DE3409175A1

DE3409175A1 - Vorrichtung zur bestimmung der komponenten der windgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE3409175A1
Application number: DE19843409175
Authority: DE
Inventors: Michael 8000 München Reisch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-03-13
Filing date: 1984-03-13
Publication date: 1985-09-19

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Bestimmung der Komponenten der Windgeschwindigkeit Stand der Technik Die Laufzeitmessung von Schallimpulsen zur Restiiiiun; der Geschwindigkeit strömender Medien die nur einen Freiheitsgrad besitzen (z.B. in Rohren) ist seit langem bekannt. Zur Bestimmung von Geschwindigkeiten in Strömungen mit zwei Freiheitsgraden wurde in der Offenlegungsschrift DE 3150011A1 ein Laufzeitverfahren mit zwei Laufzeit strecken beschrieben.
Ivritik Bei dem Verfahren mit zwei Laufzeitstrecken muß die Schallgeschwindigkeit separat bestimmt werden. Es ist nur für den Fall zweier Freiheitsgrade tauglich.
ICei de hier beschriebenen Verfahren mit drei Laufzeitstrecken (für den Fall zweier Freiheitsgra(le) und vier Laufzeitstrecken (für den Fall dreier Freiheitsgrade) ist keine getrennte Be-5 tinnung der Schallgeschwindigkeit erforderlich.
Grundlagen Die Geschwindigkeit mit der sich ein Ultraschall-Inlpuls von einem Sender S zu einem Empfänger B ausbreitet ist (vgl.Abb.1) v = c + .w = L/T (1) wo c die Schallgeschwindigkeit, # den Vektor der Windigeschwindigkeit und # den Einheitsvektor von S in Richtung 1R darstellt. T bezeichnet die Laufzeit des Pulses und L ist die Entfernung von E und S.
Die Schallgeschwindigkeit c ändert sich mit den atmosphärischen Bedingungen - die Komponenten von w sind als zu bestimmende Größen unbeliannt.
Isesitzt # zwei Freiheitsgrade, so treten auf der rechten Seite von (i) drei Unbekannte auf, im Fall von drei Freiheitsgraden für # entsprechend vier Unbekannte. Um diese nach der Laufzeitmethode zu bestimmen sind drei bzw. vier Laufzeitmessungen erforderlich.
1) Fest orientierte Vorrichtung in einem Windfeld mit zwei Freiheitsgraden In der Nähe der Erdoberfläche läßt stich i.a. die Komponente von w senkrecht zur Erdoberfläche vernachlässigen. # ist dann charakterisiert durch lGetrag und Windrichtung. Mit der Schallgeschwindigkeit als zusätzlicher Unbekannten erfordert dieser Fall Laufzeitmessungen längs dreier verschiedener Laufzeitstrecken. Der Einfachheit halber soll im folgenden ein System komplanar angeordneter Laufzeitstrecken parallel zur Erdoberfläche betrachtet werden (vgl.Abb.2).
Drei Empfänger 2, 83 sind in einer ebene um einen Sender S angeordnet. Der Sender gibt einen Impuls ab und die Laufzeiten T1,T2, T3 zu den Empfängern E1,E2,E3 werden bestimmt.
Auf diese Weise erhält man drei Bestimmungsgleichungen c - wcose = L 1/T1 = v1 (2) c - wcosX2 = L2/TZ = V2 (3) c + wcose3 = L3/T3 = v3 (4) 3 L3/T3 wo w den Betrag der Windgeschwindigkeit, L1,L2,L3 die Länge der Laufstrecken SE1,SE2,SE3 bezeichnen.
Aus diesel System kann ein Rechner bei bekanntem α und ß unter Benutzung von e2 = α - e (5) e3 = - e (6) die Größen w und e bestimmen Ist insbesondere α = so gilt 2) Feste Vorrichtung in einem Windfeld mit drei Freiheitsgraden Die Vorrichtung besteht aus einem Sender und vier Empfängern die ui diesen angeordnet sind und nicht in einer Ebene liegen. Der Sender gibt einen Impuls ab und die Laufzeiten zu den einzelnen Empfängern werden bestimmt (vgl.Abb.3). Auf diese Weise erhält nian vier Bestimmungsgleichungen Li/Ti = c + #i # = vi ; i=1,2,3,4 (9) wo die n. die Einheitsvektoren von S nach Ei, die L. die Längen der entspreciienden Laufstrecken und die Ti die zugehörigen Laufzeiten bezeichnen.
Definiert man die Vektoren #1 = #1-#2; #² = #1=#3; #³ = #1-#4 (10 sowie so lauten die Bestin'iungsgleichungen für die Konponenten von w Bei bekannter Geometrie und Orientierung des Detektorsystems kann ein Mikrocomputer aus (12) die drei Komponenten der Windgeschwindigkeit errechnen.
Anwendungsmöglichkei t Das unter 2) beschriebene Verfahren kann auch zur Bestimmung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung bei zwei Strömungsfreiheitsgraden herangezogen werden, wenn zusätzlich die Neigung des Systems um eine vorgegebene Achse unbekannt ist.
Ein solcher Fall wäre etwa bei Segelbooten gegeben.
Legt man ein kartesisches Koordinatensystem so, daß die Bootsachse mit der 2-Richtung, die Vertikale mit der 3-Richtung zusamitienfällt, so fällt der Wind parallel zur 1,2-Ebene ein. (vgl.Abb.4) Ist der blast des Bootes um den Winkel t aus der Vertikalen ausgelenkt, so lauten die Komponenten von w im geneigten Koordinatensystem $1',2,3') W1 = w1cost ; w21 =w2 = w3 = w1sin # (13) Ein fest auf dem Boot installiertes System mißt die Komponenten wi. Zusätzlich zu Windrichtung (relativ zur Bootsachse etwa) und Windgeschwindigkeit kann der Rechner nun noch die Neigung # des Bootes ermitteln.
Vorteile Die beschriebene Vorrichtung arbeitet ohne bewegte Teile - Meßfehler durch Änderung der Laufeigenschaften, wie bei Schaufelrad-Anelometern, können also nicht auftreten. Die Vorrichtung arbeitet trägiieitsfrei - auch Fluktuationen des Windfeldes lassen sich erfassen. Eine evtl. erwünschte Mittelung kann leicllt durch geeignete Programmierung des verarbeitenden Rechners erreicht werden.
- L e e r s e i t e -

Claims

Patentanspruch Vorrichtung zur Bestimmung der Komponenten der Windgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch gleichzeitige Bestimmung der Laufzeiten von Schallwellen längs dreier oder vierer Laufzeitstrecken und deren anschließende rechnergestützte Auswertung.