabes zur Ermittlung der Meßgrößen
benutzt dann wird der Stab einseitig fest gelagert0 Die Lagerung des Meßstabes,
dessen Auslenkung die Meßwerte liefern soll, erfolgt zweckmäßigerweise an einer
Wand eines, ggf wasserdichten, Gehäuses, in das eine Verlängerung des Meßstabes
über die Lagerung hinaus hineinragt, In dem Gehäuse werden die Vorrichtungen zur
Registrierung bzwo zur Fernübertragung der Größe undzoder der Richtung des Meßstabausschlages
angebrachtO Die Größe des Ausschlages, d. hv seine Abweichung von der Ruhelage,
ist ein Maß für den Strömung druck und, da dieser unter gewissen Voraüssetzungen
dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist, auch ein Maß für die
Strömungßgeschwindigkeit. Die erforderliche Rückstellkraft kann hierbei in einfacher
Weise durch eine Spiralfeder zwischen dem Ende der Meßstabverlängerung und einer
zweckmäßigen Stelle des Gehäuses bewerkstelligt werden
Die Ausschläge
des Meßstabes können in entsprechenden mechanischelektrischen Wandlern in digitale
oder analoge elektrische Werte umgewandelt werden, so daß eine einfache Weiterleitung
zur Anzeigestelle erfolgen kann. Eine mechanische oder hydraulische Übertragung
ist ebenfalls möglich, Soll die Biegung des Meßstabes zur Ermittlung der Meßgrößen
dienen, dann gelangt ein Rohr als Meßstab zur Anwendung, in dessen Innerem Mittel
zur Umsetzung der mechanischen Biegung des Rohres in elektrische Größen vorhanden
sind. h Beim Einsatz der Erfindung in F3izeugen zur Anzeige von Windrichtung und
Windgeschwindigkeit ist'eine Kompensation des Winddruckes möglich, der auch bei
Windstille auf den Meßstab infolge der Fahrzeuggeschwindigkeit einwirkt. Soll nur
die Seitenwindstärke festgestellt werden, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug,
dann kann der Stab so gelagert werden oder so geformt sein, daß er sich nur in einer
Ebene senkrecht zur Fahrtrichtung bewegen kann Eine Kompensation des von der Fahrtgeschwindigkeit
herrührenden Winddruckes ist dann nicht erforderlich, wenn keine allzu hohen Meßgenauigkeiten
gefordert werden.
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Im folgenden soll die-Erfindung anhand der Zeichnung erläutert werden.
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Es zeigen Fig. 1 Meßstab mit je einem Kontakt fühler für Strömungsgeschwindigkeit
und Strömungsrichtung, Fige 2 Kontaktscheibe mit Schaltung zur digitalen Übertragung
der windges chwindigke it, Fig. 3 Kontaktscheibe mit Schaltung zur digitalen Übertragung
der Windrichtung, Fig, 4 Anzeigevorrichtung für Windgeschwindigkeit und Windrichtung,
Fig, 5 Meßstab zur analogen Anzeige der Seitenwindverhältnisse in einem Fahrzeug,
Fig. 6 Schaltung zu Fig. 5, Fig, 7 Meßstab zur analogen Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit
Fig.
8 auf Biegung ansprechender Meßstab, Fig, 9 Querschnitt eines auf Biegung ansprechenden
Meßstabes.
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In Fig. 1 ist der Meßstab 1 mittels einer kardanischen Aufhängung
2 im oberen Teil des Gehäuses 3 gelagert. Am unteren Ende des Meßstabes befindet
sich der Kontaktstift 8, der mittels einer Feder 9 auf die Kontaktscheibe 10 gedrückt
wird. Am unteren Ende des Meßstabes 1 ist weiterhin ein Bügel 7 angebracht, der
einen Kontaktstift 4 mit Feder 5 trägt. Der Kontaktstift 4 wird auf die Kontaktscheibe
6 gedrückt, Die im Schnitt dargestellten Kontaktscheiben 6 und 10 sind jeweils Segmente
einer Kugel, deren Mittelpunkt im Lager 2 liegt0 Am unteren Arm des Bügels 7 ist
eine Spiralfeder 11 befestigt, deren unteres Ende am Gehäuseboden in einer Stellschraube
12 zur Einstellung der Federspannung gelagert ist0 Bei der Strömung o bzwo bei Windstille
liegt die Spiralfeder senkrecht unter der Lagerung des Meßstabes 1. Wird der Meßstab
in eine von der Senkrechten abweichenden Lage gebracht, dann spannt sich die Feder
11, und zwar um so mehr, je größer die Abweichung der Meßstablage von der Senkrechten
ist0 Die Gummimanschette 13 verhindert das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit
in das Gehäuseinnere0 Die gesamte Vorrichtung wird an einer Stelle angebracht, an
der der Meßstab~möglichst ungestört allseitig der Strömung bzwO dem Wind ausgesetzt
ist, zO B. auf dem Dach eines Gebäudes.
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Fig, 2 zeigt eine Aufsicht auf die Kontaktscheibe 6o Auf der Kontaktscheibe
sind leitende, voneinander isolierte, kreisrunde Bahnen a, b, c, d, e1 f angebracht.
Je nach der Auslenkung des Meßstabes schleift der Kontaktstift 4 auf einer dieser
Bahnen und verbindet sie mit Masse. Welche Bahn an Masse gelegt ist,
hängt
nicht von der Richtung des Meßstabes, sondern nur von der Größe der Auslenkung und
damit von der Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Mediums abO Die einzelnen
Bahnen werden über Kabel mit den Kathoden einer Glimmanzeigeröhre 14 verbunden,
deren Anode über einen Widerstand an dem Pluspol einer Versorgungsspannung liegt0
Die Glimmanzeigeröhre hat sechs Kathoden mit den Ziffern 2, 4, 6 8, 10 und 12. Wird
die erste Kontaktbahn a z, Bo mit der Kathode für die Ziffer 2 verbunden, die nächste
Kontaktbahn b mit der Kathode für die Ziffer 4 usw¢, dann kann die Vorrichtung durch
zweckmäßig gewählte Lage und Breite der Kontaktbahnen so ausgebildet werden, daß
die Windstärken von 0 bis 12 in Stufen von 2 zur Anzeige gelangen.
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Mittels weiterer Kontaktbahnen und Verwendung entsprechender Glimmanzeigeröhren
kann in einfacher Weise auch eine genauere Anzeige erfolgen0 Fig. 3 zeigt eine Aufsicht
auf die Kontaktscheibe 10 zur Anzeige der Strömungs- bzw. Windrichtung0 Es sind
acht Kontaktsegmente vorhanden, die jeweils über Kabel zu Glühlampen 15 führen.
Der zweite Pol der Glühlampen wird gemeinsam an eine Versorgungsspannung geführt,
deren zweiter Pol an Masse liegt. Der ebenfalls an Masse liegende Kontaktstift 8
bringt je nach Windrichtung eine dieser Glühlampen zum Aufleuchten. Es können also
acht verschiedene Windrichtungen angezeigt werden. Eine Vergrößerung der Anzahl
der Segmente ermöglicht eine engere Unterteilung der angezeigten WindrichtungenO
FigO 4 zeigt eine zu der Ausführung nach Fig. 1 bis 3 passende Anzeigevorrichtung.
Auf einem Kreis sind acht Segmente angeordnet1 die aus durchsichtigem Material bestehen
und mit den Windrichtungen bezeichnet sind. Unter diesen Segmenten befinden sich
jeweils die zugehörigen Glühlampen 15. In dem mittleren Feld ist die Anzeigeröhre
14 angeordnet,
Der nichtlineare Verlauf der Auslenkung des Meßstabes
in Abhängigkeit von der Windstärke kann, sowiet er nicht durch eine entsprechende
Charakteristik der Feder 11 ausgeglichen wird, durch entsprechend gewählte unterschiedliche
Breiten der Kontaktbahnen a, b, ... ausgeglichen werden0 FigO 5 zeigt einen erfindungsgemäßen
Meßstab zum Nachweis der Seitenwindverhältnisse in einem Fahrzeug, Der Meßstab 1
ist im Drehpunkt 16 (Fig. 5a) so gelagert daß er sich nur in der Zeichenebene nach
rechts oder links bewegen kann. Ein am unteren Ende des Meßstabes isoliert angebrachter
federnder Kontaktbügel 17 schleift auf der fest am Gehäuse angebrachten Widerstandsbahn
18o Die Darstellung des Gehäuses ist der Einfachheit halber weggelassen. Die Vorrichtung
wird am Fahrzeug so angebracht9 daß der Meßstab 1 möglichst ungestört dem Wind ausgesetzt
ist. Die Anbringung muß so erfolgen1 daß die Bewegungsebene des Meßstabes senkrecht
zur Fahrtrichtung liegt. Das Profil des Meßstabes kann in Fahrtrichtung stromlinienförmig
ausgebildet sein (Schnitt A - B) um den von der Fahrgeschwindigkeit herrührenden
Winddruck auf den Meßstab klein zu halten.
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In Fig. 6 ist eine Schaltung zu Fig. 5 angegeben. Das Anzeigeinstrument
19 liegt in einer Brückenschaltung, die von der Bordbatterie mit Spannung versorgt
wird und die aus dem Widerstand 18 (siehe Fig, 5) sowie den beiden gleichgroßen
Widerständen 20 und 21 besteht. Der Nullpunkt des Instrumentes 19 liegt in der Skalenmitte,
je nach Richtung des Seitenwindes bewegt sich der Zeiger des Instrumentes nach links
oder rechts und zeigt die Windstärke an. Die Kondensatoren 22 und 23 dienen zur
Däiipfung des Zeigerausschlages bei kurzfristigen Windstärkeänderungen. Diese Dämpfung
kann aber auch in bekannter Weise durch mechanische Mittel am Instrument oder durch
Verwendung eines Bimetall-Instrumentes erfolgen.
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Eine einfache digitale Anzeige ergibt sich, wenn anstelle der Widerstandsbahn
18 eine Reihe von am Gehäuse isoliert angebrachter Kontaktstücke verwendet werden,
über die der Schleifer 17 jeweils zugehörige Anzeigelampen zum Aufleuchten bringt.
Mittels zweier längerer Kontaktstücke und einem weiteren Schleifkontakt am Meßfühler
1 der Fig. 5 kann zusätzlich auch die Windrichtung angezeigt werden0 Fig, 7 zeigt
eine weitere Ausbildung der Erfindung zur analogen Anzeige der Windstärke oder der
Strömungsgeschwindigkeit4 Das untere Ende des kardanisch gelagerten Meßstabes 1
ist über ein Seil 24 mit dem Schleifkontakt 25 verbundene Das Seil wird durch eine
fest am Gehäuse angebrachten Lochscheibe 26 geführt. Das untere Ende des Schleifkontaktes
25 ist über die Zugfeder 11 mit dem Geh-äuseboden verbunden. Der Meßstab wird oberhalb
seiner Lagerung der nachzuweisenden Strömung ausgesetzt. Bei Windstille bzw. bei
der Strömungsgeschwindigkeit 0 (Fig. 7a) befindet sich der Schleifkontakt am unteren
Ende des Widerstandes 27, bei Auftreten einer Strömung wird der Widerstandswert
zwischen Schleifer und Anfang oder Ende der Widerstandsbahn a7 geändext rFEy, 7b)
er ist also ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit und kann in bekannter Weise
zur Anzeige gebracht werden. In dieser Ausfffhrung ist das Gerät z. B. zur Verwendung
als Windgeschwindigkeitsmesser in Wasserfahrzeugen geeignet. Die Anbringung kann
hierbei auch an der Spitze eines Mastes erfolgen.
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Durch einen nichtlinearen Verlauf des Widerstandes über die Länge
bei den Widerständen 18 und 27 ist es leicht möglich, den Skalenverlauf der zugehörigen
Anzeigeinstrumente zu linearisieren.
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Fig. 8 zeigt eine Ausbildung der Erfindung, welche die Durchbiegung
eines Meßstabes zum Nachweisen einer Strömungsgeschwindigkeit benutzt. Der Meßstab
28 besteht aus einem einseitig fest gelagertem leitenden Rohr. Im Inneren des Rohres
befindet sich in Rohrmitte ein Stab 29 aus Widerstandsmaterial, der ebenfalls einseitig
fest und mittels des Isolators 30 isoliert vom Rohr 28 gelagert ist. Am oberen Ende
ist der Stab 29 verschiebbar gelagert, der Isolator 31 sorgt hierbei für seine Fixierung
in der Rohrmitte
und dient gleichzeitig für einen dichten Abschluß
des oberen Rohrendes. Wird der Meßstab, d. h. in diesem Fall das Rohr 28, einer
Strömung ausgesetzt, so biegt er sich je nach Strdmungsgeschwindigkeit mehr oder
weniger durch. Dadurch liegt ein mehr oder weniger großer Teil des Widerstandsstabes
29 an der leitenden Innenwand des Rohres 28 ane Der von der StrAmungageschwindigkeit
abhängige Widerstandswert zwischen Stab und Rohr kann in bekannter Weise zur Anzeige
gebracht werden und ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Strömungsdruck.
Anstelle eines Stabes aus Widerstandsmaterial kann auch ein mit Widerstandsdraht
bewickelter isolierter Stab Verwendung finden.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Stab 29 mit einem
isolierenden Dielektrikum umgeben1 und die von der Durchbiegung des Rohres abhängige
Kapazität zwischen Stab 29 und Rohr 28 wird zur Anzeige gebracht. Das Dielektrikum
kann sich auch auf der Innenseite des Rohres 28 befinden.
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In Fig. 9 sind auf der Innenseite eines Rohres 28, dessen Durchbiegung
nach Fig. 8 zum Nachweis der Str8mungsgeschwindigkeit dient leitende und vom Rohr
isolierte Segmente 32 angebracht, die über die ganze Länge des Rohres 28 führen.
Mittels dieser Segmente ist es möglich bei Durchbiegungen die Strdmungsrichtung
digital zur Anzeige zu bringen, indem die Segmente mit entsprechenden Anzeigemittel,
beispielsweise Glthlampen, verbunden werden, die jeweils bei Berührung eines Segmentes
durch den Stab 29 eingeschaltet werden. Ein derartiger Meßstab kann auch gleichzeitig
bei Verwendung einer entsprechenden elektronischen Schaltung zur Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit
dienen Anstelle der in Fig. 9 angegebenen vier Segmente können auch acht oder noch
mehr Segmente verwendet werden, um eine genauere Anzeige der Strömungsrichtung zu
erhalten.
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Können am Ort des Meßstabes außer den zum Nachweis zu bringenden höchsten
Strömungsgeschwindigkeiten auch noch erheblich höhere Strömungsgeschwindigkeiten
auftreten, so kann die Vorrichtung mit einer Schutzeinrichtung für den Meßstab versehen
werden.
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Diese besteht beispielsweise aus mehreren, kreisförmig um den Meßstab
fest am Gehäuse angebrachten Stäben, die etwa dieselbe Länge wie der Meßstab haben
Diese Stäbe tragen an ihrem oberen Ende einen Rings an dem der Meßstab bei Überschreiten
der höchsten nachzuweisenden Strömungsgeschwindigkeit anliegt. Es können noch weitere
Ringe, auf die Länge der festen Stäbe verteilt, angebracht werden. Diese Ringe schützen
den Meßstab vor bleibenden Verformungen. Das Überschreiten der Nachweisgrenze kann
in bekannter Weise, z. B. durch Verwendung eines Anzeigeinstrumentes mit Endkontakt,
zusätzlich angezeigt'werden, Die Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung nicht
auf die Verwendung von mechanischen Kontakten oder Kapazitäten zur Maßwertübertragung
beschränken. Es können auch andere bekannte Maßwertübertrager, z. B. auf induktiver
Basis, angewandt werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß mit einem einzigen Meßstab als Detektor sowohl Strömungsgeschwindigkeit als
auch Strömungsrichtung festgestellt werden kann, und daß der Detektor infolge seiner
einfachen Konstruktion störunanfällig ist und keine komplizierten beweglichen Teile,
wie Flügelräder oder dgl., enthält.