DE2021497A1

DE2021497A1 - Messsonde

Info

Publication number: DE2021497A1
Application number: DE19702021497
Authority: DE
Inventors: Rose Raymond E
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1969-05-05
Filing date: 1970-05-02
Publication date: 1970-11-12
Also published as: GB1248385A; SE356364B; US3618388A; FR2042408A1

Description

Dipl. Ing. R. Merteris . V-

Patentanwalt
.6'Frankfurt/MainI₁ Ammeiburgstr.34 ..-'.., ' ·_ν':^; 2021497

Prankfurt am Main, ^den 3Ο.4.197Ο

H 31 P 199

.HONEYWELL INC. /;

27OI Fourth Avenue South Minneapolis, Man. USA

Meßsonde

Gegenstand der Erfindung ist eine Sonde zum Messen des statischen Druckes in einem Mediumstrom, relativ zu welchem sich '■ die Sonde bewegt. Solche Sonden werden beispielsv/eise in Flug-., zeugen zur Messung des statischen Druckes in der Atmosphäre ■ bot der jeweiligen Flughöhe des Flugzeuges verwendet. Solche Meßsonden werden bekanntlich auch zur Messung des gesamten ^: oder Staudruckes verwendet, wobei der Gesamtdruck und der statische Drück zur Ableitung von Signalen herangezogen werden, . welche beispielsweise der Plughöhe, der angezeigten Eigengeschwindigkeit und der Machzahl entsprechen. Zum Messen des statischen Druckes hat die Sonde üblicherweise eine oder mehrere öffnungen in einer glatten Außenfläche, welche sich parallel zur beabsichtigten Relativbewegung gegenüber dem Mediumstrom erstreckt. Diese Anordnung führt jedoch zu Schwierigkeiten bei Relativbewegungen .sowohl im Überschall-als auch im Unterschall-T bereich, weil verschiedene Paktoren,, wie beispielsweise eine Druckrückkopplung durch die Grenzschicht und die Anwesenheit von Stoßwellen, deren Lage von der Form der Sonde und des die Sonde tragenden Fahrzeugs abhängt, den gemessenen statischen Druck stark beeinflussen kann» und zwar in Abhängigkeit, von ihrer Nähe und Lage zum Meßfühler für den statischen Druck*

Man hat bisher die Sonde an dem Fahrzeug bzw.Plugzeug oder an einem Modell desselben befestigt und Versuchs im Windkanal durchgeführt und dabei den gemessenen und den tatsächlichen

bador,g_INai

202ΊΑ97

statischen Druck für eine Vielzahl unterschiedlicher Relativ-' geschwindigkeiten aufgezeichnet. Diese Windkanalversuche sind, nötig, weil die Form des Fahrzeugs zu Änderungen- des gemessenen Druckes in Abhängigkeit von den Strömungsverhältnissen um das Fahrzeug Anlaß gibt. Die durch diese Versuche gewonnenen Ergebnisse werden dann in irgendeiner Weise zur Kompensation von Ungenauigkeiten bei der Druckmessung in Betrieb verwendet. Diese Ergebnisse sind jedoch nur dann verwertbar, wenn die Sonde an einer bestimmten Stelle eines bestimmten Fahrzeugs angebracht ™ ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßsonde zu,schaffen, bei welcher der Aufwand für die Eichmessungen und die Kompensation entsprechend der Art des Fahrzeugs und der Lage der„Meßsonde am Fahrzeug verringert ist. . - , ,

Gemäß der Erfindung weist eine Meßsonde der eingangs genannten Art ein Rohr auf, dessen Längsachse sich im Betrieb in der Richtung der Relativbewegung erstreckt, wobei das Rohr an seinem vorderen Ende offen ist und in seiner Innenfläche eine mit einem Druckmesser in Verbindung stehende öffnung aufweist. Die Sonde enthält ferner eine Vorrichtung zum Steuern des Mediumstrones durch das Rohr sowie Steuer- und Antriebsmittel, welche den . k Mediumstrom derart steuern, daß bei einer Relativbewegung mit Überschallgeschwindigkeit eine innerhalb des Rohres auftretende senkrecht zur Rohrachse stehende Stoßwellenfront in einer Lage in Strömungsrichtung gesehen im Abstand entweder vor oder hinter der öffnung gehalten wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer in den Zeichnungen schematisch dargestellter Ausfi^hrungsbeispiele beschrieben;. Dabei zeigt

Figur 1 den Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Sonde in einer ersten Betriebsart und

Figur 2 eine der Figur 1 ähnliche Darstellung der gleichen Sohdie bei einer· andieren Betriebsart..

46/1316"

BAD

■ ·■-.■- 2Ö2H97

Figur 3 zeigt den Längsschnitt einer zweiten Sonde in der einen Betriebsart und

Figur lJ die gleiche Sonde in einer anderen Betriebsart.

Figur 5 zeigt die Außenansicht der in den Figuren 3 und Ί ini Schnitt gezeigten.Sonde mit einer schematischen Darstellung der Vorrichtungen zum Steuern des Luftstromes durch die Sonde.

In Figur 1 ist eine Meßsonde mit einem hohlzylindrischen Gehäuse 10 dargestellt, dessen Stirnseite 12 auf der Außenseite abgeschrägt ist. Unmittelbar hinter der Vorderkante ist innerhalb der Sonde 10 durch eine Wellenlinie eine Stößwellenfront l*i angedeutet. Durch entsprechende Linien sind sich von der Vorderkante aus erstreckende Stoßwellen 16 dargestellt. Während bei einem normalen stumpfen Flugkörper die Stoßwellenfront bei Überschallgeschwindigkeiten vom Flugkörper absteht und um dessen Vorderseite herumgebogen ist, tritt bei einem rohrförmigen Körper, wie der Meßsonde 10, sofern Luft durch das Rohr hindurchströmen kann, eine sich rechtwinklig zur Rohrachse erstreckende Wellenfront 1Ί innerhalb des Rohres 10 auf.

Hinter der Wellenfront IH mündet in Figur 1 ein Kanal 18 in die Innenwand des Rohres 10, welcher mit einem Druckmesser 20 in Verbindung' steht, beispielsweise einem statischen Druckfühler, ,welcher ein dem gemessenen Druck entsprechendes Signal liefert. Dieses Signal kann ein elektrisches oder ein Fluidsignal sein, es kann ein Analogsignal oder ein Digitalsignal sein. In Strönungsrichtung hinter der Einnündung des Kanals 18 in das Rohrinnere ist die Rohrwand 10 mit einer Anzahl von Durchlässen 22 versehen, welche sowohl in Urafangsrichtung als auch in Axialrichtung im Abstand von einander angeordnet sind. Ein Kolben 2¹J läßt sich mit Hilfe eines Motors 26 oder sonstigen

Q 0 9 8 4 6/1316 BAD ORIGINAL

Antriebs innerhalb des Rohres 10 verschieben, derart, daß er je nach seiner Lage im Rohr eine kleinere oder größere Anzahl der Durchlässe 22 für den Austritt des Luftstromes aus dem Rohr IO freigibt. Die mechanische Verbindung zwischen dem Motor 26 und dem Kolben 2k ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Ein weiterer Fühler 28 zur Messung des Gesamt- oder Staudrucks befindet sich außerhalb der Sonde 10 und liefert ein Signal, welches beispielsweise in einem an den Fühler angeschlossenen und mit in dessen Gehäuse untergebrachten Servoverstärker 28 ein Steuersignal für den Motor 26 und damit für die Verstellung des Kolbens 2k in Abhängigkeit von dem gemessenen Gesamtdruck erzeugt. Mit Hilfe dieses Signals wird der Kolben 21 derart verstellt, daß durch Beeinflussung des durch das Rohr 10 und die Durchlässe 22 fließenden Luftstromes die Stoßwellenfront Ik an einer bestimmten Stelle in Strömungsrichtung vor dem Einlaß 18 für den Fühler 20 gehalten wird.

In Figur 2 ist die gleiche Sonde dargestellt, jedoch in einer Betriebsweise, bei welcher die Viellenfront Ik¹ nunmehr in Strömungsrichtung gesehen hinter der Mündung des Kanals 18 für den statischen Druckfühler liegt und wiederum mit Hilfe des Staudruckfühlers 28 und des Motors 26 sowie des Kolbens 2h in dieser Lage gehalten wird.

Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Sonde, welche außen wiederum zylindrisch gestaltet ist und von deren Vorderkante 39 ausgehend sich wiederum Schockwellen 37 nach außen erstrecken. Weiterhin befindet sich unmittelbar am vorderen Ende des Rohres 35 eine Stoßwellenfront kl im Inneren des Rohres. über einen ersten Teilabschnitt ist das Rohrinnere hohlzylindrisch gestaltet, hat also einen gleichmäßigen Querschnitt längs der Achse, geht aber dann in eine halsförmige Verengung 43 über, welche auch eine andere als die dargestellte Form haben kann. Hinter der Verengung kl ist eine Drosselklappe ¹J5 angeordnet, mit deren Hilfe der Luftstrom durch die Sonde 35

■ 00984 6/1316

BAD ORIGINAL

verändert werden kann. ·

Ein ,Gesamtdruckfühler 47 befindet sich innerhalb des Rohres 35 " vor der Verengung ^jUnd der zum statischen Druckfühler führende Kanal 49 mündet im Bereich zwischen der Vorderkante 39 und dem Fühler #7 in die Innenwand des Rohres 35- Zur Messung des statischen Druckes innerhalb der Sonde braucht nur der Kanal ¹J9 in die Innenwand zu münden, während der Druckfühler selbst außerhalb der Sonde angeordnet sein kann. Im Betrieb liefert der Staudruckmesser 47 ein annähernd der Geschwindigkeit des die Sonde 35 tragenden Fahrzeugs entsprechendes Signal, welches zur Steuerung des Ventils 45 und damit zur Steuerung der Lage der Stoßwellenfront 4l dient. In Figur 3 liegt die Stoßwellenfront 4l in Strömungsrichtung vor der Einlaßöffnung zum Kanal 49 für den Druckmesser. ......

Figur 4 zeigt die gleiche Sonde 35j aber in einer anderen Betriebsart, bei welcher die Stoßwellenfront 111¹ in Strömungsrichtung hinter der Verengung 43 liegt und damit auch hinter der Einlaßöffnung 49 für den statischen Druckmesser. In Figur 4 befindet sich die Drosselklappe 45 in einer Lage, in welcher der Durchfluß der Luft durch die Sonde 35 weniger gedrosselt ist, so daß die sich rechtwinklig zur Sondenachse erstreckende Stoßwellenfront gewissermaßen in das Innere der Sonde 35 hineingesaugt wird. Zweck der Verengung 43 ist es, stabilere Verhältnisse zu erreichen und damit eine bessere Steuerung der Lage der "eingesaugten" Stoßwellenfront zu ermöglichen. Dies ist ein bekanntes Merkmal zur Stabilisierung von Stoßwellenfronten innerhalb einer Leitung. Da die Stoßwellenfront 4l^r jetzt in Strömungsrichtung hinter dem Staudruckfühler 47 liegt, entsteht an dessen Vorderseite eine BugstoßweHe 51. Die auf diese Weise entstehenden reflektierten Stoßwellen 53 erzeugen zusammen die in einer Normalebene zur Rohrlängsachse liegende Stoßwellenfront 41'. Der Einlaßkanal 49 zum statischen Druckfühler liegt in Strömungsrichtung gesehen vor der Stoßwellenfrorit 4l' und mißt deshalb

00-9846/131 6 BAD ORIG.NAL

, - . 202H97

-■ 6 - ■

den tatsächlichen statischen Druck der freien Strömung bei entsprechend ausgebildetem Einlaß. Bei einigen Formen der Sonde können geringfügige Grenzschichteffekte auftreten, wie sie durch die Linien 55 angedeutet sind und Fehler im genossenen statischen Druck hervorrufen. Diese Effekte können jedoch für eine bestimmte Form der Sonde berechnet oder ein einziges Mal gemessen v/erden und behalten dann ihre Größe bei, unabhängig von der Form des Fahrzeuges,an welchem die Sonde befestigt ist. Diese Fehler lassen sich also leicht kompensieren.

Bei manchen Anwendungen der Sonde kann der Druckabfall innerhalb der Sonde, wenn sie ausgangsseitig mit der Atmosphäre in Verbin dang steht, unter Umständen nicht groß genug sein, um eine Stoßwellenfront in Strömungsrichtung gesehen hinter der Einlaßöffnung zum statischen Druckfühler aufrechtzuerhalten. In diesen Fällen kann man eine Pumpe oder dgl. verwenden, beispielsweise in Strömungsrichtung hinter der Drosselklappe 45 anordnen, um den Druckabfall in der gewünschten V/eise zu erhöhen.

In Figur 5 ist die in den Figuren 3 und 4 im Schnitt dargestellte Sonde als Ansicht wiedergegeben zusammen mit einem Meßumformer 60, welcher an den Gesamtdruckmesser 47 angeschlossen ist und ein Steuersignal für die Betätigung des die Drosselklappe 45 steuernden Motors 62 liefert. Die Stellung der Drosselklappe wird in Abhängigkeit von der tatsächlichen Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde 35 geregelt. Eine noch genauere Regelung erhält man, wenn der gemessene statische Druck ebenso dem Umformer 60 zugeführt wird, so daß dessen Ausgangssignal genau der tatsächlichen Geschwindigkeit der Sonde 35 entspricht. Der Meßfühler 47 liefert ein Signal, welches nur angenähert der Sondengeschwindigkeit entspricht.

009846/1316

BAD ORIGINAL

. ₇ „ · · -202U97.

Aus der Beschreibung ergibt sich, daß die Meßsonde gemäß der Erfindung einen Servomechanismus zur Steuerung der Lage der Stoßwellenfront innerhalb der Sonde bei Überschallgeschwindigkeiten enthält. Bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 und 3 wird die Geschwindigkeit der Sonde in Bezug auf das Medium, in welchem sie sich bewegt, gemessen und die Stellung des KoIbUnS-SiI oder .der Drosselklappe 25 wird derart geregelt, daß die Stoßwellenfront lH bzw. ^l sich gewissermaßen stromaufwärts vom Einlaß des statischen Druckfühlers befindet. In der anderen Betriebsweise, entsprechend den Figuren 2 und ¹J nimmt der Kolben 2*4 bzw. die Drosselklappe Ö5 eine Lage ein» durch welche die Stoßwellenfront 14· bzw. Al¹ an einer Stelle stromabwärts vom statischen Druckfühler gehalten wird.

Befindet sich die Stoßwellenfront in Strömungsrichtung gesehen vor dem Einlaß zum statischen Druckfühler (Fig. 1 und 3)»so können bekannte Umrechnungsfaktoren, wie sie beispielsweise von der NASA (National Aeronautics and Space Agency) veröffentlicht wurden, zur Umwandlung des dem gemessenen statischen Druck entsprechenden Signals in ein dem statischen Druck einer freien. Strömung entsprechendes Signal bei gegebener Relativgeschwindigkeit der Sonde in Bezug auf das Medium verwendet werden. Diese Faktoren hängen nur von der Sonde und nicht von der Form des die Sonde tragenden Flugkörpers ab. Befindet sich die Stoßwellenfront in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Einlaß, zum statischen Druckfühler, so entspricht der gemessene statische Druck dem statischen Druck in der freien Strömung, sofern er nicht durch Grenzschichtströmungen störend beeinflußt wird, welche . jedoch, wie bereits erwähnt, durch Messungen bei verschiedenen Geschwindigkeiten in einem Windkanal oder unter anderen bekannten und steuerbaren Bedingungen leicht kompensiert werden können. Da diese Wirkungen im Inneren der Sonde auftreten, kann die gleiche Konpensation für alle Anwendungsfälle benutzt werden, unabhängig von der Art und Form des Fahrzeuges, an welchem die die Sonde befestigt ist. Es ist nicht notwendig, wie bei bekann-

O 098 4 6/1 3 1 6 .

BADORiGiNAL

202H97

ten Sonden, diese für jeden Anwendungsfall·, d.h. in Verbindung mit jedem Fahrzeug, besonders zu eichen und schon gar.nicht in Abhängigkeit von der Lage der Sonde am Fahrzeug. Es ist ersichtlich, daß nicht nur die dargestellten und beschriebenen, sondern auch andere Ausführungsformen der Sonde gemäß der Erfindung möglich sind. Wichtig ist lediglich, daß die Sonde die Form eines hohlen Rohres hat und Vorrichtungen zur Steuerung des Mediumstroms durch das Rohr vorgesehen sind, so daß bei Überschallgeschwindigkeiten die Stoßwellenfront innerhalb des Rohres in eine Lage gebracht wird, die entv/eder vor oder hinter der in das Innere des Rohres mündenden Einlaßöffnung für den statischen Druckfühler liegt. Die Art des Fühlers selbst und der Steuer- und Regelvorrichtungen ist dabei von untergeordneter Bedeutung. Selbstverständlich kann die Sonde nicht nur bei Flugzeugen, sondern auch bei anderen sich in einem Medium bewegenden Körpern eingesetzt werden.

o o 9 8 /♦ ρ /1 :m '■'

BAD ORIGINAL

Claims

Patent ansprtlche

1. Sonde■·■ sam Messen des statischen Druckes in einem Mediumstrom, relativ zu welchem sich -die Sonde bewegt, d a d u r e h g e k en η -ζ e ie h η e t, daß die Sonde ein Rohr {1O;35) aufweist, dessen Längsachse sich im Betrieb in der Richtung der Relativbewegung erstreckt, daß das Rohr an seinem vorderen Ende offen ist und in seiner Innenfläche eine mit einem Druckmesser (20) in Verbindung stehende öffnung (1'8;-¹19) aufweist, daß die Sonde eine Vorrichtung {2\\§5) zum Steuern des Mediumstromes durch das Rohr enthält sowie Steuer- und Antriebsmittel (26,28;6O,62), welche den Mediumstrom derart steuern, daß bei einer Relativbewegung mit Überschallgeschwindigkeit eine innerhalb des Rohres auftretende \ senkrecht zur Rohrachse stehende Stoßwellenfront (l^Jl,4l) in einer Lage in Strömungsrichtung gesehen im Abstand entweder vor oder hinter der öffnung (l8;i}9) gehalten wird.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e η η -

ζ e i c h/n e:t, daß die Steuer- und Antriebsmittel einen Gesamtdruckmesser -(28;4?) und eine ein der Relativbewegung zwischen Sonde und Mediumstrom entsprechendes Signal liefernde Vorrichtung (28;6O). aufweist.

3. Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e kennzeichnet, daß das Rohr (10) in Strömungsrichtung hinter der öffnung (18) mit nach außen führenden Durchlässen (22) versehen ist und ein als Steuervorrichtung dienender Kolben (24) je nach seiner Lage im Rohr eine kleinere oder größere Anzahl dieser Durchlässe für den Austritt des Mediumstroms aus dem Rohr freigibt (Pig.l und 2).

0098 46/13.16

i|. Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzei chnet, daß im Rohr (35)· als Steuervorrichtung ein Ventil oder eine Drosselklappe (*I5) in Strömungsrichtung hinter der öffnung (Ί9) angeordnet ist (Fig. 3 und H)-

5· Meßsonde nach Anspruch ¹I, d. adurch gekennz e i chnet, daß zwischen dem Einlaß (39) des Rohres (35) und der Drosselklappe (^5) eine vorzugsweise halsförmige Querschnittsverengung (*J3) vorgesehen ist.

6. Meßsonde nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mediumstrom in Abhängigkeit von der Größe eines aus dom Gesamtdruck abgeleiteten, der Relativgeschwindigkeit zwischen Sonde und Mediumstrom entsprechenden Signal gesteuert wird.

7. Meßsonde nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß der das Steuersignal erzeugenden Vorrichtung (28j6O) zusätzlich ein dem gemessenen statischen Druck entsprechendes Signal zugeführt wird.

8. Meßsonde nach Anspruch 6 oder 7,dadurch gekennzei chnet, daß der Gesamtdruckmesser (^7) innerhalb des Rohres (45) in Strömungsrichtung hinter der öffnung (Jl9) ,angeordnet ist.

0098A6/1316

BAD ORIGINAL