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Verfahren zur Bestimmung von Bootsgeschwindigkeitswerten
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gegenüber dem Wind bei Segelbooten und Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Bootsgeschwindigkeitswerten
gegenüber dem Wind bei Segelbooten unter Verwendung von Richtung und Geschwindigkeit
des Windes gegenüber dem Boot und der Geschwindigkeit des Bootes gegenüber dem Wasser
in Richtung der Bootsachse und der Driftgeschwindigkeit senkrecht dazu.
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Es wurde verschiedentlich versucht, besonders für Segeljachten ein
Instrumentarium zu entwickeln, das eine möglichst unmittelbare Ablesung der Bootsgeschwindigkeitswerte
in Bezug auf den Wind ermöglicht, so daß mit Hilfe dieses Instrumentariums eine
Bestimmung der Bootsgeschwindigkeit gegenüber dem Wind durchgeführt werden kann.
Die bisher bekannten, in dem Buch "Cockpit-Instrumente für Segeljachten" von Klasing
+ Co. auf den Seiten 114-125 beschriebenen Einrichtungen sind jedoch entweder zu
ungenau, berücksichtigen nicht alle erforderlichen Daten, sind im Aufbau oder den
erforderlichen Hilfsmitteln zu aufwendig und sind insbesondere ungeeignet, um nach
ihren Anzeigewerten eine Optimierung der Segelstellung bei gegebenen Wind- und Wellenbedingungen
vornehmen zu können.
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Es wird deshalb zur Zeit die Geschwindigkeit eines Segelbootes rein
gefühlsmäßig durch Erprobung verschiedener Segelstellungen optimiert. Der Regattasegler
ist entweder auf seine subjektiven, auf Regatten gewonnenen Erfahrungen antewiesent
bei denen es jedoch nur in beschränktem Maße möglich ist, mit verschiedenen Segelstellungen
zu experimentieren, wenn er nicht eine schlechte Placierung riskieren will, oder
auf das Segeln mit einem Sparrings-Partner,
der mit einem Boot
gleichen Typs mit immer konstanter Segeleinstellung neben dem zu optimierenden Boot
hersegelt.
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Auf dem zu optimierenden Boot werden dann verschiedene Segelstellungen
erprobt, und es wird die Geschwindigkeit mit derjenigen des Sparrings-Partners verglichen.
Dieses Verfahren setzt sehr konstante Winde in Richtung und Geschwindigkeit voraus
und wird durch den Einfluß unterschiedlicher Steuertechniken der beiden Steuerleute
zusätzlich stark beeinflußt.
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Liegen die Boote zu nahe nebeneinander, so stören sie sich gegenseitig.
Liegen sie zu weit auseinander, so besteht die Gefahr, daß sie mit lokal unterschiedlichen
Windgeschwindigkeiten und -richtungen segeln. In beiden Fällen wird das Untersuchungsergebnis
verfälscht. Weiterhin ist dieses Verfahren aufwendig, da jeweils zwei Boote und
Mannschaften erforderlich sind.
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Es gilt deshalb, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem das Optimieren
der Segeleinstellungen eines Boots ohne einen derartigen Sparrings-Partner möglich
ist, wobei Winddrehungen praktisch keine Rolle spielen dürfen und Schwankungen der
Windgeschwindigkeiten voll erfaßt und berücksichtigt werden. Für die jeweilige Segelstellung
kann die damit maximal erzeilbare Geschwindigkeitskomponente in Bezug auf den wahren
Wind in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit mit dem entsprechenden optimalen
Fahrtwinkel zum Wind gemessen und damit objektiv erfaßt werden.
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Bei dem hier behandelten Verfahren wird die Optimierung der Segeltechnik
beim Kreuzen, d. h. beim Segeln am Wind erläutert, da die wichtigen Regatten meist
so ausgelegt werden, daß der Kretlzkurs inklusive Start- und Zielkreuz viermal durchsegelt
werden muß und der effektive Weg, der auf diesem Kreuzkurz zurückgelegt wird, etwa
70 % des gesamten zurückzulegenden Weges umfaßt. Das Verfahren ist jedoch auch auf
das Kreuzen vor dem Wind analog anwendbar.
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Anhand der Figur 1 sollen zunächst die verwendeten Grundbegriffe kurz
dargestellt werden. Die Abbildung zeigt ein kreuzendes Boot, an dem folgende Größen
auftreten: An Bord erscheint der sogenannte scheinbare Wind unter dem Winkel yA
zur Schiffsachse. Mit dieser Richtung wird der Wind durch die Windfahne an Bord
angezeigt.
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Die an Bord empfundene bzw. gemessene Windgeschwindigkeit ist die.scheinbare
Windgeschwindigkeit vA.
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In Richtung der Bootsachse macht das Boot eine Fahrt durchs Wasser,
die als scheinbare Bootsgeschwindigkeit V*S bezeichnet wird.
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Das Boot fährt jedoch in Wirklichkeit nicht in Richtung seiner Bootsachse,
da es einz Drift senkrecht zur Bootsachse unterliegt, so daß es im Driftwinkel 6
zur Bootsachse fährt.
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Das Boot unterliegt durch den Wind einer Krängung .
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Neben diesen fünf Größen, die direkt an Bord gemessen werden, spielen
zwei weitere Größen eine wichtige Rolle, die man direkt nur dann messen kann, wenn
man an einem festen Punkt steht, an dem das Boot gerade vorbeifährt: Der Kreuzwinkel
ß des wahren Windes zur Schiffsrichtung sowie die Stärke des wahren Windes vw.
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Die Bootsgeschwindigkeit nach Luv vLuv endlich ist die Größe, auf
die es allein ankommt. Es interessiert, wie schnell das Boot für eine gegebene Windgeschwindigkeit
und eine gegebene Segelstellung nach Luv gelangt. Analog interessiert fr das Kreuzen
vor dem Wind die Geschwindigkeit nach Lee VLee Lee
Da es nicht
möglich ist, diese drei letzteren Werte unmittelbar zu erfassen, werden sie mit
Hilfe mathematischer Beziehungen aus den gemessenen Größen errechnet. Gleiches gilt
für die in der Abbildung dargestellte wahre Schiffsgeschwindigkeit VS in der wahren
Fahrtrichtung des Schiffes unter Berücksichtigung der Drift.
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Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, an Bord die Geschwindigkeit
nach Luv bzw. nach Lee über dem Kreuzwinkel gegen den wahren (ß) bzw. gegen den
scheinbaren Wind (y) darzustellen.
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Dies zeigt dem Steuermann sehr anschaulich, mit welcher Geschwindigkeitskomponente
er nach Luv bzw. nach Lee segelt und welchen Einfluß der Kreuzwinkel dabei hat.
Diese Darstellung hilft ihm, den optimalen Kreuzwinkel ßopt bzw. y Aopt zu opt finden.
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Durch die wellenbedingte Bewegung des Bootes und die Schwankungen
von Windrichtung und Windstärke schwanken die Meßeingangsgrößen, die lediglich mit
einer dem Abtasttheorem genügenden Dämpfung beaufschlagt sind, sehr stark, so daß
man auch erhebliche Anzeigeschwankungen im Diagramm bekommt. Diese Anzeige ist aber
eine wertvolle Hilfe für den Steuermann, da die zeitliche Verzögerung zwischen Geschehen
und Anzeige nur gering ist. Damit sind auch die Zeiten zwischen Steuerkorrektur
und angezeigter Auswirkung der Korrektur gering und erleichtern das Steuern des
Bootes als Regelprozeß.
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Ein solches Diagramm wird nachfolgend Steuerdiagramm benannt.
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Das Steuerdiagramm gibt die wenig verzögerten Koordinatenpunkte bei
den herrschenden veränderlichen Windgeschwindigkeiten und den steuerbedingten raschen
Kursänderungen des Bootes wieder.
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Bei stärkerem Wellengang kann der Nutzeffekt des Steuerdiagramms dadurch
erhöht werden, daß noch eine zusätzliche Dämpfung über den verwendeten Computer
eingeführt wird.
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Eine andere Anwendung der gleichen Art von Darstellung von vLuv bzw.
v über dem Kreuzwinkel sei nachfolgend als Lee Leistungsdiagramm bezeichnet, welches
das Verhalten des Bootes im Beharrungszustand für eine gegebene Segelstellung, ein
gegebenes Wellenbild und einen engen Schwankungsbereich einer gegebenen wahren Windgeschwindigkeit
zeigt. Als Beharrungszustand wird der Zustand bezeichnet, bei welchem das Boot unter
den herrschenden äußeren Bedingungen und der Segeleinstellung stationär läuft, so
daß rasche Kursänderungen zum Wind sowie rasche Änderungen der Windgeschwindigkeit
eliminiert sind.
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Es werden für die Berechnung des Beistungsdiagrammes lediglich die
Daten verwertet, die in einen vorgegebenen Bereich der Windgeschwindigkeit fallen.
Das so gewonnene Leistungsdiagramm wird durch eine Näherungsfunktion im Rechner
gespeichert. Dies ist deshalb erforderlich, weil die wahre Windgeschwindigkeit im
allgemeinen von starkem Einfluß auf die Bootsgeschwindigkeit ist, wie dies jedem
Segler geläufig ist.
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Auf diese Weise wird es möglich, für den jeweils ausgesuchten Bereich
der wahren Windgeschwindigkeit Leistungsdiagramme aus verschiedenen Segeltests mit
verschiedenen SegeXeinstellungen miteinander zu vergleichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs
aufgeführten Art so auszubilden, daß damit eine unmittelbare Darstellung der Geschwindigkeitskomponente
in Richtung des Windes bei verschiedenen Kreuzwinkeln und daraus eine Beurteilungsgrundlage
gewonnen wird, welche Segeleinstellung in Verbindung mit einer bestimmten Richtung
der Bootsachse zum Wind jeweils bei bestimmten Windverhältnissen den größten Höhengewinn
beim Kreuzen am Wind bzw. Tiefengewinn beim Kreuzen vor dem Wind ergibt. Ferner
wird angestrebt, eine den besonderen Bedingungen des Segelns gerecht werdende Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die über den großen Bereich der Meßwerte
mit ausreichender Genauigkeit arbeitet.
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Die Lösung der vorstehend genannten Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruches, und es werden in Verbindung mit dieser Lösung zahlreiche
weiterbildende Ausführungsformen für eine vielfältige Nutzung des erfindungsgemäßen
Grundverfahrens als auch vorrichtungsmäßige Ausgestaltlngen der für die Durchführung
des Verfahrens entwickelten Einrichtung, welche jeweils Gegenstand von Unteransprüchen
sind, angegeben.
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Liegen wechselnde Windverhältnisse vor, so können die bei den schwankenden
Windgeschwindigkeiten gemessenen Bootsgeschwindigkeitswerte aufgrund einer bekannten,
bootsspezifischen Näherungsbeziehunq zwischen Boots- und Windgeschwindigkeit auf
eine normierte Windgeschwindigkeit reduziert werden. Für das Steuerdiagramm hat
diese Maßnahme Bedeutung, da sie die Windgeschwindigkeit als Variable für den Optimierungsprozeß
des Steuermanns ausschaltet, ohne daß dadurch eine Zeitverzögerung in der Anzeige
verursacht wird.
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Um ein Segelboot zu trimmen, wird eine Schar von Leistungsdiagrammen
unter Veränderung jeweils der Segeleinstellung bei ähnlichen Windgeschwindigkeiten
und gleichem Wellenbild aufgenommen. Aus der Schar der im Rechner gespeicherten
Näherungsfunktionen wird das optimale Leistungsdiagramm herausgesucht. Wenn dies
bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten und Wellenbildern erfolgt, liegen dem
Bootsführer jeweils optimale Diagramme vor, denen die für das Segeln während einer
Regatta mit den dann herrschenden Bedingungen die geeignetsten Segelparameter entsprechen
und aus denen er den besten Kurs ermitteln kann, um mit der maximal möglichen Geschwindigkeit
während des Kreuzkurses nach Luv bzw. Lee zu gelangen.
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Es ist für diesen Zweck vorteilhaft, zu jedem dieser optimalen Leistungsdiagramme
sämtliche Segelparameter, Geschwindigkeits-und Richtungswerte sowie das Wellenbild
tabellarisch aufzuzeichnen, um aus diesen Tabellen unter den auftretenden Daten
von Windgeschwindigkeit und Wellenbild die Segelparameterund den jeweils zu steuernden
optimalen Kurswinkel herauszy;uchen, damit die höchstmögliche Geschwindigkeit nach
Luv
v bzw. nach Lee v gesegelt werden kann.
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Lee Für bestimmte Regatten ist die laufende mathematische Verknüpfung
von Meßwerten während der Regatta verboten; lediglich die Anzeigenvon uAI vA und
vS sind zulässig.
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Aus diesen drei Werten kann tabellarisch, zeichnerisch oder mittels
Taschenrechner die wahre Windgeschwindigkeit ermittelt werden, und daraus kann die
optimale Segelstellung bei entsprechendem Wellenbild und kann YAopt bestimmt werden.
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Für andere Regatten und Bootsklassen sind jegliche MeßinstHumente
verboten, so daR hier die wahre Windgeschwindigkeit geschätzt, daraus im übrigen
in gleicher Weise wie beschrieben verfahren und das so bestimmte xAopt an dem immer
erlaubten mechanischen Windrichtungsanzeiger abgelesen werden kann.
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Da in fast keinem Fall konstanter Wind in Richtung und Geschwindigkeit
herrscht, ist es zur Vermeidung fehlerhafter Berechnungswerte vorteilhaft, den Meßdatenstrom
der schnell veränderlichen Eingangsgrößen und auch die hiervon abgeleiteten Größen
zur Berechnung der Leistungsdiagrammpunkte vor ihrer Verknüpfung mit den Bootsoeschwindigkeitswerten
mit einer der massenträgheits-, der reibungs- und wellenbedingten Verzögerungszeit
des Bootes entsprechenden Dämpfung zu versehen. Um genau zu sein, kann diese Dämpfung
von der jeweiligen Bootsgeschwindigkeit abhängig gewählt werden.
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Es ist andererseits möglich, daß bei raschen Änderungen des gleitenden
Mittelwertes der Eingangsgrößen die damit ermittelten Ergebniswerte im Leistungsdiagramm
unterdrückt werden7 wobei es zweckmäßig ist1 die rgebniswerte für das Steuerdiagramm
anzuzeigen, aber nicht für das Leistungsdiagramm zu speichern. Die Unterdrückung
kann so erfolgen, daß die Berechnung der Punkte des Leistungsdiagramms erst nach
Ablauf einer auf die rasche Änderung folgenden, im allgemeinen bootsspezifischen
Zeitspanne aufgenommen wird.
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Es sei noch bemerkt, daß zur Aufnahme der Leistungsdiagramm-Kurven
die ermittelten Daten nach bestimmten Bereichen der Windgeschwindigkeit sortiert
werden und daß innerhalb dieser einzelnen Windgeschwindigkeitsbereiche die gemessenen
Daten zusätzlich durch bestimmte Koeffizienten, die bootsspezifisch sind, reduziert
werden können, so daß die Leistungsdiagrammpunkte dann sämtlich normierten Windgeschwindigkeitswerten
innerhalb der einzelnen Spannen angepaßt sind.
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Der besseren Deutlichkeit halber ist es zweckmäßig, den momentan ermittelten
Wert des Leistungsdiagramms unterschiedlich zu den bereits vorhandenen Leistungsdiagrammpunkten
darzustellen, und wenn die für das Steuerdiagramm verwendeten Meßwerte maximal nur
so stark gedämpft werden, daß dem Abtasttheorem Genüge geleistet ist, sollten die
Punkte des Steuerdiagramms gegenüber denen des Leistungsdiagramms mit unterschiedlichen
Symbolen dargestellt und nach Ablauf der Abtastperiode gelöscht werden, wobei es
sich gelegentlich als vorteilhaft herausgestellt hat, auch die einzelnen LeistGnysdiagrammpunkte
nach Ablauf einer bestimmten Anzahl von Abtastperioden auf dem Bildschirm wieder
zu löschen, um eine Überfüllung des Schirms zu vermeiden.
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Während es bereits bekannt ist, auf Segelbooten die Richtung und die
Geschwindigkeit des Windes gegenüber dem Boot erfassende Windmeßwertgeber und einen
die Geschwindigkeit des Bootes gegenüber dem Wasser erfassenden Strömungsmeßwertgeber
zu benutzen und die Meßwerte dieser Meßwertgeber und auch einen geschätzten Wert
der Driftgeschwindigkeit einem Computer einzugeben, um dann aus deren Verknüpfung
Werte zu erhalten, die digital angezeigt werden, wird bei der Erfindung am Boot
ein Strömungsvektormeßwertgeber angebracht, der zwei in einem bestimmten Winkel
zueinander und unter bestimmten Winkels zur Bootsachse stehenden Bootsgeschwindigkeitsvektoren
abgibt, die jeweils als Digitalwerte mit bestimmter periodischer Abtastfolge dem
Computer zuführbar sind, nachdem sie vor der Abtasteinrichtung ein Filter
durchlaufen
haben, in dem sie so stark gedämpft werden, daß bezüglich der Abtastfolge das Abtasttheorem
eingehalten ist.
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Die Computerausgangswerte werden an einem Bildschirmsichtgerät als
Anzeigevorrichtung für eine Koordinatendarstellung der Geschwindigkeit des Bootes
gegenüber der wahren Windrichtung, bezogen auf den zwischen Bootsachse und Windrichtung
eingeschlossenen Winkel ß bzw. vA zugeführt. Zugleich werden die Computerausgangswerte
der mittleren Windgeschwindigkeit und der Koordinaten des Leistungsdiagramms sowie
dessen Maxima einem Ergebnisspeicher eingegeben, wodurch die Grundlage für die Matrix
der Bestimmungsgrößen des Leistungsdiagramms geschaffen wird.
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Der Computer kann mit einem Koeffizienten-Speicher mit Reduktionskoeffizienten
für Bootsgeschwindigkeitswerte, die abhängig von der jeweils gemessenen Endgeschwindigkeit
bei wechselnden Windgeschwindigkeiten in die im Computer vorgenommene Verknüpfung
eingeführt werden, ausgestattet sein.
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Um die Segelleistungsmeßeinrichtung dem sehr rauhen Betrieb auch auf
Hochleistungs-Segelbooten anzupassen, um damit deren Leistungsdiagramme in Trimmfahrten
aufzustellen oder um sie unmittelbar als Steuerhilfe zu verwenden, sind besondere
Vorkehrungen sowohl an den Meß- als auch an den Auswert-Einrichtungsteilen zu treffen.
So müssen auf jeden Fall der Computer und die Wiedergabeeinrichtung wasserdicht
gekapselt und dann zur Abführung der unvermeidlich entstehenden Erwärmung aufgrund
elektrischer Verluste mit einer Kühleinrichtung versehen werden. Als günstige Kühlung
hat sich dabei ein offener Wasserkreislauf mit Wärmeaustauschern für Gebläselust
eines den Computer und eines die Wiedergabeeinrichtung kühlenden Umwälzluftstromes
der Innen luft herausgestellt. Man kann dabei eine Wasserpumpe
im
Kühlwasserkreislauf durch einen Temperatur-Grenzwertfühler gemeinsam mit dem Luftumwälzgebläse
einschalten, wenn eine bestimmte Temperaturschwelle im Innern eines der Geräte erreicht
ist, und dann nach bestimmter, relativ kurzer Zeitspanne die Wasserpumpe, die einen
verhältnismäßig hohen Energiebedarf hat, abschalten, während die Luftumwälzgebläse
dann nach einer weiteren Betriebszeitspanne abgeschaltet werden. Auf diese Weise
wird eine wirksame und gute Kühlung bei geringstmöglichem Energieverbrauch erzielt,
denn der gesamte Energiebedarf für die Meß- und Auswerteinrichtung muß bei einem
Segelboot in Form von Batterien mitgeführt werden, mit deren Kapazität wirtschaftlich
umgegangen werden muß.
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Um die benötigten Bedienungsbefehle für die Computereinrichtung eingeben
zu können, ist ein Eingabetastenfeld erforderlich, welches zweckmäßigerweise von
einer gegen das umgebende Gehäuse abdichtenden Klarsichtfolie überdeckt ist, um
vom Geräteinnern das unvermeidbar überkommende Spritzwasser abzuhalten.
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Es hat sich erwiesen, daß der die Fahrt des Bootes gegenüber dem Wasser
aufnehmende Strömungsvektor-Meßwertgeber besonders empfindlich sein muß, dabei aber
rauhen Betriebsbedingungen Stand zu halten hat, so daß hierfür am Boot zweckmäßigerweise
ein Fühler mit einem zu einer Achse rotationssymmetrischen Widerstandskörper vorgesehen
wird, der den an ihm an einer Ebene senkrecht zu seiner Achsrichtung angreifenden
Strömungsvektor nach Betrag und Richtung auf einen Wandler überträgt, an welchem
elastische Verbiegungen auftreten und durch Dehnungsmeßstreifen in elektrische Signale
umgesetzt werden. Dieser Wandler besteht aus untereinander gleichen, elastischen,
in entspanntem Zustand ebenen, die Meßrichtungen definierenden Biegebalken, in deren
Ebenen die Achsrichtung des Widerstandskörpers fällt, wobei die Biegebalken hintereinander
geschaltet sind und ihre Ebenen aufeinander vorzugsweise senkrecht stehen.
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An einem Ende sind sie mit dem Widerstandskörper verbunden, am anderen
in einer starren Halterung eingespannt,und die Dehnungsmeßstreifen, die in einer
angeschlossenen elektrischen Schaltung Zweige einer elektrischen Meßbrücke bilden,
sind auf den Biegebalken befestigt, so daß sie die deren Verbiegung hervorrufende
Aus lenkung des Widerstandskörpers getreu nach Größe und Richtung abbilden. Da der
MeB-wertgeber in das Wasser eintaucht, sind die mit den gegen Wasser hochempfindlichen
Dehnungsmeßstreifen besetzten Biegebalken von einem richtungsneutral elastisch verformbaren
Balg umschlossen, und der vollständig dichte Abschluß gegenüber dem Wasser wird
dadurch erzielt, daß die Enden des Balgs einerseits mit einem starren Verbindungsteil
zwischen dem Widerstandskörper und dem ersten Biegebalken und andererseits mit der
starren Halterung des zweiten Biegebalkens dicht schließend verbunden sind. Die
Biegebalken bestehen zweckmäßigerweise aus hysteresefreiem Federstahl, um in jedem
Fall eine von der Auslenkungsrichtung unabhängige Messung zu erhalten.
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Als einzig dauerhaft hat sich auch gegenüber Seewasser ein Balg in
Form eines korrosionsfesten, metallischen Wellrohres erwiesen. Da es problematisch
ist, eine Lötverbindung zwischen den Enden des Wellrohres und der Halterung der
Materialstreifen herzustellen, wenn die gegenüber erhöhten Temperaturen überaus
empfindlichen, hochpräzisen Dehnungsmeßstreifen bereits auf den Biegebalken befestigt
sind, wird das Wellrohr vorzugsweise in Längsrichtung aus zwei Abschnitten hergestellt,
die dann jeweils mit ihrem Verbindungsteil verlötet werden, solange die durch ein
Zwischenelement verbundenen Biegebalken mit den darauf befestigten Dehnungsmeßstreifen
noch nicht in das Verbindungsteil bzw. die Halterung des Meßwertgebers eingesetzt
sind, so daß die beim Löten unausbleibliche Erwärmung des Verbindungsteils bzw.
der Halterung den Dehnungsmeßstreifen nicht schaden kann. Nach dem Befestigen der
Biegebalken in dem Verbindungsteil bzw. der Halterung können dann die aneinander
stoßenden Ränder der beiden Wellrohrabschnitte dicht schließend zusammengelötet
werden,wobei
durch die Länge der Wellrohrabschnitte gewährleistet
ist, daß die Hitze von der Lötstelle nicht mehr schädlich zu den mit dem Verbindungsteil
bzw. der Halterung nunmehr verbundenen Dehnungsmeßstreifen gelangt.
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Zum Schutze gegen mechanische Beschädigung wird der Wandlerabschnitt
und ein diesen mit dem Widerstandskörper verbindender Schaft von einem starren Schutzrohr
mit Abstand koaxial umgeben. Die Maximalauslenkung des Widerstandskörpers bzw. des
ihn tragenden Schaftes wird durch in das Schutzrohr eingesetzte Anschlagringe begrenzt,
so daß die mechanische Beschädigung des überaus empfindlichen Wandler abschnitts
verhindert ist. Zweckmäßigerweise ist die Bohrung des dem offenen Schutzrohrendes
näher gelegenen Anschlagringes größer als die des anderen. Auch weist der Schaft
eine Solbruchstelle auf und ist lösbar mit dem Wandlerabschnitt verbunden, so daß
der Fühler bei Beschädigung durch Anlaufen am Grund oder dgl. ausgewechselt werden
kann.
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Bei eingehenden Versuchen mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wurden
anfangs unvorhergesehen starke Flatterbewegungen des Widerstandskörpers festgestellt,
die zuverlässige Messungen unmöglich machten und vermutlich auf die Wirbelablösung
am Widerstandskörper zurückzuführen waren, wenn dieser durch das Wasser gezogen
wurde. Zur Dämpfung der Bewegungen des Widerstandskörpers kann auf den Schaft zwischen
den Anschlagringen ein rotationssymmetrischer Dämpfungskörper aufgesetzt sein, dessen
Durchmesser so abgestimmt ist, daß seine Mantelfläche bei maximaler Schaftauslenkung
das Schutzrohrs nicht berührt. Der Dämpfungskörper ist zweckmäßigerweise konisch,
und damit sichergestellt ist, daß der Dämpfungskörper nach dem Eintauchen des Meßwertgebers
in das Wasser vollständig von Wasser umgeben ist und nicht in einer im Schutzrohr
verbliebenen Luftblase liegt, kann an dem in der Gebrauchslage höher gelegenen Ende
des Schutzrohres eine willkürlich betätigbares Entlüftungsventil angebracht sein.
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Die Krängung des Bootes beim Segeln gtbt Anlass, daß der Widerstandskörper
aufgrund der schwerkraftbedingten Auslenkkraft eine Meßwertverfälschung hervorruft.
Um dem entgegenzuwirken, wird mit dem Widerstandskörper ein diese Auslenkkraft kompensierender
Auftriebskörper verbunden, wobei es vorteilhaft ist, den Dämpfungskörper als Auftriebskörper
auszubilden. Es ist aber auch möglich, ein mit der Achse des Schutzrohres gekoppeltes
Lagemeßgerät vorzusehen und die neigungsbedingte Schwerkraft-Auslenkkomponente des
Widerstandskörpers durch entsprechende Koeffizienten im Rechenvorgang auszugleichen.
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Die Eingabe des Meßausgangs der die Dehnungsmeßstreifen enthaltenden
Widerstandsmeßdrücke erfolgt periodisch mittels einer Abtasteinrichtung, und es
kann zweckmäßig sein, dieser zur Bildung eines gleitenden Mittelwertes eine Mittelwertbildung
nachzuordnen.
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Üblicherweise ist der Widerstandskörper als zylindrischer Stab ausgebildet.
Die Anbringung des Strömungsvektormeßwertgebers erfolgt meist am Boot derart, daß
die Biegebalken zu einer Hauptströmungsrichtung, also zur Bootsachse, im Winkel
von 450 stehen. Der Bildschirm erhält zur Sichtverbesserung einen Antireflexbelag.
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Zum vollständigen Verständnis wird die Erfindung anschließend anhand
der Figuren der Zeichnung im einzelnen erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Darstellung der Meß- und Rechengrößen im Vektordiagramm;
Fig. 2 eine Darstellung der Bootsgeschwindigkeiten im Vektordiagramm während des
Kreuzens am Wind; Fig. 3 den prinzipiellen Verlauf eines Leistungsdiagramms; Fig.
4 die Anordnung der einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Einrichtung in einem
Segelboot in schematisierter Vereinfachung; Fig. 5 eine Längsschnittdarstellung
des Strömungsvektormeßwertgebers;
Fig. 6 eine Ausschnittsdarstellung
des Verbindungsbereichs zwischen dem den Widerstandskörper tragenden Schaft und
dem Meßwandlerabschnitt in vergrößerter Darstellung; Fig. 7 ein Blockschaltbild
des MeB- und Auswertabschnitts der erfindungsgemäßen Einrichtung; und Fig. 8 ein
Ubersichtsschaltbild der Steuerung für die Kühlung des Computers und der Anzeigevorrichtung.
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Das Vektordiagramm der Fig. 1 zeigt die geometrische und damit auch
mathematische Verknüpfung zwischen Geschwindigkeit und Richtung von wahrem und scheinbarem
Wind, von Drift, von wahrer und scheinbarer Schiffsgeschwindigkeit und vom Kreuzwinkel
B. Im Vektordiagramm der Fig. 2 ist eine weitere Geschwindigkeitskomponente dargestellt,
nämlich die Bootsgeschwindigkeit nach Luv vLuv, mit der sich das Boot in Richtung
gegen den Wind bewegt. Dies ist die am meisten interessierende Geschwindigkeit,
da es ja beim Segeln darauf ankommt, möglichst schnell von der Lee-Boje zur Luv-Boje
zu gelangen. Das schematisch in der Fig. 2 gezeigte Boot kreuzt unter dem Kreuzwinkel
ß zum wahren Wind. Seine scheinbare Bootsgeschwindigkeit in Richtung der Bootsachse
ist v*s, sein Driftwinkel ist 6, woraus sich die wahre Geschwindigkeit des Boots
v5 ergibt.
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Die Driftgeschwindigkeit vD steht senkrecht auf der scheinbaren Bootsgeschwindigkeit
v*5. Sie kann in zwei Komponenten zerlegt werden, so daß man VLee als Driftkomponente
in Richtung des wahren Windes erhält.
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Betrachtet man die Komponente der scheinbaren Bootsgeschwindigkeit
V*S in Richtung des wahren Windes und zieht von dieser die Driftgeschwindigkeit
nach Lee VLee ab, so verbleibt die gesuchte Bootsgeschwindigkeit nach Luv vLuv.
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An Bord des Bootes werden nun fünf Meßgrößen erfaßt: Zwei senkrecht
aufeinanderstehende Meßgrößen, aus denen die scheinbare Bootsgeschwindigkeit v *
und die Drift 6 berechnet weKbn können, erfaßt ein in das Wasser eintauchender,
stabförmiger Meßwertgeber, auf den durch die scheinbare Bootsgeschwindigkeit und
die Drift des Bootes je eine Kraftkomponente einwirkt.
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Die scheinbare Windgeschwindigkeit und die Richtung des scheinbaren
Windes werden mit Hilfe eines kombinierten, üblichen Gebers erfaßt.
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Ein weiterer Geber erfaßt die Krängung ß des Bootes.
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Alle Meßgrößen werden in der benötigten schnellen Folge abgetastet
und einem Prozeßrechner zugeleitet. In diesem werden die sehr stark durch den Einfluß
von Wellen und Böen schwankenden Daten zunächst durch eine spezielles Rechenverfahren
geglättet und dann in der im Vektordiagramm der Fig. 2 angedeuteten Weise mathe-matisch
miteinander verknüpft, um die für die Darstellung auf dem Sihtschirm erforderlichen
Größen zu gewinnen.
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Das sogenannte Leistungsdiagramm stellt eine sehr übersichtliche und
leicht verständliche Veranschaulichung der Meßergebnisse aus einem Segeltest dar.
Es zeigt im vorliegenden Fall in Abhängigkeit vom Kreuzwinkel ß die Bootsgeschwindigkeit
nach Luv vLu -Die Darstellung über dem Kreuzwinkel , d. h. der Schiffsrichtung zum
wahren Wind, ist deshalb sehr anschaulich, weil sie zeigt, wie hoch der Steuermann
jeweils gesegelt ist.
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Die Bootsgeschwindigkeit nach Luv ist die Größe, auf die es ankommt,
denn es interessiert im wesentlichen, wie
schnell das Boot für
eine gegebene Windgeschwindigkeit und eine gegebene Segelstellung nach Luv gelangt.
Dabei ist von besonderer Wichtigkeit der Maximalpunkt der Kurve vLuv im Leistungsdiagramm,
der einem günstigsten Winkel der Schiffsrichtung gegenüber dem wahren Wind ßopt
zugeordnet ist. Beim Unterschreiten dieses Winkels ßopt fällt die opt Geschwindigkeit
gegen den wahren Wind vLuv relativ rasch ab, so daß der Steuermann versuchen muß,
sich im unmittelbaren Bereich dieses Winkels Ropt zu halten.
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opt Fig. 4 zeigt die Anordnung der Einzelkomponenten der erfindungsgemäßen
Einrichtung auf dem Boot 10. Neben den Meßgebern 11,12 für die erforderlichen Werte
des Windes und der benötigten Geschwindigkeitswerte des Bootes 10 durch das Wasser
sind der Prozeßrechner 13 und die Anzeigevorrichtung 14 besonders zu erwähnen, die
auf dem Boot 10 den rauhen Bedingungen insoweit angepaßt sind, daß sie vollständig
gekapselt sind. Die in ihnen unvermeidbar auftretenden, elektrischen Verluste werden
durch ein Kühlsystem aus den Geräten 13,14 herausgebracht, das einen offenen Kühlwasserkreislauf
hat, über dessen im Geräteinnern befindlichen Wärmeaustauscher die Innenluft mit
Hilfe eines Gebläses hinweggeblasen wird.
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Dabei wird die Wasserkühlkreispumpe mit Hilfe je eines Temperaturfühlers
in den beiden Gerätegehäusen gesteuert, der die Pumpe für eine zeitgesteuerte Spanne
in Lauf versetzt. Das gleichzeitig mit der Pumpe eingeschaltete Kühlluftgebläse
schaltet vorzugsweise nachAblauf einer weiteren Verzögerungszeitspanne nach dem
Abschalten der Kühlwasserpumpe ebenfalls wieder ab. Diese Schaltmaßnahmen dienen
der Energieeinsparung, da die gesamte Einrichtung batteriegespeist werden muß und
aus Gewichtsgründen die Batterien so klein wie möglich gehalten werden.
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Wenn es darum geht, dem Steuermann während einer Regatta über das
Sichtgerät 14 eine Steuerhilfe zu geben, nach der er möglichst nahe dem Punkt ßopt
segeln kann, wird die Dämpfung oder Filterung der dem Rechner zugeführten Eingabemeßdaten
so gewählt, daß bei der gewünschten Anzeigefolge auf dem Sichtgerät das Abtastheorem
gerade noch erfüllt ist. Diese Dämpfung ist immer nötig, um durch Boots- und Mastschwankungen
bedingte Störgrößen auszuschließen.
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Geht es hingegen darum, zum Trimmen des Bootes ein Leistungsdiagramm
zu ermitteln, so werden alle schnell veränderlichen Größen, insbesondere die Werte
yA, VA, ij und die abgeleiteten Eingangsgrößen vW und ß, derart zusätzlich verzögert,
wie es der trägheits-, wellen- und reibungsbedingten Verzögerungszeit des Schiffes
entspricht, um zu verhindern, daß in den Rechenergebnissen Schiffsgeschwindigkeitswerte
mit ihnen nicht entsprechenden Augenblicksmeßwerten von Windgeschwindigkeit und
Winrichtung kombiniert werden. Das Abdämpfen kann abhängig von der jeweiligen Geschwindigkeit
des Schiffes mit entsprechender Zeitkonstante erfolgen, die als schiffseigene Parameter
experimentell oder auch rechnerisch ermittelt werden können.
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Wird in einem einfacheren Verfahren ohne zusätzliche Dämpfung gearbeitet,
dann ist es möglich, Änderungen der Eingangsgrößen durch den Rechner feststellen
zu lassen, und wird dabei ermittelt, daR dl,eXtenden deen1werten der Eingangsgröße
zu rasch aufeinander folgen, dann kann der Rechner die sich unter Verwendung der
sprunghaft sich ändernden Werte ergebenden Ergebniswerte durch Ausblenden aus dem
Leistungsdiagramm eliminieren. Sie verfälschen dann nicht das Leistungsdiagramm,
können aber als Steuerhilfe durchaus als kurzzeitig aufleuchtende und zur Verdeutlichung
auch unterschiedlich gestaltete Punkte auf dem Anzeigeschirm dargestellt werden.
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Der unter dem Bootsrumpf angebrachte Strömungsvektor-Meßwertgeber
12 ist in seinem für die Messung wirksamen, unteren Teil in der Fig. 5 dargestellt.
Ein verkürzt gezeigter, stabförmiger Meßfühler 20 mit Kreisquerschnitt ist mit seinem
oberen Ende üblicherweise mittels Gewinde mit einem Verbindungsteil 21 verbunden,
das seinerseits am unteren Ende eines insgesamt mit 22 bezeichneten Wandlerabschnittes
sitzt, in dem die vom Meßfühler 20 aufgenommenen Strömungswerte in elektrisch meßbare
Werte umgesetzt werden.
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Der Wandlerabschnitt 22 sitzt an einer Halterung fest, mit der der
gesamte Meßwertgeber 12 mit dem Bootskörper verbunden ist. Der gesamte Meßwertgeber
ist mit Ausnahme des Meßfühlers 20 von einem Schutzrohr 24 umgeben, das mit einem
durchmesserstarken Abschnitt der Halterung 23 dicht verklebt ist, so daß kein Wasser
in den oberen Bereich des Meßwertgebers eindringen kann.
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Die eigentliche Wandlereinrichtung besteht aus zwei auf der Achse
25 des Meßfühlers 20 liegenden Biegebalken aus hysteresefreiem Federstahl 26, 27,
deren Ebenen aufeinander senkrecht stehen. Auf ihre Flächen sind hochempfindliche
Dehnungsmeßstreifen 28, 29 aufgeklebt, die elektrisch in einer dem Fachmann an sich
bekannten Widerstandsmeßbrücke liegen, so daß jede Verbiegung der Biegebalken aufgrund
am Meßfühler 20 angreifender Kräfte am Abgriff der Brückenschaltung festgestellt
wrden kann.
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Die Biegebalken 26, 27 sind hintereinander geschaltet und mit einem
klotzartigen Verbindungsstück 30 fest verbunden. Die an den Enden der Biegebalken
angebrachten Endstücke 31 und 32 sind durch Schrubverbindungen bei 33 und 34 mit
dem Verbindungsteil 21 bzw. der Halterung 23 fest verbunden.
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Da in das untere offene Ende des Schutzrohres 24 Wasser eindringt,
müssen die hochempfindlichen Dehnungsmeßstreifen 28, 29 und auch die kolrosionsempfindlichen
Biegebalken 26,27 aus Federstahl wasserdicht gekapselt sein, ohne daß
dadurch
die Auslenkung des Meßfühlers beeinflusst wird.
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Zu diesem Zweck ist die Wandlereinrichtung 22 von einem Wellrohrbalg
35 umgeben, dessen Enden mit dem Verbindungsteil 21 bzw. der Halterung 23 verlötet
sind, um den einzig möglichen, dauerhaft dichten Abschluß zu erzielen. Hierbei stellt
sich jedoch die Schwierigkeit ein, daß durch Wärmeleitung beim Anlöten der Wellrohrenden
die Dehnungsmeßstreifen 28, 29 beschädigt werden können, weshalb das Wellrohr 35
aus zwei Abschnitten hergestellt und diese zunächst mit dem Verbindungsteil 21 bzw.
der Halterung 23 verlötet werden,solange die mit den Dehnungsmeßstreifen 28, 29
ausgestatteten Federstahl - Biegebalken 26, 27 noch nicht mit dem Verbindungsteil
21 bzw. der Halterung 23 verschraubt sind.
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Erst nach dem Lötvorgang werden die Einzelteile bei 33 und 34 miteinander
verschraubt, und anschließend werden dann die einander berührenden Stoßkanten der
beiden Abschnitte des Wellrohres 35 etwa in dessen Mitte miteinander verlötet, wobei
der lange Wärmeleitungsweg durch die Wellrohrabschnitte einen gefahrbringenden Wärmeübergang
zu den Dehnungsmeßstreifen 28,29 verhindert.
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Im Schutzrohr 24 sind an geeigneter Stelle Anschlagringe 36, 37 angebracht.
Diese Anschlagringe begrenzen die Auslenkung des Meßfühlers auf einen Maximalwert,
so daß die Dehnungsmeßstreifen 28, 29 nicht infolge übermäßiger Dehnung beschädigt
werden können. Die Anschlagringe sind derart angebracht und ihre Innendurchmesser
so aufeinander abgestimmt, daß der Meßfühler 20 oder der ihn mit der Wandlereinrichtung
22 verbindende Schaft 38 bei Maximalauslenkung an zwei Punkten anliegen, um die
Biegeeinflüsse möglichst von den Federstahl-Biegebalken fernzuhalten, wenn der Meßwandler
beispielsweise am Grund auf ein Hindernis stößt.
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Die am Meßwandler oder am Schaft vorhandene Sollbruchstelle 39 ist
in Fig. 5 dargestellt.
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Auf den Schaft 38 ist im Bereich innerhalb des Schutzrohres 24 ein
Dämpfungskörper 40 aufgesetzt, der aufgrund seiner Wasserverdrängung im Schutzrohr
bei schnellen Bewegungen des Meßfühlers eine dämpfende Wirkung hat, so daß der eigentlichen
Grundströmung überlagerte, schnelle und kurze Schwankungen, die ohnehin bei der
Auswertung unerwünscht sind, bereits auf mechanischem Wege weitgehend unterdrückt
werden. Durch geeignete Abstimmung von Material und Größe des Dämpfungskörpers 40
kann dieser in Kompensation die durch die Schräglage des Bootes bedingte, die Messung
verfälschende Schwerkraftkomponente am Meßfühler 20 ausgleichen.
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Damit der die Wandlereinrichtung und den Verdrängungskörper umgebende
Raum innerhalb des Schutzrohres 24 stets mit Wasser gefüllt ist, ist im Bereich
der Halterung 23 im Schutzrohr eine in der Zeichnung nicht eigens dargestellte,
willkürlich betätigbare Entlüftung angebracht, durch die beim Eintauchen des Meßwertgebers
in das Wasser in dem Rohr zurückbleibende Luft herausgelassen werden kann. Diese
Maßnahme kann auch immer dann erforderlich werden, wenn das Boot bei starkem Wellengang
sich mit dem Meßwertgeber aus dem Wasser heraushebt.
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Figur 6 zeigt eine Besonderheit des Verbindungsteils 21.
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Sein durchmesserstarker Abschnitt 21a weist eine Durchgangsbohrung
21b auf, die mit diametral gegenüberliegenden Durchgangsbohrungen 24a des Schutzrohres
24 fluchtet, so daß ein Dorn 41 durch die auf einer Achse liegenden Bohrungen 24a
und 21b hindurchgesteckt werden kann. Der Meßfühler 20 und sein Schaft 38 sind mit
einem Gewindezapfen in das Verbindungsteil 21 eingeschraubt, so daß der Meßfühler,
wenn er beschädigt oder durch Korrosion unbrauchbar geworden ist oder für einen
anderen Meßbereich ausgetauscht werden soll, abgeschraubt werden kann, ohne daß
schädliche Torsionskräfte auf die Wandlereinrichtung 22 einwirken können.
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Das Blockschaltbild der Fig. 7 zeigt die zu einer Voilbrücke cjes£'ha
lte ten Dehnurcjsme ßs tre ifen 28 des Biegeha Ikens 27.
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Die Brtickenspeisung kann mit Gleich- oder WecliselspannIIng erfolgen.
Uber Verstärker 42, 42' wird die Spanne der Brücke von zwsi Diagonalpunkten einem
Differentialuerstärker 3 eingegeben, dessen Ausgangswert durch ein Tiefpaßfilter
44 einem ersten Eingangskanal eines Multiplexers 45 zugeleitet wird. Mit dem Tiefpaßfilter
-14 wird eine Dämpfung vorgenommen, die jedoch maximal so stark seil darf, dciß
im Hinblick auf die durch den Multiplexer gegebene Abtasttolgefrequenz dem Abtasttheorem
Genüge geleistet ist. Der Multiplexer erhält über einen zweiten Eingangskanal von
einer der soeben beschriebenen analogen Schaltung mit den Dehnungsmeßstreifen 29
in der Brücke den vom zweiten Biegebalken 26 ermittelten Strömungsvektor, und erhält
über weitere Eingänge vom Windmeßwertgeber die Größen der Werte vA und yA sowie
über einen Neigungsgeber den Wert der Krängung . Der Multiplexer führt eine Analog/Digital-Umwandlung
durch und gibt dem Computer die so für diesen aufbereiteten Abtastwerte für den
Verknüpfungsvorgang ein. Der Computer 13 leitet die aus der Verknüpfung gewonnenen
Größen dem mit Bildschirm ausgerüsteten Anzeigegerät 14 und außerdem im erforderlichen
Umfang dem Datenspeicher 46 zu, aus dem gegebenenfalls auch für die Verknüpfung
benötigte, gespeicherte Berechnungshilfsgrößen entnommen werden.
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Anhand des Übersichtsschaltbildes der Fig. 8 soll kurz die Funktion
der für den gekapselten Computer und die gekapselte Anzeigevorrichtung benötigten
Kühlung dargestellt werden.
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Dabei ist nur die Darstellung für den Rechner vollständig ausgeführt;
die für die Anzeigevorrichtung ist analog.
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Im Rechner und auch in der Anzeigevorrichtung befinden sich jeweils
ein Temperaturfühler 47 bzw. 55. Der Ausgangswert des Temperaturfühlers 47 des Rechners
wird in einem Komparator 49 mit der Ausgangsgröße eines Sollwerteinstellers 48 verglichen,
und wenn die Temperatur im Rechner einen bestimmten
Grenzwert
errecht, gibt der Komparator 49 einen Schaltbefehl an eine Schaltstufe 52 ab, durch
die ein Umwälzgebläselüfter 50 unmittelbar uncl über ein Zeitrelais 53 eine Wasserpumpe
54 eingeschaltet werden. Die Lauftzeit der Wasserpumpe 54 wird durch das Zeitrelais
53 bestimmt. Nach kurzer Betriebsdauer wird die Wasserpumpe 54 wieder abgestellt,
während die Schaltstufe 52 den Lüfter 50 solange in Betrieb hält, bis im Rechnergehäuse
die Temperatur auf einen Wert abgesunken ist, bei welchem über den Komparator 49
von Seiten des Temperaturfühlers 47 der Schaltstufe 52 ein Befehl zum Abschalten
des Lüfters 50 erteilt wird.
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Es ist hiermit erreicht, daß die Wasserpumpe 54, die den Hauptenergiebedarf
hat, möglichst schnell wieder abgeschaltet wird, während der mit geringerem Energiebedarf
laufende Lüfter 50 die Innenluft des Rechners soiange umwälzt, bis deren Temperatur
hinreichend abgesenkt ist. Der analoge Vorgang läuft ab, wenn die Temperatur in
der Anzeigevorrichtung den zulässigen Grenzwert erreicht hat.