DE2632553A1

DE2632553A1 - Vorrichtung zum messen der stroemungsgeschwindigkeit mittels schall

Info

Publication number: DE2632553A1
Application number: DE19762632553
Authority: DE
Inventors: Bernd Ohnesorge; Pier-Carlo Rabino; Gerd Volkmann
Original assignee: Nord Micro Elektronik Feinmechanik AG
Current assignee: Nord Micro Elektronik Feinmechanik AG
Priority date: 1976-07-20
Filing date: 1976-07-20
Publication date: 1978-01-26
Also published as: DE2632553B2; IT1114636B; FR2359427A1; GB1583490A

Description

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Dipl.-ing. Sc-' ^ hacker

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605 OFFENBAC H AM ΜΑΒΙ 5. Juli 1976

HerrnstrSßo 37 * Tei&fon ö8 83 β* WG/Lu

NORD-MICRO Elektronik
Feinmechanik GmbH
Westliche Sandstr. 42
6ooo Bergen-Enkheim

"Vorrichtung zum Messen der
Strömungsgeschwindigkeit mittels
Schall"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums, wobei mittels einer Schallquelle und eines Schallempfängers die Wirbelfahne hinter einem Hindernis abgetastet und die ermittelte Frequenz der Wirbel al· Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums zur Anzeige gebracht wird.

Aus der britischen Patentschrift 925 541 ist es beispielsweise bekaNnt, die Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums, das den Meßstrahl s1»uende Elemente, z.B. Gasblasen enthält, mittels Schall zu messen. Der Meßstrahl läuft dabei zum einen Teil

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stromab, zum zweiten Teil stromauf. Die Differenz der Schall- j

frequenz am Sender und am Empfänger wird gemessen. Das Meßergeb- !

ι nis ist abhängig von der Schallgeschwindigkeit in dem zu mes- ί

senden Medium. ι

Aus der US-Patentschrift 3 214 728 ist ein anderes Meßverfahren bekannt. Hierbei wird ein Turbulenz-Erzeuger benutzt, in dessen Kielwasser bzw» Wirbelfahne Detektoren angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel dieser Patentschrift wird eine Turbulenz dadurch erkannt, daß der Turbulenz-Erzeuger eine von der Temperatur des Mediums abweichende Temperatur in die Strömung hineinbringt und die auftretende Turbulenz durch dynamische, kleine Änderungen der Temperatur ermittelt werden kann. Dieses Meßsystem ist demnach von der Temperatur des :strömenden Mediums unabhängig. Es besitzt damit einen Vorteil !gegenüber denjenigen Meßanordnungen, bei denen die Schallge- ;schwindigkeit eine wenn auch kleine Rolle spielt und die

I demnach von der Temperatur des zu untersuchenden Mediums abihängig arbeiten.

;Aus der angewandten Strömungslehre ist ein weiterer Effekt 'bekannt. Ein an einem Flaggen-Mast befestigtes Fahnentuch schlägt in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit mehr oder weniger stark. Dies kommt daher, daß an dem Flaggenmast und dem

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stromabwärts von diesem angeordneten Fahnentuch sich eine Wirbelfahne ausbildet, bei der abwechselnd zu beiden Seiten des Fahnentuchs versetzt auftretende Wirbel dieses Fahnentuch nach der einen oder der anderen Seite ausbeulen.

An jedem in einer Strömung befinlichen Strämungshindernis treten solche Wirbelfahnen auf. Die Frequenz, d.h. die Häufigkeit des Auftretens von einzelnen Wirbeln hinter diesem Strömungshindernis läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

f=

wobei f die Frequenz, s die Strouhal'sehe Zahl, d der wirk-• same Durchmesser des Strömungshindernisses und ν die Strömungsgeschwindigkeit ist. Bei diesem beschriebenen Effekt ist die Frequenz der auftretenden Turbulenz unabhängig von der ; Temperatur des strömenden Mediums.

Von diesem Effekt macht die Meßanorndung nach der deutschen ! Offenlegungsschrift 2 o44 398 Gebrauch und offenbart eine Schaltungsanordnung für eine entsprechende Meßvorrichtung. Die beschriebene Meßanordnung ist jedoch lediglich zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit in einer vorbestimmten, einheit-

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■ψ

lichen Richtung geeignet. So kann z.B. die Strömungsgeschwindigkeit eines Mediinas in einem Rohr oder in einem Kanal wenn sie laminaren Charakter hat, gemessen werden. Schwierigkeiten entstehen jedoch, wenn man in freier Umgebung Richtung und Größe einer evtl. nicht laminaren Strömung messen will. Hier will die vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen.

Der im folgenden beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung einer Strömung zu messen, wobei es nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch ermöglicht werden soll, nur einzelne Richtungs komponenten einer freien Strömung zu ermitteln.

Dieses zuletzt genannte Problem tritt insbesondere bei Flugkörpern auf, bei denen es wichtig ist, die Relativgeschwindigkeit zwischen dem betreffenden Flugkörper und der Richtungskomponente einer umgebenden Strömung in der Längsachse dieses Flugkörpers zu messen, wobei vom aerodynamischen Profil abhängende Toleranzen zu berücksichtigen sind.

Zur Lösung der erstgenannten Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß in einem räumlichen Abstand voneinander und mindestens annähernd parallel zueinander zwei stabförmige Strömungshindernisse angeordnet sind, daß etwa in der Hälfte dieses Abstandes

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der Schallsender und - Empfänger angeordnet sind und daß im Bereich der ungestörten Strömung ein Richtungsdetektor angeordnet ist, der parallel zu der Verbindungslinie zwischen den Strömungshindernissen ausgerichtet ist.

Die Strömungshindernisse können in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem sich in Strömungsrichtung selbsttätig ausrichtenden Element gekoppelt sein, wie es z.B. eine Wetterfahne darstellt.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Strömungshindernisse in einem Strömungskanal angeordnet sind, der mindestens eine Seitenwandung besitzt, und daß die Seitenwandungen den Schallsender und/oder Empfänger tragen.

Bei dieser letztgenannten Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, die in Längsrichtung dieses genannten Kanals auftretende Komponente der Strömung in ihrer Geschwindigkeit zu bestimmen.

Diese genannten erfindungsgemäßen Vorrichtungen lösen nicht nur die oben genannte Aufgabenstellung. Gegenüber der Heßanordnung nach der genannten deutschen Offenlegungsschrift 2 o44 398 besitzt die Erfindung den erheblichen Vorteil, daß diese bekannte Anordnung nicht in allen ihren T_eilen ver-

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doppelt zu werden braucht, vielmehr ist es möglich, mit nur einem Schallsender und nur einem Schallempfänger und demnach auch nur einer Auswerteschaltung für die gemessene Wirbelfrequenz auszukommen. Außerdem vereinfacht sich die Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit auf eine einzige von 0 bis η laufende Skala, zu der lediglich noch eine optische Anzeige der Strömungsrichtung hinzutreten muß. So ist es möglich, eine verhältnismäßg einfache Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung z.B. vo η Hubschraubern oder U-Booten zu bekommen. Die Merkmale nach den Unteransprüchen tragen zur Vervollkommnung des Erfindungsgedankens bei.

Weitere zweckmäßige Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

; Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beispiels-ίweise näher erläutert, und zwar zeigt:

Fig. 1: rein schematisch eine Draufsicht auf

'<- eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung;

Fig. 2: ein Blockschaltbild einer Auswertevor-

richtung,

j Fig. 3: eine schematische Ansicht einer Vorrichtung

: zur Errichtungsbestimmung, _t

Fig. 4: eine Ansicht eines Anzeigeinstruments ,

-7-

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Fig. 5: eine zugehörige Schaltungsanordnung;

Fig. 6: eine Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Anzeigeinstruments und

Fig. 7ί eine zugehörige Schaltungsanordnung«

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist zwischen zwei Wandungsflächen 1 und 2 ein Strömungskanal 3 gebildet, der in Richtung der Pfeile 4 oder 5 durchströmt werden kann. In der Mitte des Strömungskanals 3 ist an einander gegenüberliegenden Wandungsflächen ein Ultra-Schallsender 6 und ein Ultra-Schallempfanger 7 angeordnet.

' In dem Strömungskanal 3 und in gleichen Abständen von der Achse

; des Senders und Empfängers sind zwei Strömungshindernisse 8 und ' 9 angeordnet, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als

I ;

i Stäbe mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet sind.

j Der Strömungskanal 3 kann im Querschnitt beliebig gestaltet : i sein. Zweckemäßig ist, es, diesen Strömungskanal so auszubilden,! j daß er in Achsrichtung der Strömungshindernisse eine größere Ausdehnung besitzt als quer dazu.

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Die an den Störungskörpern auftretenden Wirbel durchlaufen die bei 1o angedeutete Meßstrecke unabhängig von der Strömungsrichtung. Die gemesssne Wirbelfrequenz stellt daher ein absolutes Maß für die Durchströmung des Kanalquerschnitts 3 dar, dem gegebenenfalls über eine zweite Meßanordnung eine Aussage über die Strömungsrichtung zugeordnet werden kann.

Um ein exaktes Meßergebnis zu erhalten, ist es unbedingt erforderlich, daß die Abmessungen der beiden Strömungshindernisse absolut gleich sind.

Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild zur Auswertung des Meßergebnisses.

Ein Oszillator 11 erzeugt die Grundfrequenz, die zum Betrieb der Ultra-Schallstrecke erforderlich ist. Der Oszillator 11 ¹ ist über einen Verstärker 12 mit dem Sendekopf 6 des Ultra-

i
Schallsenders verbunden.

Das von dem Sendekopf 6 ausgehende Schallsignal wird durch die von dem einen der Strömungshindernisse ausgehenden Wirbel gestört. Der Empfangskopf 7 empfängt daher ein Signal, dessen

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Frequenz von der Ausgangsfrequenz abweicht. Dieses Signal wird ■einem Hochfrequenzverstärker und von diesem einem Demudolator zugeführt. Von diesem aus gelangt das Eingangssinai aÄ einen Impulsformer 15* welcher die Signalimpulse derart formt, daß sie von einer nachfolgenden monostabilen Kippstufe 16 einwandfrei verarbeitet werden können. Von dieser Kippstufe 16 aus kann das Signal über einen Ausgang 17 an ein elektronisches Heßgerät gelegt werden. Das an dem Ausgang 17 anstehende Signal ist ein digitales Signal mit einer vorbestimmten Frequenz pro Geschwindigkeitseinheit.

Zur Anzeige des Signals en einem normalen Anzeigegerät wird das Signal einem Integrator und Ausgangsverstärker 18 zugeführt. Von diesem aus kann das Signal einem Ausgang 19 zugeführt werden, der ein elektronisches, analog arbeitendes Meßwerk speisen kann.

dem dargestelltn Ausführungsbeispiel wird jedoch das Signal dem Ausgangsverstärker aus einem Steuerstromkreis 2o für das Servosystem 21 eines Anzeigegerätes 22 zugeführt.

Der Steuerstromkreis 2o erhält über eine Zuleitung ein Signal, welches eine Aussage über die Strömungsrichtung gibt.

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Zu diesem Zweck ist ein Richtungsdetektor 23 vorgesehen, dessen Ausgangssignal über einen Verstärker 24 dem Steuerstromkreis 2o zugeführt wird.

Ein Ausführungsbeispiel eines Richtungsdetektors ist rein schematisch in Fig. 3 dargestellt. Zwischen Wandungen 3o und 31 wird ein beiderseits offener Strömungskanal 32 gebildet, der symmetrisch ausgebildet ist und in seinem Mittelteil enger als mm Einlaufsbereich ist. In diesem engeren Mittelteil sind zwei Drucksensoren 33 und 34 angeordnet. Diese Elemente können Halbleiter sein, die an einem Schaltkreis 35 angeschlossen sind, ±s±£ der ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung an den Verstärker 24 abgibt.

Die Arbeitsweise derartiger Halbleiter - Drucksensoren ist an sich bekannt. Sie ermöglichen in zufriedenstellender Weise eine Kompensation der Temperatur und des Luftdruckes. Da der !Richtungsdetektor nur eine grundsätzliche Aussage über die

Strömungsrichtung liefern soll, kann er beim Aufbau recht j einfach gehalten werden.

;Statt des dargestellten Drucksensors kann natürlich auch eine andere geeignete, bekannte Vorrichtung zur Messung der Strömungs-

richtung verwendet werden, z.B. rein mechanisch oder aerodynamisch

j -11- j

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arbeitende Geräte. Zur Messung bei besonders niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten hat sich jedoch die im Prinaip dargestellte Form eines Richtungsdetektors als besonders gut geeignet herausgestellt, da nämlich infolge des verengten Querschnittes des Strömungskanals 32 eine beträchtliche Erhöhung der Durchschnittsgeschwindigkeit in diesem Bereich erzielt werden kann.

Fig. 6 zeigt schematisch die Draufsicht auf ein Anzeigegerät 4o für die Strömungsgeschwindigkeit, dessen Skala eine mittlere Nullmarke 41 besitzt. Je nachdem ob der Zeiger 42 des Anzeigegerätes nach links oder nach rechts ausschlägt ist festzustellen, ob die relative Strömungsrichtung negativ oder positiv ist. Die Größe des Ausschlages wird dabei von der gemessenen Geschwindigkeit bestimibt. Ein Steuerstromkreis entsprechend dem Teil 2o in Fig* 2 zur Steuerung dieses Anzeigegerätes ist beispielsweise in Fig. 7 dargestellt. Hierbei fasst dieser Steuerstromkreis einen analogen Schalter und einen Inverter für die Geschwindigkeitsinformation. Die Ausbildung des Servokreises, muß, um positive und negative Ausgangsspannungen vergleichen zu können, entsprechend ausgebildet sein. Die Ausschlagsrichtung ergibt sich demnach daraus, ob ein Signal an dem Ausgang u + oder dem Ausgang u - anliegt.

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Fig. 4 zeigt ein leichter ablesbares Anzeigegerät 5o, dessen Zeiger 51 über eine übliche Geschwindigkeitsskala streicht. Auf der Frontseite des Gerätes sind zwei Leuchtelemente 52 und 53 angeordnet, die durch ihr Aufleuchten anzeigen, ob sich beispielsweise ein Flugkörper gegenüber der anteiligen Strömungskomponente rückwärts oder vorwärts bewegt.

Ein Prinzipschaltbild für einen für ein solches Gerät brauchbaren Steuerschaltkreis zeigt beispielsweise Fig. 5. Dieser enthält ein Flip-Flop und eine Treiber-Stufe für die Richtungsanzeige, deren Ausgänge mit u + und u - bezeichnet sind.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr können Änderungen vorgenommen werden, ohne vom grundsätzlichen Erfxndungsgedanken abzuweichen.

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Claims

Ansprüche :

Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums, wobei mittels einer Schallquelle und eines Schallempfängers die Wirbelfahne hinter einem Hindernis abgetastet und die ermittelte Frequenz der Wirbel als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums zur Anzeige gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Strömungsrichtung und der Strömungsgeschwindigkeit in einem räumlichen Abstand voneinander und mindestens annähernd parallel zueinander zwei stabförmige Strömungshindernisse angeordnet sind, daß etwa in der Hälfte dieses Abstandes der Schallsender und-Empfänger angeordnet sind und daß im Bereich der ungestörten Strömung ein Richtungsdetektor angeordnet ist, der parallel zu der Verbindungslinie zwischen den Strömungshindernissen ausgerichtet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungshindernisse in einem zwischen Seitenwandungen gebildeten Kanal angeordnet sind und die Seitenwandungen den Schal!sender und -Empfänger tragen,

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungshindernisse aus Stäben mit kreisförmigem, untereinander gleichem Querschnitt bestehen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungsdetektor in dem gleichen Kanal wie die Strömungshindernisse angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungsdetektor in einem gesonderten Strömungskanal angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallsender und der Schallempfänger an eine Aaswerteschaltung angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen frequenzstabilen Oszillator aufweist, der den Schallsender speist und daß das vom Schallempfänger ausgehende Signal einem Demodulator und danach einem Impulsformer zugeführt wird.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Auswerteschaltung eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, der das Signal des Richtungsdetektors zugeführt wird und die ein Anzeigeinstrument steuert»
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal des Richtungsdetektors eine Querschnittsverengung aufweist, in der Fühlerelemente angeordnet sind,

1o.Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungsdetektor Halbleiterelemente als Fühlerelemente aufweist.

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