DE19721938A1 - Verfahren zur Messung eines Vektors und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung eines Vektors, vorzugsweise eines Strömungsvektors bezüglich seines Betrages und seiner Richtung.

Aus der Meßtechnik ist es bekannt, die Strömungsgeschwindigkeit von Flui­ den, z. B. Luft, über sogenannte Hitzdrahtsonden oder auch Heißfilmsonden zu messen (vgl. hierzu O. Fiedler, Strömungs- und Durchflußmeßtechnik, Oldenbourg-Verlag 1992, Seite 156 bis 168). Diese Meßgeräte basieren auf dem Prinzip der thermischen Strömungsmessung, bei welcher sich ein elek­ trischer Leiter im Strömungsfeld befindet, elektrisch erwärmt wird und seine Wärme an das strömende Medium abgibt. Über die abgegebene Wärme­ menge bzw. die korrespondierende elektrische Heizleistung läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit, d. h. der Betrag des Strömungsvektors ermitteln. Bei Verwendung einer Hitzdrahtsonde wird die Geschwindigkeitskomponen­ te normal zum Draht ermittelt. Soll die Richtung der Strömungsgeschwindig­ keit im Raum zusätzlich bestimmt werden, so sind für diese Messung zu­ sätzliche Hitzdrahtsonden erforderlich, die kardanisch zueinander angeord­ net sind. Heißfilm-Kugelkopfsonden sind zwar bei der Strömungsmessung richtungsunempfindlich, d. h. sie können praktisch aus allen Richtungen an­ geströmt werden und liefern den Betrag der Strömungsgeschwindigkeit - allerdings läßt sich die Richtung der Strömung mit diesen Kugelkopfsonden nicht ermitteln.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein robustes in der Praxis ein­ setzbares Verfahren zur Messung des Betrages, der Richtung und Orientie­ rung eines Vektors, vorzugsweise eines Strömungsvektors, zu schaffen.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Gerät mit einem rich­ tungsempfindlichen Sensor zu schaffen, der einfach und robust im Aufbau und somit in der Praxis einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist bei diesem Verfahren vorgesehen, daß eine sogenannte Störkan­ te, z. B. in Form eines Steges oder einer entsprechenden Blende um den Sensor bzw. mit diesem rotiert, wobei der Sensor den Betrag des Strö­ mungsvektors mißt und die Störkante eine kurzzeitige Störung auf der Sen­ soroberfläche hervorruft, die als Signal für die Richtung des Vektors ausge­ wertet wird. Im Falle eines Strömungsvektors, z. B. der Luftgeschwindigkeit, ergibt sich dann, wenn der rotierende Steg in das Strömungsfeld eintaucht, ein "Windschatten" auf der Sensoroberfläche, der zu einem Einbruch der Betragsmessung, d. h. zu einem Einbruch des Geschwindigkeitsprofiles, führt. Dieser Zeitpunkt wird bezüglich der Winkelposition festgehalten und ausgewertet: Er liefert das Signal für die Richtung des Strömungsvektors. Insoweit erlaubt dieses Verfahren mit Hilfe von herkömmlichen Sensoren auf einfache Weise die Bestimmung der Richtung. Dieses Verfahren ist nicht nur für Strömungsmessungen anwendbar, sondern auch für die Messung von Licht (Lichtwellen), Schall (Schallwellen), radioaktiver Strahlung und elek­ tromagnetischen Wellen.

Dieses Verfahren ist gemäß Anspruch 2 für die Messung von Vektoren ge­ eignet, die in einer oder parallelen Ebenen liegen - in diesem Falle wird der Anström- oder Seitenwinkel, der in dieser Ebene gemessen wird, ermittelt. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens gemäß Anspruch 3 kann auch der räumliche Winkel des Vektors ermittelt werden, indem eine zweite rotierende Kante vorgesehen ist, die gegenüber der ersten in Umfangsrich­ tung versetzt angeordnet ist. Diese zweite Störkante führt zu einer zweiten Störung bzw. einem Betragsmessungseinbruch. Der Abstand der beiden Störungen bzw. der beiden Einbrüche in der Betragsmessung, angegeben in Winkelgraden, liefert das Signal für den Höhenwinkel bzw. die Richtung des Vektors im Raum.

Die Ansprüche 4 bis 14 betreffen vorteilhafte Vorrichtungen, die insbesonde­ re zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens geeignet sind. Gemäß Anspruch 4 ist für die Messung in einer Ebene ein koaxial zum Sensor rotie­ render Steg oder eine entsprechende Blende vorgesehen, wobei der Steg vorteilhaft für Strömungsmessungen und eine Blende eher für Strahlungs­ messungen geeignet ist.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung gemäß Anspruch 7 ist vorgesehen, daß der um die Sensorachse rotierende Steg mit in Achsrichtung zuneh­ mender Breite ausgebildet ist, so daß er auf dem Sensor in Abhängigkeit vom räumlichen Einfallwinkel des Vektors unterschiedliche Sektorbereiche abdeckt. Mit diesem einzelnen Steg unterschiedlicher Breite kann also die Richtung eines Vektors im Raum bestimmt werden, und zwar vorzugsweise eines Strahlungsvektors, der von einer bestimmten elektromagnetischen oder radioaktiven Strahlungswelle ausgeht, deren Richtung im Raum somit in Bezug auf das Meßgerät geortet werden kann.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gemäß An­ spruch 8 ist ein kugelförmiger Sensor vorgesehen, der von einem streifen­ förmigen, äquidistant angeordneten Steg umgeben ist. Dieser Steg ist somit Teil einer gedachten Kugeloberfläche, in deren Mittelpunkt sich der kugel­ förmige Sensor befindet. Bildhaft gesprochen stellt der Steg einen Längen­ grad auf der kugelförmigen Erdoberfläche dar, die der gedachten Ku­ geloberfläche entspricht. Zu diesem ersten Steg ist ein zweiter Steg vorge­ sehen, der im oberen Bereich der gedachten Kugeloberfläche - also im Be­ reich des Nordpoles - mit dem ersten Steg verbunden ist und dessen Ab­ stand - gemessen auf Breitenkreisen - in Richtung Südpol bis auf etwa 180° oder auch bis ca. 360° Längenunterschied zunimmt. Wenn diese beiden versetzt zueinander angeordneten Stege das zu messende Strömungsfeld durchschneiden, erzeugen sie auf der Sensoroberfläche zwei versetzt zu­ einander auftretende Störungen, wobei der Abstand dieser Störungen ein Maß für den Höhenwinkel, d. h. für die nördliche oder südliche Breite und somit für die Richtung des Strömungsvektors im Raum bedeutet. Diese Ste­ ge, sind im Gegensatz zu in analoger Weise anwendbaren Blenden beson­ ders für Messungen von Fluidströmungen geeignet, da sich bei derartigen Strömungen ein Staupunkt vor einer Blende und der sie umgebenden Kuge­ loberfläche ausbilden würde.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich aus Anspruch 9, nach dem der erste Steg eine gegenüber dem zweiten Steg abweichende Breite aufweist - vorzugsweise ist der erste Steg breiter als der zweite. Daraus er­ geben sich auf der Sensoroberfläche unterschiedliche Störungen bzw. Ab­ deckungen. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß man die Messergebnisse eindeutig der Winkelposition der einzelnen Stege zuordnen kann, d. h. der erste Steg gibt den Strömungswinkel in der Ebene, d. h. den Längengrad, an.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung gemäß Anspruch 10 können der oder die Stege direkt auf der kugelförmigen Sensoroberfläche angeordnet sein, z. B. durch Aufdampfen oder Aufkleben von entsprechenden Streifen. In die­ sem Falle rotiert der Sensor selbst, und ein um ihn rotierender Steg oder Käfig entfällt. Dieses Prinzip der partiellen Abdeckung der Sensoroberfläche gilt analog auch für Blenden.

Nach einer vorteilhaften Variante gemäß Anspruch 11 ist ein kugelförmiger Käfig mit entsprechenden Blendenschlitzen vorgesehen, durch welche der zu messende Vektor durchtritt und auf die Sensoroberfläche trifft. Wie be­ reits erwähnt, sind derartige Blenden weniger für Strömungsmessungen von Fluiden wegen deren Staupunktbildung geeignet, sondern eher für Strah­ lungsmessungen, wobei, keine Staupunktbildung auftritt.

Gemäß Anspruch 12 ist in besonders vorteilhafter Weise für den Sensor ei­ ne sogenannte Heißfilm-Kugelkopfsonde vorgesehen, die insbesondere für Strömungsmessungen, also z. B. Luftströmungen geeignet und richtungs­ unempfindlich ist, d. h. diese Sonde ist aus nahezu allen Richtungen an­ strömbar.

Gemäß Anspruch 13 ist es vorteilhaft, wenn der oder die Stege weggeklappt werden können, damit die Sensoroberfläche, ungestört beaufschlagt bzw. angeströmt werden kann. Dies ergibt dann eine genauere Betragsmessung, während die Stege im beigeklappten Zustand eine genaue Messung der Winkelpositionen bzw. der Richtung erlauben.

Schließlich erlaubt eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung gemäß An­ spruch 14, daß der Sensor innerhalb eines tragbaren Meßgerätes angeord­ net ist, welches mit Peilvorrichtung, Sensorelektronik und Anzeige-Display versehen ist. Ein solches Gerät kann beispielsweise für praktische Messun­ gen von Luftströmungen im Windkanal und Wasserströmungen im Wasser­ kanal sowie an Land- und Wasserfahrzeugen eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen richtungsempfindlichen Sensor mit einem Steg (zweidimensional),

Fig. 2, 2a einen richtungsempfindlichen Sensor mit einem Steg un­ terschiedlicher Breite (dreidimensional),

Fig. 3, 3a, 3b einen richtungsempfindlichen Sensor (dreidimensional) mit zwei äquidistanten Stegen,

Fig. 4, 4a, 4b einen richtungsempfindlichen Sensor mit zwei äquidistan­ ten Stegen (dreidimensional), wobei der erste Steg breiter als der zweite ist,

Fig. 5 einen richtungsempfindlichen Sensor (dreidimensional) mit zwei nicht äquidistanten Stegen,

Fig. 6 einen richtungsempfindlichen Sensor mit einem kugel­ förmigen Käfig und zwei Blendenschlitzen,

Fig. 7, 7a einen richtungsempfindlichen Sensor mit Käfig- bzw. Blendenstruktur in Sensoroberfläche integriert,

Fig. 8 ein Meßgerät mit in drei Dimensionen richtungsempfindli­ chem Sensor und

Fig. 9 die Störkanten bzw. Stege schematisch auf Kugeloberflä­ che dargestellt.

Fig. 1 zeigt - schematisch dargestellt - einen in einer Ebene (zweidimensional) richtungsempfindlichen Sensor 1, der eine sogenannte Heißfilm-Kugelkopfsonde 2 aufweist, die über einen Sondenstiel 3 mit einem zylindrischen Rotor 4 verbunden ist. Der kugelförmige Sensor 2 ist in senk­ recht zu der Rotationsachse 6 angeordneten Ebenen in einem Bereich von 0 bis 360° anströmbar. Der betreffende Anströmwinkel α bezeichnet die Richtung des Strömungsvektors V einer Luftströmung L. Dieser Strömungs­ vektor V ist gekennzeichnet durch seine Strömungsgeschwindigkeit, z. B. meßbar in m/s sowie durch seine Richtung und Orientierung, d. h. den Win­ kel α.

Die Funktion dieses Sensors wird durch das nebenstehende Diagramm deutlich, bei welchem der Betrag des Vektors V über dem Winkel α aufge­ tragen ist. Dieser Betrag |V| wird durch den Heißfilmsensor 2 gemessen und aufgezeichnet. Er ergibt sich, wenn die Strömung ungestört auf den Sensor 2 trifft. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Steg 5 während der Messung um die Achse 6 rotiert und einmal pro Umdrehung das Strö­ mungsfeld luvseitig vom Sensor 2 durchschneidet. Diese Position des Ste­ ges 5 ist mit 5' in der Draufsicht bezeichnet und entspricht einem Winkel von α = 180°. In dieser Stellung 5' des Steges 5 wird die leewärts gelegene Oberfläche des Sensors 2 abgedeckt, d. h. sie liegt im "Windschatten" des Steges 5. Dies führt zu einer Verminderung des gemessenen Betrages der Strömungsgeschwindigkeit, was in dem Diagramm an der Stelle 180° als Geschwindigkeitseinbruch 7 deutlich erkennbar ist. Da die Winkelposition durch eine hier nicht dargestellte Einrichtung laufend erfaßt wird, kann der Geschwindigkeitseinbruch 7 eindeutig der betreffenden Winkelposition zu­ geordnet werden. Ändert sich die Richtung der Luftströmung, so wird sich der Geschwindigkeitseinbruch entsprechend nach vorne oder hinten auf der Abszisse verschieben, da in diesem Falle ein anderer Bereich der Sensor­ oberfläche abgedeckt wird. Diese Art der Messung liefert nur eine zweidi­ mensionale Aussage.

Fig. 2 zeigt einen Sensor, der für dreidimensionale Messungen und Aussa­ gen geeignet ist. Er weist ebenso wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine Heißfilm-Kugelkopfsonde 2, 3 auf, die an einem Rotor 4 befestigt ist, welcher um eine Achse 6 drehbar ist. Mit dem zylindrischen Rotor 4 ist im Anströmbereich der Sonde 2 ein Steg 11 unterschiedlicher Breite in Um­ fangsrichtung gesehen befestigt. Dieser Steg 11 weist in seinem oberen oberhalb des Sensors 2 gelegenen Bereich eine Spitze 12 auf, von der aus sich zwei Kanten 13 und 14 bis zum Fußbereich 15 des Steges erstrecken. Durch diese geometrische Ausbildung des Steges 11 ergibt sich eine in Richtung der Achse 6 von der Spitze 12 bis zum Fuß 15 zunehmende Breite des Steges, die im Fußbereich einen Umfangswinkel ω von ungefähr 270° erreicht (vgl. Draufsicht).

Die Anströmung des Sensors 2 ist durch zwei Varianten von Strömungspfei­ len V1 und V2 dargestellt, wobei die Strömung V1 einen Höhenwinkel β1 gegenüber der Horizontalen 16 aufweist - die Strömung kommt hier von oben, d. h. der Winkel β1 ist größer als 0. Bei der zweiten Variante bilden die Strömungspfeile V2 mit der Horizontalen 16 einen Winkel β2 - die Strömung kommt hier von unten, d. h. der Winkel β2 ist kleiner als 0°.

Die Strömungsmessung erfolgt wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, d. h. der Sensor 2 mißt den Betrag des Strömungsvektors V1 bzw. V2, was auf den nebenstehenden Diagrammen dargestellt ist. Wie in der Draufsicht erkennbar, ist die Anströmrichtung in der Ebene in beiden Fällen, d. h. für V1 und V2 gleich, d. h. der Winkel α beträgt 180°. Bei der Strömung V1 von oben wird der Sensor 2 bei rotierendem Steg 11 nur durch einen relativ klei­ nen Sektorbereich des Steges 11 abgedeckt, während im Falle der Strö­ mung V2 von unten ein wesentlich breiterer Sektorbereich des Steges 11 den Sensor 2 abdeckt. Diese unterschiedlich langen Abdeckungen, die ab­ hängig von dem Höhenwinkel β1 bzw. β2 sind, führen zu unterschiedlich breiten Geschwindigkeitseinbrüchen 17 und 18: Der betragsmäßige Ge­ schwindigkeitseinbruch 17 des Strömungsvektors V1 ist eine relativ schmale Kerbe bei der Winkelposition von 180°, während der Geschwindigkeitsein­ bruch des Geschwindigkeitsvektors V2 ein ziemlich breiter Trog im Bereich von etwa 90 bis 270° ist. Aus der Breite (gemessen in Richtung der Abszis­ se) ergibt sich der Höhenwinkel bzw. die Richtung des Vektors V1 und V2, hier ist also ω1 proportional β1 und ω2 proportional β2.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a ist die Kante 19 koaxial, d. h. parallel zur Achse 6 angeordnet, wodurch sich der gemessene Geschwin­ digkeitseinbruch 17', 18' unabhängig vom Höhenwinkel β ergibt und somit direkt den Winkel α in der Horizontalebene 16 liefert. Der Umfangswinkel ω im Fußbereich 15 des Steges 11 beträgt hier ca. 135° (vgl. Draufsicht).

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, nämlich einen Sensor 20 mit zwei versetzt zueinander angeordneten Stegen 21 und 22, die oberhalb der Sonde 2 zu einer Spitze 23 zusammenlaufen und in ihrem Fußbereich 24 mit dem zylindrischen Rotor 4 verbunden sind. Die Stege 21 und 22 sind äqui­ distant zur Sensoroberfläche. Rotor 4 ist zusammen mit den beiden Stegen 21 und 22 um die Achse 6 drehbar und durch einen nicht dargestellten Schrittmotor antreibbar. Letzterer hat den Vorteil, daß er gleichzeitig die Winkelposition erfaßt. Statt eines Schrittmotors kann auch ein Linearmotor mit einem Winkelgeber verwendet werden. Die Sonde 2, 3 kann entweder mit den Stegen 21, 22 rotieren oder feststehen.

Fig. 3a zeigt untereinander angeordnet zunächst eine Ansicht in Richtung A auf den Sensor 20, d. h. in Richtung der Rotationsachse 6 und darunter Schnitte in den Ebenen I-I, II-II und III-III, die senkrecht zur Rotationsachse 6 verlaufen. Das zu messende Strömungsfeld ist eine durch Pfeile L gekenn­ zeichnete Luftströmung, die durch ihren Vektor V charakterisiert ist. Der Vektor V weist einerseits einen bestimmten Betrag auf, d. h. die Geschwin­ digkeit der Luftströmung, die durch die Sonde 2 gemessen und aufgezeich­ net wird. Andererseits ist dieser Geschwindigkeitsvektor durch die Winkel α (in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse 6) und durch den Höhenwinkel β, gemessen gegenüber der horizontalen Ebene 16, bestimmt. Wie man aus den Schnitten in Fig. 3a erkennt, sind die Stege 21, 22 in Umfangsrichtung gesehen unterschiedlich weit gegeneinander versetzt, d. h. von der Spitze 23 bis zum Fuß 24 in einem Bereich von etwa 180°. Dies hat bei der Strö­ mungsmessung zur Folge, daß eine unter einem Höhenwinkel β einfallende Strömung bei rotierenden Stegen 21, 22 zwei nacheinander folgende Stö­ rungen in der Betragsmessung hervorruft, wobei der Abstand dieser Störun­ gen auf der Abszisse ein Maß für den Höhenwinkel β ist. Dies ist in den ne­ benstehenden Diagrammen in Fig. 3b exemplarisch für drei Winkel, näm­ lich β < 0, β = 0 und β < 0 dargestellt. Bei einer Strömung von oben, d. h. für β < 0 ergibt sich ein Abstand von der ersten zur zweiten Störung von ω1, der relativ gering ist. Bei einer horizontalen Anströmung, senkrecht zur Rotati­ onsachse für β = 0 ergibt sich ein gegenüber ω1 größerer Abstand von der ersten zur zweiten Störung mit ω2. Schließlich ergibt sich für eine Strömung von unten, d. h. für β < 0 ein maximaler Abstand von der ersten zur zweiten Störung mit ω3. Aus diesen unterschiedlichen Abständen ω1, ω2 und ω3 können die Höhenwinkel β, d. h. die Richtung des Strömungsvektors ermittelt werden.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen richtungsempfindlichen Sensor 30, bei welchem der erste Steg 31 breiter als der zweite Steg 32 ist. Darüber hinaus erstreckt sich der zweite Steg 32 von einer gemeinsamen Spitze 33 bis zum Fuß 34 über einen Umfangswinkel von fast 360°. Der Abstand in Umfangsrichtung zwischen den Vorderkanten von erstem und zweitem Steg ist somit - gegenüber dem Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 3 - auf etwa den doppelten Bereich gespreizt. Der Vorteil des breiteren Steges 31 liegt darin, daß dieser ein breiteres Signal für den Geschwindigkeitseinbruch erzielt, was aus den Diagrammen gemäß Fig. 4b erkennbar ist. Man kann also somit die Störungen bzw. Geschwindigkeit­ seinbrüche auf den Diagrammen gemäß Fig. 4b jeweils dem ersten oder zweiten Steg zuordnen und damit auch sofort die zugehörigen Winkel α und β bestimmen.

In Fig. 4 ist der Durchmesser der kugelförmigen Sonde 2 mit D eingezeich­ net. Der Abstand der äußeren Kante des rotierenden Steges 31 zur Achse 6 in der Horizontalebene 16 ist mit 2D eingezeichnet, d. h. der Abstand des Steges 31 und auch der des Steges 32 vom Mittelpunkt der Sonde 2 beträgt etwa das Zweifache des Durchmessers D der Sonde. Die Stege 31 und 32 sind somit äquidistant zur Sensoroberfläche, wobei der Abstand ca. 1,5 D beträgt. Dies gilt für Strömungsmessungen von Luft als bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel, wobei der Durchmesser D der Heißfilm-Kugelkopfsonde etwa 2 mm beträgt.

Vorteilhaft in bestimmten Fällen könnte es auch sein, wenn der Steg nicht äquidistant zur, Sensoroberfläche angeordnet wäre, sondern mit einem ver­ änderlichen Abstand, so daß die Schärfe des Signals in gewissen Anström­ winkelbereichen beeinflußbar ist. Dies ist in Fig. 5 für den Sensor 35 dar­ gestellt: Die Stege 36 und 37 sind zur Oberfläche des kugelförmigen Sen­ sors 2 nicht äquidistant angeordnet. Der Steg 36 weist beispielsweise in sei­ nem Bereich oberhalb der Horizontalebene 16 einen relativ geringen Ab­ stand a1 auf, während der Abstand im Bereich unterhalb der Ebene 16 a2 beträgt wobei a2 < a1. Diese Nicht-Äquidistanz ist auch aus der gestrichel­ ten Linie 36' zu erkennen, die den Verlauf eines äquidistanten Steges dar­ stellt - die Spitze 38, von der beide Stege 36 und 37 ausgehen, ist deutlich in Richtung der Ebene 16 versetzt.

Fig. 6 zeigt eine weitere Variante 40 für den erfindungsgemäßen Sensor, bei welchem auf dem Rotor 4, drehbar um die Achse 6, ein kugelförmiger Käfig 41 aus Metall oder Kunststoff befestigt ist. Im Mittelpunkt dieses kugel­ förmigen Käfigs 41 befindet sich die kugelförmige Sonde 2, die über den Stiel 3 mit dem Rotor 4 verbunden ist. In den Käfig 41 sind zwei schlitzförmi­ ge Blenden 43 und 44 eingearbeitet, die den Stegen 21, 22 gemäß Fig. 3 oder 31, 32 aus Fig. 4 entsprechen. Die Kugelkopfsonde 2 ist somit größ­ tenteils durch den kugelförmigen Käfig 41 abgeschirmt, nur die Schlitze 43 und 44 erlauben einen Durchtritt von Licht oder Strahlung und damit eine Beaufschlagung der Oberfläche des Sensors 2. Das Meßprinzip ist das glei­ che bzw. analog wie oben beschrieben. Dieser Käfig 41 mit den Blenden 43 und 44 ist vorzugsweise für die Messung von Lichtwellen und radioaktiver Strahlung geeignet, wobei der Sensor 2 eine entsprechende Empfindlichkeit für die Betragsmessung dieser Vektoren aufweisen muß. Die Richtung des Vektors ergibt sich dann aus der Winkelposition der jeweiligen Betragsmes­ sungen, die hier - im Gegensatz zu den vorherigen Beispielen - als Spitzen bzw. Maxima erscheinen.

Fig. 7 zeigt einen Kugelkopfsensor 45 mit einer empfindlichen, dunkel an­ gelegten Kugeloberfläche 45', die durch streifenförmige Bahnen 46 und 46' abgedeckt ist. In diesen Oberflächenbereichen 46 und 46', die den Stegen 21 und 22 in Fig. 3 entsprechen und die abgeklebt oder weggeätzt sein können, ist der Sensor also "blind" bzw. unempfindlich. Ein Käfig wie in Fig. 6 oder Stege wie in Fig. 3 entfallen bei diesem Ausführungsbeispiel. Das Meßprinzip ist jedoch das gleiche wie oben beschrieben.

Fig. 7a zeigt quasi das Negativ von Fig. 7: hier ist ein Kugelkopfsensor 47 mit einer "blinden" bzw. unempfindlichen Oberfläche 47' dargestellt, der nur in den streifenförmigen Bereichen 48 und 48' "sehend" bzw. empfindlich ist. Der Großteil der Kugeloberfläche, d. h. die helle Fläche 47' ist also abge­ deckt, z. B. durch Abkleben. Das Meßprinzip ist analog wie oben beschrie­ ben, allerdings ist ein rotierender Käfig mit Blendenschlitzen nicht erforder­ lich.

In Fig. 8, ist ein vollständiges Meßgerät 50 mit dem erfindungsgemäßen richtungsempfindlichen Sensor 51 dargestellt. Der um eine Achse 52 rotie­ rende, durch einen nicht dargestellten Schrittmotor angetriebene Sensor 51 (gemäß einem der vorgenannten Ausführungsbeispiele) ist auf einer Grundplatte 53 des Meßgerätes 50 montiert, wobei diese eine Vorrichtung 54 für horizontales Peilen und eine Vorrichtung 55 für vertikales Peilen auf­ weist. Somit kann der absolute Anströmwinkel im Raum durch Addition der horizontalen und vertikalen Peilungen der Grundplatte 53 mit den gemesse­ nen Winkeln α und β ermittelt werden. Das Gerät 50 weist ferner ein Display 56 auf, welches die gemessenen bzw. die gewünschten Werte des Vektors, d. h. dessen Betrag und Richtung, anzeigt. Über eine Datenschnittstelle 57 sind die Werte auf eine nicht dargestellte angeschlossene Rechenanlage übertragbar. Für den Fall, daß kein Schrittmotor zum Antrieb des Sensors verwendet wird, sondern ein Linearmotor, ist zusätzlich ein Winkelgeber zur Erfassung der Winkelposition des Sensors erforderlich.

Fig. 9 und 9a zeigen eine schematische Darstellung bzw. ein Modell 60 der oben erwähnten Störkanten, Stege oder Blenden auf einer Kugeloberfläche, vergleichbar mit der Erdoberfläche, mit Nordpol N, Südpol S und den Orien­ tierungen West (W) und Ost (O). Ein entsprechendes Netz von Längen- und Breitengraden ist nicht dargestellt, aber gedanklich vorstellbar. Eine erste Störkante 61 erstreckt sich als Großkreis bzw. Längengrad vom Nordpol N bis zum Südpol S und zwar mit der Orientierung West (W), entsprechend 0° Länge. Eine zweite Störkante 62 erstreckt sich ebenfalls von N bis S, wobei die Kante 62 gegenüber der Kante 61 einen von N nach S wachsenden auf den Breitenkreisen gemessenen Abstand aufweist: der Längenunterschied wächst mit dem Breitenunterschied. Die Linie 61 hat also bei N (90° nördl. Breite) einen Längenunterschied von 0°, bei 0° Breite (Äquator Ä-Ä) einen Längenunterschied von 90° und bei S (90° südl. Breite) einen Längenun­ terschied von 180°. In Fig. 9a liegt die durchgezogene Kurve 62 auf der nördlichen Halbkugel, der gestrichelte Kurventeil 62 auf der südlichen Halb­ kugel.

Eine Variante für die zweite Störkante stellt die Kurve 63, 63a dar, die sich über einen Längenbereich von 360° erstreckt. In Fig. 9 liegt der Kurventeil 63 auf der vorderen, der Kurventeil 63a auf der hinteren Halbkugel. In Fig. 9a, der Draufsicht, stellt sich die Kurve 63, 63a als sogenannte Herzkurve dar, deren Teil 63 auf der oberen bzw. nördlichen Halbkugel und deren Teil 63a auf der unteren bzw. südlichen Halbkugel liegt. Der Sensor 2 mit seiner kugelförmigen Oberfläche befindet sich im Zentrum mit dem Mittelpunkt M.

Abwandlungen der dargestellten Ausführungsformen 61, 62, 63 sind denk­ bar, z. B. daß der Längenunterschied nicht linear mit dem Breitenunterschied wächst, sondern nicht-linear, degressiv oder progressiv.

Claims (14)

1. Verfahren zur Messung eines Vektors, vorzugsweise eines Strö­ mungsvektors, bezüglich seines Betrages, seiner Richtung und Ori­ entierung, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des Vektors über die Oberfläche eines Sensors (2) gemessen wird und daß die Richtung und Orientierung (α, β) des Vektors durch mindestens eine um eine Achse (6) des Sensors (2) rotierende, den Vektor störende Kante (5; 12, 13, 61) dadurch ermittelt wird, daß die Kante auf der Sensoroberfläche eine von der Richtung des Vektors abhängige Stö­ rung und damit eine Beeinflussung der Betragsmessung bewirkt und daß die Winkelposition der Störung erfaßt wird und damit die Rich­ tung und Orientierung des Vektors liefert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Vektors in einer Ebene (Seitenwinkel α) durch Rotation einer Kante (5) um eine auf der Ebene senkrecht stehende Achse (6) des Sensors (2) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Vektors im Raum (Seitenwinkel und Höhenwinkel β) durch Rotation von zwei in Rotationsrichtung mit zunehmendem Abstand gegeneinander versetzten Kanten (13, 14; 21, 22; 31, 32; 43, 44; 61, 62, 63) dadurch ermittelt wird, daß der Höhenwinkel β aus der zeitlichen bzw. räumlichen Differenz der Störungen, die durch die beiden rotierenden Kanten erzeugt werden, gewonnen wird.

4. Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (2) Teil eines Meßgerätes (50), fest oder um eine Achse (6) drehbar an­ geordnet und in einem Bereich von 360° in einer ersten Ebene be­ aufschlagbar ist, daß der Sensor (2) zur Messung des Betrages von vektoriellen Größen geeignet und ausgebildet ist, daß um die Achse (6) des Sensors (2) mindestens ein Steg (5; 11; 21, 22; 31, 32) oder mindestens eine Blende (43, 44) drehbar angeordnet und über einen Motor antreibbar ist, und daß ein Geber für die Erfassung der Winkel­ position des Steges oder der Blende vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (5) bzw. die Blende parallel zur Achse (6) des Sensors (2) ange­ ordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (5) bzw. die Blende konstante Breite in Rotationsrichtung auf­ weisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (11) in Rotationsrichtung gesehen eine in Achsrichtung (6) wachsende Breite derart aufweist, daß der Steg (11) einen Sektorbe­ reich von ca. 0° an seiner Spitze (12) bis ca. 180° an seinem Fuß (15) abdeckt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (2) eine kugelförmige Oberfläche aufweist, daß der Steg (21, 31) äquidistant zu dieser Oberfläche angeordnet ist und sich über ca. 180°, d. h. als Halbkreisbogen über der Rotationsachse (6) erstreckt, daß ein zweiter Steg (22, 32) äquidistant zu der Oberflä­ che angeordnet ist, der in Rotationsrichtung gesehen einen wachsen­ den Abstand (Umfangswinkel 0 ≦ ω ≦ 360°) gegenüber dem ersten Steg (21, 31) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Steg (31) eine gegenüber dem zweiten Steg (32) abweichende Breite in Umfangsrichtung aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste und/oder der zweite Steg (46, 46') oder die erste und/oder die zweite Blende (48, 48') auf der Oberfläche des Sensors (2) angeordnet und mit diesem drehbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß anstelle des ersten und/oder zweiten Steges Blenden (43, 44) mit entsprechender Spaltbreite vorgesehen sind, die in die Oberfläche eines kugelförmigen Käfigs (41), der den Sensor (2) um­ gibt, eingearbeitet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor als Heißfilm-Kugelkopfsonde (2, 3) aus­ gebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 und 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite Steg derart weg­ klappbar angeordnet sind, daß die g bh < Sensoroberfläche nicht abgedeckt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßgerät (50) zusätzlich folgende Komponenten aufweist: Grundplatte (53) mit Peilvorrichtung (54, 55), Sensorelek­ tronik, Anzeige-Display (56) und Datenschnittstelle (57).