DE3221530A1

DE3221530A1 - Geschwindigkeitsmesser fuer fluessiges oder gasfoermiges medium

Info

Publication number: DE3221530A1
Application number: DE19823221530
Authority: DE
Inventors: Roland 8600 Dübendorf Bucher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-06-08
Filing date: 1982-06-08
Publication date: 1983-12-08

Description

Geschwindigkeitsmesser für flüssiges oder
gasförmiges Medium Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung zur Messung mindestens der Relativgeschwindigkeit zwischen einem Staukörper und einem diesen umgebendes flüssiges oder gasförmiges Medium.
Es ist bekannt, zum Messen der Fahrtgeschwindigkeit eines Schiffes (Log) oder zum Messen der Fliessgeschwindigkeit von Wasser Schaufelrädchen zu verwenden, deren Drehzahl ein Mass für die Geschwindigkeit ist. Andere Ausführungsformen solcher Logs messen Spannungspotertiale an zwei in Fahrtrichtung angeordneten Anoden. Die Geschwindigkeitsllessung kann auch basieren auf der Formänderung eines elastischen Staukörpers oder auf der Lagenänderung eines starren, aber beweglich aufgehängten Staukörpers. Vorrichtungen der bekannten Art sind z.B. im deutschen Patent 569.651 sowie in den USA-Patenten 2.152.768, 2.617.297 und 3.089.335 beschrieben.
Die Messung von Windgeschwindig:eiten kann in bekannter Weise durch Löffelräder erfolgeit oder durch andere Mittel, wie z.B. Staurohre (Pithot-Rohre).
Die bekannten Geschwindigkeits-Alessvorrichtungen liefern als Messgrösse nur die Geschwindigkeit. Will man weitere Werte erhalten, z.B. die Windrichtung, so müssen zusätzliche AnzeLgegeräte verwendet werden. Weitere Nachteile der bekannten Vorrichtungen sind die Abnutzung ihrer beweglichen Teile sowie die Verschmutzungsanfälligkeit und dadurch eine Messwertverfälschung. Insbesondere 1liessgeschwindigkeitsmessgeräte mit Schaufelrädchen weisen sehr aufwendige und anfällige Teile auf.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, keine mechanisch beweglichen Teile aufweist, deren Anfälligkeit zur Verschmutzung gering ist und die es erlaubt, neben der Geschwindigkeit auch andere Messgrössen, z.B. die Anströmrichtung, zu ermitteln.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch die in der Kennzeichnung des Patentanspruches 1 definierten Merkmale.
Nachfolgend wird anhand der Zeichnungen, welche schematisch verschiedene Ausführungsformen von Messvorrichtungen darstellen, die Erfindung beispielsweise näher erläutert, Im wesentlichen geht es darum, an einen von Flüssigkeit oder Gas angeströmten, festen Staukörper an geeigneten Stellen Spannungsmessungen vorzunehmen, deren Auswertung Stärke und Richtung der Strömung angeben.
Die Spannungsmessung erfolgt zweckmässigerweise durch die Anwendung von Dehnungsmessstreifen (DMS), denn die Oberflächen- bzw. Kerbspannungen am Staukörper verlaufen proportional zum Staudruck. Durch geeignete Anordnung der verschiedenen Dehnungsmessstreifen-Gitter kann nicht nur der Staudruck als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Windgeschwindigkeit sondern auch die Richtung gemessen werden.
Die Dehnungsmessstreifen sind Messgrössenumformer, welche die mechanische Spannung in die elektrische Grösse Widerstandsänderung transformieren. Die Temperatur, die die Messung beeinflussen kann, wird durch Kompensationsgitter in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung ausgeglichen. Als Ausgangssignal erhält man bei den nachstehend zu beschreibenden Geschwindigkeitsmessern je einen Wert von jeder Achse, die eine Messstelle aufweist. Durch Auswertung in einem Rechner (Mikroprozessor) können die Werte Stärke und/oder Richtung erhalten und angezeigt oder registriert werden.
Durch Verarbeitung von zusätzlichen Signalen bekannter Geber kann eine Fülle von je nach Anwendungszweck interessanter weiterer Informationen geliefert werden. Die Mikroprozessoren für die Auswertungen der Signale sind an sich bekannt und werden nicht näher beschrieben.
Die Figur 1 zeigt einen stabförmigen Staukörper 1 aus Kunststoff oder Metall mit einer Messanordnung zur Kerbspannungsmessung. Der im Querschnitt 2 kreisförmige Staukörper 1 ist in einer Verankerung 3 fest eingespannt. Die durch die Anströmung auf den Staukörper ausgeübte Kraft 6 und deren Richtung bewirken Druck- und Zugspannungen in der Kerbe 4. Die auf der Oberfläche der Kerbe angebrachten Dehnungsmessstreifen 5 messen diese Spannungen. Statt eines starren Stabes könnte auch ein leicht flexibler Stab in Anwendung kommen, wobei die Dehnungsmessstreifen im Bereich seiner Einspannstelle anzubringen wären. Statt mit Dehnungsmessstreifen könnten die Spannungsmessungen auch mit Piezoelementen, Messdrähten, Messdrähten auf Stützen oder mit ähnlichen Messgebern erfolgen. Die Spannungsmesselemente können auf die Oberfläche aufgeleimt oder aufgedampft werden.
Die Figuren 2a und 2b zeigen je im Querschnitt zwei mögliche Anordnungen von Spannungsmessstellen zur Kerbspannungsmessung gemäss der Figur 1. Bei der Figur 2a sind drei Dehnungsmessstreifen in der Kerbe 4 angeordnet, so dass die Messung in drei Richtungen X, Y, Z mit einem Winkelabstand von 1200 erfolgt. Bei der Figur 2b erfolgt die Messung im rechtwinkligen Koordinatenkreuz X, Y, wobei vier Dehnungsmessstreifen 5 in der Kerbe 4 angeordnet sind. Dies gestattet,die Auslenkung des Stabes nach Stärke und Richtung in jeder Auslenklage zu messen.
In der Figur 3 ist ein weiterer stabförmiger Staukörper 1 gezeigt mit einer Vorrichtung zur Oberflächenspannungsmessung.
Der im Querschnitt kreisförmige Stab 1 ist fest mit einer Membrane 7 verbunden. Die Membrane 7 ist in der Verankerung 3 starr eingespannt. Sie trägt die Messgeber 5, die bei der Anströmung Druck- oder Zugspannungen ausgesetzt sind, die wiederum zu Stärke und Richtung der Anströmung ausgewertet werden können. Der Staukörper 1 kann einstückig mit der scheibenförmigen Membrane 7 ausgebildet sein. Die Dehnungsmessstreifen 5 können unten an der Membrane 7 befestigt sein, so dass sie dem Wasser nicht ausgesetzt und dadurch völlig geschützt sind. Selbstverständlich können die Dehnungsmessstreifen auch oben an der Membrane angeordnet sein, wie durch die Hinweisziffer 8 angedeutet ist.
Die Figuren 4a, 4b und 4c zeigen je eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäss Figur 3, wobei verschiedene Anordnungen der Messstellen dargestellt sind. Die Messstellen, z.B. die Dehnungsmessstreifen, können wiederum in verschiedenen Achsen X, Y, Z sowie unten oder oben an der Membrane befestigt sein.
Je mehr Messstellen vorhanden sind, desto höher ist die Genauigkeit und die Auflösung der Messung. Die -Messstellen 5 auf der Unterseite der Membrane 7 sind wiederum völlig vor Witterungseinflüssen geschützt.
Die Figur 5 zeigt eine mögliche Form eines Staukörpers, die eine Verschmutzung oder das Hängenbleiben von z.B. Gras bei der Wassermessung verhindert. Der abstreifgünstig ausgebildete, halbkugelförmige Staukörper 1 ist mit der Membrane 7 fest verbunden und die letztere ist wiederum in der Verankerung 3 starr eingespannt. Die Dehnungsmessstreifen 5, 8 zur Messung der Wassergeschwindigkeit 6 und der Anströmrichtung können wiederum oben oder unten (völlig geschützt) angebracht sein.
Aus der Figur 6 geht eine Ausführungsform der Erfindung zur ortsfesten Messung der Windstärke und der Windrichtung 6 hervor. Der stabförmige, fest eingespannte Staukörper 1 liefert eine Anzahl Signale 9, 10 an den Rechner 11, der diese Signale über geeichte Messbrücken zu Windstärke- 12 und Windrichtungs- 13 Anzeigern bzw. Schreibern liefert.
Die Figur 7 zeigt eine Anwendung der Erfindung für eine Yacht. Es sind zwei Staukörper 14, 15 vorhanden, wovon einer dem Wind ausgesetzt ist und der andere (Log) im Wasser angeordnet ist. Die Signale 16, 17 dieser Staukörper 14, 15 werden wiederum einem Rechner 11 zugeleitet. Dem Rechner können weitere Daten 18, 19, 20 z.B. die Uhrzeit, die Kompasslage, usw. eingegeben werden. Folgende Auswertungen sind dann beispielsweise möglich: a Windstärke wirklich - mittel b Windstärke scheinbar - mittel c Windstärke scheinbar - maximum d Windrichtung wirklich e Windrichtung scheinbar f Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser g Abdrift h Kompasskurs i Kurs durchs Wasser inkl. Abdrift j zurückgelegte Richtung ) ) Koppelung k zurückgelegte Distanz )

Claims

Patentansprüche S Vorrichtung zur Messung mindestens der Relativgeschwindigkeit zwischen einem Staukörper und einem diesen umgebenden flüssigen oder gasförmigen Medium, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer-Stelle des fest eingespannten Staukörpers (1, 14, 15) ein Spannungsmesselement (5, 8) angeordnet ist, dessen Messignale (9, 10, 16, 17) über einen Rechner (11) auswertbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper als fester oder leicht flexibler, runder Stab (1) ausgebildet ist, und dass das Spannungsmesselement (5) im Bereich seiner Einspannstelle angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (1) eine kerbförmige Verjüngung (4) aufweist, in welcher das Spannungsmesselement (5) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper (1) mit einer kreisförmigen Membrane (7) versehen ist, welche in einer Verankerung (3) fest eingespannt ist und unten und/oder oben die Spannungsmesselemente (5, 8) trägt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsmesselement ein Dehnungsmessstreifen, ein Piezoelement oder ein Messdraht ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spannungsmesselemente (5, 8) vorgesehen sind, die in verschiedenen Achsen (X, Y, Z) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Staukörper (1) eine gewölbte, Debris abweisende Form aufweist (Fig. 5).
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Signale (18, 19, 20) dem Rechner (11) zuführbar sind, die in Kombination mit den Signalen (9, 10, 16, 17) des Staukörpers auswertbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Schiff ein als Log ausgebildeter Staukörper (15) und ein als Windmesser ausgebildeter Staukörper (14) vorgesehen sind, deren Signale (16, 17) einzeln oder gemeinsam auswertbar sind.