DE3604335A1 - Sonde und verfahren zum messen fluider stroemungen bezueglich richtung und staerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde zum Messen fluider Strömungen, und es wird ein Verfahren angegeben, mit dem fluide Strömungen bezüglich Richtung und Stärke gemessen werden können, wobei die Sonde einsetzbar ist.

Es ist häufig notwendig, bei Strömungen gasförmiger oder flüssiger Medien die Richtung und/oder die Stärke der Strömungen zu messen. Insbesondere bei Flugzeugen, Hubschraubern oder anderen Flugkörpern muß sowohl die Richtung der Luftströmung an und um den Flugkörper als auch die Stärke der Strömung und damit die Geschwindigkeit gemessen werden.

Für derartige Messungen werden noch immer Meßsonden verwendet, die auf den Prinzipien der lange bekannten Drucksonde zur Messung des statischen Druckes, des Pitot-Rohres, mit dem die Summe aus Staudruck und statischem Druck gemessen wird, und des Staurohres nach Prandtl beruhen. Dieses letztere Staurohr ist im wesentlichen ein Pitot- Rohr in Kombination mit einer zur Messung des statischen Druckes erforderlichen Drucksonde und gestattet die Bestimmung des Staudruckes. Die Kenntnis des Staudruckes ist deshalb gewünscht, weil über ihn die Geschwindigkeit, also bei Flugzeugen die Fahrt, bestimmt werden kann.

Die herkömmlichen Meßgeräte, die auf diesen Prinzipien beruhen, weisen verschiedene Nachteile auf, unter anderem ist bei Staurohren der Winkelmeßbereich relativ klein. Gute Meßgenauigkeiten erreicht man mit Staurohren ohnehin nur bei Anblaswinkeln bis zu 10°. Wenn aber ein Flugzeug beispielsweise bei starken Luftströmungen abgleitet, so daß eine genaue Kenntnis der Strömungsverhältnisse besonders wichtig wird, gerade dann versagen oft die herkömmlichen Staurohrer, da sie zu schräg angeblasen werden. Weiterhin ist die Bestimmung des statischen Druckes schwierig, da Luftbewegungen eine vorgegebene Höhenkompensation verfälschen können, abgesehen davon, daß derartige Höhenkompensationen ohnehin aufwendig sind.

Es ist deshalb wünschenswert eine Meßsonde zu verwenden, mit der diese Schwierigkeiten nicht auftreten.

Obgleich in der Aeronautik ein besonders starkes Bedürfnis nach einer derartigen Sonde besteht, gibt es in der Schiffahrt ganz ähnliche Probleme. Darüber hinaus gibt es noch viele Gebiete, auf denen Strömungen eine Rolle spielen, und bei denen diese Strömungen gemessen werden müssen, wie z. B. in der Meteorologie.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sonde zum Messen gasförmiger oder flüssiger Strömungen bezüglich Richtung und Stärke zu schaffen, die einen breiten Meßbereich für den Anblaswinkel besitzt, mit der entweder Staudrücke direkt gemessen werden können, ohne daß zusätzlich der starke Druck bestimmt werden muß, oder mit der statische Drücke selbst gemessen werden, falls dies gewünscht wird, und die dabei einfach im Aufbau, zuverlässig in der Funktion und vielseitig einsetzbar sind.

Es soll weiterhin durch die Erfindung ein Verfahren angegeben werden, mit dem fluide Strömungen bezüglich Richtung und Stärke vermessen werden, wobei insbesondere die Sonde gemäß der Erfindung einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Sonde gelöst, die zwei oder mehr Meßkammern mit rechteck- oder schlitzförmigen Öffnungen, die im wesentlichen entlang eines Kreisbogens oder entlang der Peripherie eines Kreises angeordnet sind, enthält, in denen sich unter dem Einfluß der Strömung jeweils Staudrücke ausbilden können, wobei in einem hinteren Bereich jeder Meßkammer Meßeinrichtungen zum Bestimmen des Druckes in der Meßkammer und/ oder zum Bestimmen von Differenzdrücken zwischen zwei Meßkammern vorgesehen sind oder Druckmeßleitungen enden, die getrennt oder nach Zusammenführung mit anderen Druckmeßleitungen von anderen Meßkammern aus der Sonde herausgeführt sind.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Sonde gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 17 angegeben.

Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde, die vier Meßkammern enthält, die jeweils kreissektorförmig mit spitzen Winkeln von 45° ausgebildet sind und aneinanderstoßend angeordnet sind, so daß sie eine kreissektorförmige Scheibe bilden, und vier weitere gleichartige Meßkammern in gleicher Anordnung sind rechtwinklig zu den ersten vier Meßkammern angeordnet, wobei die Schnittlinie durch die Symmetrieachsen der beiden Meßkammeranordnungen verläuft. Druckmeßleitungen aus den acht Meßkammern sind nach hinten in Richtung auf die spitzen Teile der Meßkammern herausgeführt und befinden sich in einem Rohr, das gleichzeitig als Halterung der Sonde dient.

Das Verfahren zum Messen fluider Strömungen bezüglich Richtung und Stärke gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens zwei Richtungen einer Ebene die Drücke gemessen werden, die sich in Meßkammern mit Staudruckmeßöffnungen, die unter festen Winkeln zueinander stehen, unter dem Einfluß der Strömung einstellen, und aus Differenzen von Druckmeßwerten die Richtung der Strömung oder Staudruckkomponenten bestimmt werden und/oder aus Summen von Druckmeßwerten der Gesamtdruck (Staudruck plus statischer Druck) bestimmt wird und/oder aus Druckmeßwerten, die in Meßkammern gemessen werden, die so abgewandt bezüglich der Strömungsrichtung liegen, daß die Strömung in ihnen keinen Staudruck aufbaut, der statische Druck bestimmt wird und/oder durch mathematische Verarbeitung von Druckmeßwerten oder Differenzen derselben die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 19 bis 22 angegeben.

Die Erfindung kann besser durch Ausführungsbeispiele erklärt werden. Es folgt deshalb eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Sonde gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch eine Sonde gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Schnittes durch eine Sonde gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch eine Sonde gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Bauteile einer Sonde gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Sonde gemäß der in Fig. 3 und 5 dargestellten Ausführungsform,

Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung noch einer anderen Ausführungsform einer Sonde gemäß der Erfindung,

Fig. 8 Meßwerte in Abhängigkeit vom Anblaswinkel, die mit der Sonde gemäß der Ausführungsform in Fig. 7 erhalten werden,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer anderen Meßkammeranordnung als der in Fig. 7 gezeigten und

Fig. 10 mit dieser Meßkammeranordnung erhaltene Meßwerte.

Fig. 1 zeigt den vorderen Teil einer Sonde gemäß der Erfindung im Schnitt. Zwei Meßkammern 1 und 2 mit rechteckförmigen Schlitzöffnungen sind jeweils im Grundriß kreissektorförmig und sind nebeneinanderliegend und mit jeweils einer Seitenwand aneinanderstoßend so angeordnet, daß ihre Öffnungen entlang eines Kreisbogens liegen. Die in Fig. 1 dargestellte Schnittansicht entspricht einem Schnitt durch die Meßkammern 1 und 2 entlang der Längsrichtung der schlitzförmigen Öffnungen. Die Dicke der Meßkammern, d. h. die Ausdehnung senkrecht zur Papierebene, ist im vorderen Teil der Meßkammern überall gleich. Die von vorn auf die Sonde auftreffende fluide Strömung trifft somit auf rechteck- oder schlitzförmige Öffnungen.

Insbesondere aus Herstellungsgründen wird es sich anbieten, die Dicke der Meßkammern über ihre gesamte Fläche überall gleich zu wählen, so daß die Meßkammern scheibenförmige Hohlkammern sind.

Im hinteren Bereich der Meßkammern 1 und 2 sind Meßeinrichtungen zum Bestimmen des Druckes in der Meßkammer und/oder zum Bestimmen des Differenzdruckes zwischen den Meßkammern 1 und 2 vorgesehen. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel sind nur schematisch Druckmeßleitungen 11, 13 und 12, 14 dargestellt, die in einem hinteren Bereich entsprechend der Meßkammer 1 und 2 enden und nach hinten aus den Meßkammern herausgeführt sind. Über die Meßleitungen 11 und 12 werden die sich unter dem Einfluß der auftreffenden Strömung einstellenden Drücke p ₁ in Meßkammer 1 und p ₂ in Meßkammer 2 direkt gemessen, während die Druckmeßleitungen 13 und 14 zu einer Verbindungsleitung 15 zusammengeführt sind, mit der der aus den Drücken p ₁ und p ₂ resultierende Druck gemessen wird. Dieser resultierende Druck entspricht bei einem Anblaswinkel von ± 45° einer Addition der Drücke p ₁ und p ₂. Aus den Drücken p ₁ und p ₂, die über die Druckmeßleitungen 11 und 12 abgegriffen werden, wird die Differenz gebildet, die eine stetige Funktion in Abhängigkeit vom Anblaswinkel α ist. Genauer gesagt, ist diese Druckdifferenz ein Maß für die Komponente des Anblaswinkels, die durch Projektion der Anblasrichtung auf die Ebene der Meßkammern entsteht. In der Praxis (z. B. beim Fliegen an Flugzeugen) würde diese Komponente der vertikalen oder der horizontalen Komponente des Anströmwinkels entsprechen, was von der Stellung der Meßsonde abhängt.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Sonde kann somit der Gesamtdruck und der Anblaswinkel für Strömungen, die von vorn in einem Bereich von ± 45° auftreffen, bestimmt werden.

In einem vorderen Bereich, d. h. nahe der Peripherie des Kreisbogens, sind Trennwände 21 und 22 vorgesehen, die sich ein kleines Stück in das Innere der Meßkammer erstrecken. Derartige Trennwände erhöhen die Meßgenauigkeit. Je mehr Trennwände innerhalb einer Meßkammer vorgesehen sind, desto besser wird die Meßgenauigkeit erhöht. Andererseits kann das Vorsehen von zu vielen Trennwänden zu einer leichteren Verschmutzung der Meßkammeröffnung führen, wodurch dann andererseits die Messung verfälscht wird. In der Praxis wird der Fachmann je nach Einsatzmöglichkeit die richtige Anzahl an Trennwänden durch Erprobung finden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde im Schnitt. Der Winkelmeßbereich, in dem die Sonde eingesetzt werden kann, ist durch Pfeile angegeben und beträgt ± 45°. Die fluide Strömung ist in der Figur als "WIND" bezeichnet.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Sonde eine kreisförmige Scheibe, von der die Meßkammern 3, 4, 5 und 6 zwei Sektorausschnitte einnehmen. Die Meßkammern 3, 4, 5 und 6 sind selbst kreissektorförmig ausgebildet und weisen einen spitzen Winkel von 45° auf. Die Kammern 3 und 4 liegen den Kammern 5 und 6 diametral gegenüber und zwar symmetrisch zum Meßbereich des Anblaswinkels. In der Meßkammer 3 herrscht der Druck p ₁, in der Meßkammer 4 der Druck p ₂, in der Meßkammer 5 der Druck p ₃ und in der Meßkammer 6 der Druck p ₄. Durch eine druckmäßige Verbindung der Kammern 3 und 4 stellt sich in einer Verbindungsleitung 16 die Druckdifferenz p ₁, p ₂ ein, während sich durch druckmäßige Verbindung der Kammern 5 und 6 in einer Verbindungsleitung 17 die Druckdifferenz p ₃, p ₄ einstellt. Die Verbindungsleitungen 16 und 17 sind in einer Druckkammer zusammengeführt, in der sich demgemäß die Druckdifferenz aus den beiden Druckdifferenzen p ₁, p ₂ und p ₃, p ₄ einstellt. In diese Druckkammer mündet eine Verbindungsleitung 18, an der der resultierende Druck abgegriffen werden kann.

Aus der Theorie der Strömungen um einen Zylinder bzw. einen Kreis ergibt sich, daß der in der Verbindungsleitung 18 abgegriffene Druck der herrschende statische Druck p _stat ist, wenn der Anblaswinkel ± 45° ist.

In dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde kann also der statische Druck gemessen werden, der als barometrischer Druck beim Fliegen eine wesentliche Rolle spielt.

Fig. 3 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Sonde nach der Erfindung im Schnitt. Vier kreissektorförmige Meßkammern 3, 2, 1 und 5, die jeweils spitze Winkel von 45° besitzen, sind aneinanderstoßend so angeordnet, daß ihre schlitzförmigen Öffnungen auf einem Halbkreis liegen. Der Meßbereich dieser Sonde umfaßt einen Anblaswinkel von ± 45° in bezug auf die Symmetrieachse. Somit beträgt bei jedem Winkel innerhalb des Meßbereiches von ± 45° die für die Strömung effektive Staudruckfläche (d. h. die Projektion der Fläche der Kammeröffnungen) : Kreisdurchmesser der Sonde multipliziert mit der Scheibendicke der Meßkammerhöhe. Diese effektive Staufläche ist somit für alle Anströmwinkel innerhalb des Meßbereichs gleich.

Da somit innerhalb des zulässigen Anblaswinkels von ± 45° die effektive Staufläche der Sonde immer konstant bleibt, erhält man durch Addition der in den segmentförmigen oder kreissektorförmigen Meßkammern von je 45° gemessenen Teildrücke p ₁ in Meßkammer 3, p ₂ in Meßkammer 2, p ₃ in Meßkammer 1 und p ₄ in Meßkammer 5 einen konstanten Staudruck in Abhängigkeit von der jeweiligen Anblasstärke der Strömung. Der Gesamtdruck p _ges ist also gleich der Summe der gemessenen vier Drücke in den Meßkammern 3, 2, 1 und 5.

p _ges = p ₁ + p ₂ + p ₃ + p ₄

Mit der Sonde gemäß Fig. 3 ist es somit möglich, den Gesamtdruck, der die Summe aus dem Staudruck und dem statischen Druck ist, innerhalb eines großen Anströmwinkels zu messen.

Durch Messung des Differenzdruckes zwischen den Meßkammern 2 und 3 einerseits und 1 und 5 andererseits, d. h. der Meßkammerpaare, die sich bezüglich der Symmetrieachse spiegelbildlich gegenüberliegen, ist es möglich, den genauen Anblaswinkel a zu bestimmen, wie es im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde.

Mit der in Fig. 3 dargestellten Sonde kann jedoch außerdem mit einem anderen Verfahren der Staudruck direkt gemessen werden, und zwar auf die folgende Weise:

Wenn die Strömung von vorn auf die Sonde auftrifft, erzeugt sie in den Meßkammern 3, 2, 1 und 5 Drücke, die in der Zeichnung entsprechend mit p ₁, p ₂, p ₃ und p ₄ bezeichnet worden sind. Jeder dieser Teilstücke setzt sich aus dem statischen Druck und einer Staudruckkomponente zusammen. Wenn der Anblaswinkel größer als Null ist, d. h. die Strömung nicht mit der Symmetrieachse der Sonde zusammenfällt, ist jede Staudruckkomponente, die in p ₁, p ₂, p ₃ oder p ₄ außer dem statischen Druck vorhanden ist, eine andere. Da der Meßbereich der Sonde für diese Art der Messung ± 22,5° zur Symmetrieachse der Sonde beträgt - wie nachfolgend noch näher erläutert wird -, ist der Druck p ₂ größer als der Druck p ₁ und der Druck p ₃ ist größer als p ₄. Durch Differenzbildung p ₂ minus p ₁ bzw. p ₃ minus p ₄ erhält man eine Druckdifferenz, die der Druckdifferenz der Staudruckkomponenten in den Kammern 2 und 3 entspricht. Der statische Druck hebt sich bei Subtraktion heraus. In gleicher Weise liefert die Differenz p ₃ minus p ₄ die Differenz der Staudruckkomponenten der Meßkammern 1 und 5.

Wenn nun die auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltenen Druckdifferenzen der Staudruckkomponenten p ₁ minus p ₂ und p ₃ minus p ₄ addiert werden, wird eine Staudruckkomponente p _stau erhalten, die zu dem gesamten Staudruck, der in den Kammern 3, 2, 1 und 5 erzeugt wird, proportional ist.

Wenn nun der Meßbereich auf Anblaswinkel von ± 22,5° zur Symmetrieachse der Sonde beschränkt wird, ist diese durch Summieren entstandene Gesamtstaudruckkomponente p _stau über den gesamten Meßbereich der Sonde proportional zu dem Staudruck, der sich als Summe aus den Staudruckkomponenten der Drücke p ₁, p ₂, p ₃ und p ₄ ergibt. Die Beschränkung auf Anblaswinkel von ± 22,5° zur Symmetrieachse der Sonde ist deshalb notwendig, da bei größeren Winkeln in einer der Kammern 3 oder 5 kein Staudruck mehr aufgebaut wird, so daß die entsprechende Differenz p ₂ minus p ₁ bzw. p ₃ minus p ₄ nur noch den Staudruckanteil des Druckes p ₂ bzw. p ₃ enthalten würde.

Andererseits zeigt es sich, daß bei Beschränkung auf Anblaswinkel von ± 22,5° der Staudruck mit dieser Ausführungsform der Sonde gemessen werden kann, ohne daß der statische Druck zusätzlich gemessen wird. Dies gestattet außerdem, die Geschwindigkeit der Strömung (die "Fahrt" bei Flugzeugen) zu bestimmen. Hierdurch entsteht der ganz wesentliche Vorteil, daß keine Höhenfehler mehr auftreten bzw. korrigiert werden müssen.

Fig. 4 zeigt noch eine weiter verbesserte Ausführungsform der Sonde gemäß der Erfindung im Schnitt. Bei dieser Sonde sind sechs Meßkammern 1, 2, 3, 4, 5 und 6 vorgesehen, von denen jede kreissektorförmig mit einem spitzen Winkel von 45° ist, und diese Meßkammern stoßen jeweils mit ihrer Seitenkante an die benachbarte Meßkammer an, so daß die gesamte Sonde einen Kreissektorausschnitt von 270° umfaßt. In dem hinteren, nicht als Meßkammer benutzten Teil der Sonde sind Druckleitungen aus den Meßkammern herausgeführt. Diese Druckleitungen verlaufen in einem Rohr, das gleichzeitig als Halterung für die Sonde dient.

Der Meßbereich der fluiden Strömung, hier wieder als "WIND" bezeichnet, beträgt ± 45° zur Symmetrieachse der Sonde. Unter dem Einfluß der Strömung herrscht in den Kammern 1, 2, 3, 4, 5 bzw. 6 jeweils der entsprechende Druck p ₁, p ₂, p ₃, p ₄, p ₅ bzw. p ₆. Über die Meßkammerpaare 3, 4 und 5, 6 kann auf die gleiche Weise, wie es im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben worden ist, der statische Druck p _stat bestimmt werden. Zu diesem Zweck wird der Differenzdruck der Meßkammern 3 und 4 über die Druckverbindungsleitung 16 mit dem Differenzdruck zwischen den Meßkammern 5 und 6 über die Druckverbindungsleitung 17 zusammengeführt, wo der sich einstellende Differenzdruck über die Verbindungsleitung 18 als statischer Druck abgegriffen werden kann.

Die Meßkammern 1 und 2 dienen einerseits als Staukammer (Pitot-Rohr), und sind zu diesem Zweck druckmäßig miteinander verbunden. Die Verbindungsleitung 15 ist ebenfalls nach hinten aus der Sonde herausgeführt.

Außerdem dienen die Meßkammern 1 und 2 zur Bestimmung des Anströmwinkels α, genauer gesagt, der Komponente des Anströmwinkels in der Ebene der Meßkammern. Zu diesem Zweck sind die Druckleitungen 11 aus der Meßkammer 1 und 12 aus der Meßkammer 2 direkt aus den Meßkammern herausgeführt, um die Druckdifferenz bestimmen zu können, wie es im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben worden ist.

Es ist natürlich weiterhin auch möglich, den Gesamtdruck als Summe der Drücke p ₁, p ₂, p ₃ und p ₅ zubestimmen, wie es im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben worden ist.

In jedem Fall ergibt sich durch diese Ausführungsform der Sonde die Möglichkeit, den Gesamtdruck, den Staudruck, den statischen Druck sowie den Anströmwinkel α gleichzeitig mit der gleichen Sonde zu bestimmen. Der Meßbereich der Sonde mit einem Anströmwinkel von ± 45° ist im Vergleich zum Stand der Technik außerordentlich groß.

Zu bemerken ist, daß durch Kombination der beiden am gleichen Ort gemessenen Drücke, nämlich Staudruck und statischen Druck, erstmals die Möglichkeit gegeben ist, die tatsächlichen Strömungsverhältnisse an einem bestimmten Ort zu messen. So kann beispielsweise bei Flugzeugen gleichzeitig die Geschwindigkeit, der Umgebungsdruck und die Strömungsrichtung bestimmt werden.

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen der Sonde gemäß der Erfindung umfassen jeweils nur sektorförmige Meßkammern, die in einer Ebene liegen. Mit Sonden dieser Art können, wie bereits mehrfach erwähnt wurde, somit nur die Verhältnisse in einer Ebene, z. B. der horizontalen oder vertikalen Ebene bestimmt werden. Die für die Praxis besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde besitzt deshalb zusätzlich zu der scheibenförmigen Meßkammeranordnung der ersten Ebene eine zweite scheibenförmige Meßkammeranordnung, die rechtwinklig zu der ersten Meßkammeranordnung angeordnet ist, wobei die Schnittlinie durch die Symmetrieachsen der beiden scheibenförmigen Meßkammeranordnungen verläuft. Auf diese Weise ist es möglich, die gleichen Messungen, die, wie es beschrieben wurde, in einer Ebene durchführbar sind, zusätzlich in der dazu rechtwinkligen Ebene durchzuführen, so daß der gesamte Raumwinkel von ± 45° zu der Symmetrieachse der Sonde durch die Messung erfaßt wird.

Eine Sonde dieser Art zur Messung im räumlichen Anblaswinkelbereich ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Diese dort dargestellte Sonde weist jeweils in der horizontalen und in der vertikalen Richtung eine Anordnung aus vier Meßkammern 1, 2, 3 und 5 auf, wie sie in Fig. 3 im Schnitt dargestellt ist. Die in Fig. 5 angegebenen Drücke p ₁, p ₂, p ₃ und p ₄ herrschen in den Meßkammern 3, 2, 1 bzw. 5 entsprechend der Numerierung in Fig. 3.

Durch die Kombination dieser zwei Meßkammeranordnungen, die entlang ihrer Symmetrieachse rechtwinklig aufeinanderstehen, wird eine Sonde erhalten, die sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Ebene innerhalb von jeweils ± 45° zur Symmetrieachse einen konstanten Staudruck als Meßgröße liefert.

Durch die Messung der Differenzdrücke zwischen den Meßkammerpaaren, die beiderseits der Symmetrieachse liegen und an der Symmetrieachse aneinanderstoßen, ist es möglich, den Anblaswinkel sowohl jeweils innerhalb der beiden Ebenen, als folglich auch in dem entsprechenden Raumwinkelbereich zu bestimmen.

In analoger Weise kann eine räumlich messende Sonde dadurch erhalten werden, daß sechs Meßkammern 1, 2, 3, 4, 5 und 6, die kreissektorförmig ausgebildet sind und aneinanderstoßend so angeordnet sind, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, mit sechs weiteren im wesentlichen gleichartigen Meßkammern in gleicher Anordnung rechtwinklig zueinander kombiniert werden, wobei die Schnittlinie durch die Symmetrieachsen der beiden kreissektorförmigen Scheiben verläuft. Der konstruktive Aufbau entspricht dem der Sonde, die in Fig. 5 gezeigt ist, wobei das vordere Teil der Sonde durch eine größere Kugelkalotte gebildet wird.

Derartige räumlich messende Sonden finden vielseitige Anwendung in der Flugtechnik. Sie können zum einen als Staurohr wie ein Pitot-Rohr für die Messung der Flugzeuggeschwindigkeit verwendet werden. Weiterhin ist mit derartigen Sonden der Slip eines Flugzeuges erfaßbar, der beim Seitengleitflug eine starke Rolle spielt. Es wird sogar möglich, den Winkel zu messen, in dem ein Flugzeug sich slip-mäßig bewegt, wozu die Druckdifferenzmessung p ₂, p ₁ durchgeführt wird, und außerdem gleichzeitig Fahrtmessung durchzuführen, was über die Bestimmung des Staudrucks möglich ist.

Weiterhin ist es möglich, den Anstellwinkel genau zu messen. Hierdurch kann der Stall-Punkt erfaßt werden, wenn die Strömung abzureißen droht, und eine Stall-Warnung gegeben werden.

Durch die Kombination von Meßdrücken p ₁ bis p ₆ in den zwei zueinander rechtwinkligen Ebenen und die Messung von daraus resultierenden Differenzdrücken wird es weiterhin möglich, innerhalb einer gegebenen Strömungsrichtung zirkulare und verwirbelte Strömungen zu erfassen. Der dabei erfaßte Raumwinkelbereich von ± 45° ist enorm hoch.

Grundsätzlich ist zu bemerken, daß die Sonde in eine zu messende fluide Strömung gehalten werden kann, daß sie aber auch andererseits an Flugkörpern befestigt werden kann und somit durch fluide Medien hindurchbewegt wird.

Das Meßprinzip ändert sich dadurch nicht.

Ein sehr wesentliches Anwendungsgebiet der Sonde gemäß der Erfindung liegt jedoch vor allem in ihrem Einsatz als Meßsonde an Flugkörpern: Mit ihr kann eine Fahrtmessung vorgenommen werden, ohne daß statischer Druck oder Referenzdruck extra gemessen werden muß. Bisher war es jedoch für jede Messung des Staudrucks zwecks Bestimmung der Fahrt (d. h. der Geschwindigkeit v) notwendig, eine barometrische Kompensation durchzuführen. Gute Geräte haben zwar häufig eine Kompensation vom Höhenmesser, dabei ist jedoch immer ein Fehler durch Luftströmungen möglich und wahrscheinlich.

Der Anblaswinkel oder der Winkel des Flugkörpers gegen die Strömung ist einfach durch Druckdifferenzen meßbar. Die Messung von Fahrt (v) und Winkel (α) ist in zwei Ebenen über einen großen Meßwinkel möglich. Während in dem zur Zeit bei Flugzeugen üblichen Prandtlschen Staurohr zur Messung von Staudruck und statischem Druck für die Fahrtmessung über Staudruck unter Berücksichtigung des statischen Druckes ein Meßwinkelbereich von ± 15° zur Verfügung stand, bietet die Sonde nach der Erfindung einen Meßwinkelbereich von ± 45°. Staudüsen messen dabei ohnehin nur in Winkelbereichen von ± 10° genau und haben bei größeren Meßwinkeln hohe Fehlerquellen. Die erfindungsgemäße Sonde kann außerdem auch als Meßsonde für barometrischen oder statischen Druck eingesetzt werden, d. h. eine herkömmliche Drucksonde zur Messung des statischen Druckes aus einem abgerundeten Rohr mit Ringschlitzen ersetzen (hierzu wird entweder die in Fig. 2 dargestellte Konfiguration verwendet, oder es wird der Druck in ein oder mehreren Meßkammern, die sich am hinteren Ende der Meßsonde, entgegengesetzt zur Anströmung befinden, gemessen, der im wesentlichen gleich dem statischen Druck ist).

Zusammengefaßt ergibt sich die Hauptanwendung der Sonde gemäß der Erfindung als Winkel- und Fahrtmesser für Flugzeuge und auch für Schiffe und gegebenenfalls Landfahrzeuge.

Fig. 6 zeigt noch eine perspektivische Ansicht einer Sonde gemäß der Erfindung für räumliche Messung, die in einem Gehäuse mit geringem Strömungswiderstand untergebracht ist. Sie weist auf der Vorderseite eine Kugelkalottenform auf.

Wenn jedoch mehr Kammern für die Messung eingesetzt werden sollen, wie es beispielsweise der Sonde nach Fig. 4 entspricht oder wenn außerdem die in Fig. 4 nicht ausgenutzten letzten beiden Kammern für die Messung des statischen Druckes zusätzlich verwendet werden sollen, muß die Form des Gehäuses der Sonde entsprechend abgewandelt werden. So muß bei einer kreisscheibenförmigen Sonde selbstverständlich die Halterung der Sonde aus der Meßebene herausgeführt sein. Es ist klar für den Fachmann, daß dabei auf geringen Strömungswiderstand der Sonde gegen die zu messende Strömung geachtet werden muß.

Fig. 7 zeigt schließlich noch schematisch den Querschnitt einer kreisscheibenförmigen Sonde mit mehreren kreissektorförmigen Meßkammern 1, 3, 5 und 7, die nicht aneinanderstoßend sondern mit Lücken so angeordnet sind, daß ihre Meßöffnungen entlang der Peripherie eines Kreises angeordnet sind. Unter dem Einfluß einer Strömung bildet sich bei dieser Sonde in der Meßkammer 1 der Druck p ₁, in der Meßkammer 3 der Druck p ₂, in der Meßkammer 5 der Druck p ₃ und in der Meßkammer 7 der Druck p ₄ aus. Bei einer Änderung des Anblaswinkels um 360° ändern sich die Druckdifferenzen p ₃ minus p ₁ und p ₄ minus p ₂ stetig und gestatten somit bei Messung einen Rückschluß auf den Anblaswinkel.

Fig. 8 zeigt durch Computersimulation erhaltene Kurven der Größen p ₃ minus p ₁; p ₄ minus p ₂ und der Summe der Quadrate dieser Größen. Im vorliegenden Fall sind die Kurvenverläufe reine Sinus- bzw. Kosinuskurven, folglich die dritte Kurve eine Gerade.

Das Beispiel der Fig. 7 und 8 soll zeigen, daß die Ausbildung der erfindungsgemäßen Sonde nicht nur auf die in den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern daß die Meßkammeranordnung entsprechend dem Meßzweck abgewandelt werden kann. Auf diese Weise können der Meßbereich des Anblaswinkels, die interessierenden Druckverhältnisse usw. verändert werden, oder es können Abwandlungen der Sonde vorgenommen werden, wenn bestimmte Anblaswinkelbereiche blockiert oder gestört sind.

Obgleich in allen Ausführungsbeispielen die Meßkammern einen Grundriß eines Kreissektors mit einem spitzen Winkel von 45° besitzen, wird ausdrücklich bemerkt, daß das Funktionsprinzip der Sonde nicht auf diese Form der Meßkammern beschränkt ist. Es sind vielmehr ebenfalls Meßkammern anwendbar, deren vorderer Teil (d. h. im Bereich der Peripherie des Kreisbogens) sektorförmig ist, wobei der Sektorausschnitt einem anderen Winkel als 45° entspricht.

Außerdem können die rechteck- oder schlitzförmigen Öffnungen der Meßkammern von der Kreisbogenform abweichen, z. B. gerade sein, wobei die Eckpunkte der Meßkammeröffnungen jedoch auf einem Kreisbogen liegen, so daß die Kreissektorkonfiguration doch "im wesentlichen" gewährt bleibt.

Fig. 9 zeigt schematisch den Querschnitt einer kreisscheibenförmigen Sonde mit mehreren kreissektorförmigen Meßkammern 1, 3 und 5, die nicht aneinanderstoßend, sondern mit Lücken so angeordnet sind, daß ihre Meßöffnungen entlang der Peripherie eines Kreises angeordnet sind. Unter dem Einfluß einer Strömung bildet sich bei dieser Sonde in der Meßkammer 1 der Druck p ₁, in der Meßkammer 3 der Druck p ₂ und in der Meßkammer 5 der Druck p ₃ aus. Wenn die Strömungsrichtung mit der Symmetrieachse der Sonde zusammenfällt, besitzt der Druck p ₂ in Meßkammer 3 sein Maximum. Die Druckdifferenz p ₃-p ₁ ist in diesem Fall gleich Null.

Die Änderung des Druckes p ₂ in der Meßkammer 3 in Abhängigkeit vom Anblaswinkel α besitzt einen sinusförmigen Verlauf, wie es aus Fig. 10 ersichtlich ist. Ebenfalls in Fig. 10 dargestellt ist der Verlauf der Druckdifferenz p ₃-p ₁ in Abhängigkeit vom Anströmwinkel. Diese Kurven werden ebenfalls durch Computersimulation erhalten.

Die dritte Kurve zeigt den Verlauf der Größe

√p ₂ ² + (p ₃ - p ₁)²

Diese Größe ist proportional zur Geschwindigkeit v der Strömung relativ zur Sonde. Diese Art der Bestimmung der Geschwindigkeit v kann innerhalb eines Bereiches von 180° vorgenommen werden, wie es aus Fig. 10 ersichtlich ist. In Fig. 10 ist dieser Wert über den Bereich α = 90° bis 270° konstant.

Mit einer Sonde gemäß dieser Ausführungsform kann somit die Geschwindigkeit (oder die "Fahrt") bestimmt werden, ohne daß der statische Druck zusätzlich auf irgendeine andere Weise bestimmt werden muß.

Claims (23)

1. Sonde zum Messen fluider Strömungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei oder mehr Meßkammern (1, 2, 3, 4, 5, 6) mit rechteck- oder schlitzförmigen Öffnungen, die im wesentlichen entlang eines Kreisbogens oder entlang der Peripherie eines Kreises angeordnet sind, enthält, in denen sich unter dem Einfluß der Strömung jeweils Staudrücke ausbilden können, und daß in einem hinteren Bereich jeder Meßkammer Meßeinrichtungen zum Bestimmen des Druckes in der Meßkammer und/oder zum Bestimmen von Differenzdrücken zwischen zwei Meßkammern vorgesehen sind oder Druckmeßleitungen (11, 12, 13, 14) enden, die getrennt oder nach Zusammenführung mit anderen Druckmeßleitungen von anderen Meßkammern aus der Sonde herausgeführt sind.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammern (1, 2, 3, 4, 5, 6) wenigstens in ihrem äußeren Bereich nahe des Kreisbogens bzw. der Kreisperipherie kreissektorförmig ausgebildet sind und dort ihr innerer Hohlraum eine gleichmäßige Dicke aufweist.

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Meßkammern (1, 2, . . .) mit ihren Seitenwänden an den Enden ihrer rechteck- oder schlitzförmigen Öffnungen aneinanderstoßen.

4. Sonde nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammern (1, 2, . . . .) kreissektorförmige Scheiben sind, die aneinanderstoßend eine Kreisscheibe oder einen oder mehrere Sektorausschnitt(e) einer Kreisscheibe bilden.

5. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreissektorausschnitt einer jeden Meßkammer einen spitzen Winkel von 45° besitzt.

6. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei nebeneinanderliegende Meßkammern (3, 4) in ihrem hinteren Bereich miteinander druckmäßig verbunden sind und die beiden diesen Meßkammern diametral gegenüberliegenden Meßkammern (5, 6) ebenfalls druckmäßig miteinander verbunden sind und die beiden Verbindungsleitungen (16, 17) zusammengeführt sind, um den resultierenden Druck (p _stat ) meßbar zu machen.

7. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Paaren von Meßkammern (3, 4; 5, 6) ein weiteres Paar von Meßkammern (1, 2) vorgesehen ist, von denen jede Meßkammer einen getrennten Druckmeßausgang (11, 12) besitzt, um die Druckdifferenz zwischen diesen Meßkammern außerhalb der Kammer zu messen, oder daß eine Meßeinrichtung zum direkten Messen der Druckdifferenz zwischen den beiden zusätzlichen Meßkammern (1, 2) vorgesehen ist.

8. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Paaren von Meßkammern (3, 4; 5, 6) ein weiteres Paar von Meßkammern (1, 2) vorgesehen ist, die in ihrem hinteren Bereich druckmäßig miteinander verbunden sind, und daß die Verbindungsleitung (15) aus den Meßkammern herausgeführt ist, um den resultierenden Druck als Gesamtdruck zu messen, wobei das zusätzliche Meßkammerpaar (1, 2) gemeinsam als Pitot-Rohr verwendet wird.

9. Sonde nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammern des zusätzlichen Meßkammerpaares (1, 2) sowohl getrennt aus den Kammern herausgeführte Druckmeßleitungen (11, 12) besitzen als auch untereinander druckmäßig verbunden sind und die gemeinsame Verbindungsleitung (15) aus den Meßkammern herausgeführt ist.

10. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine kreisförmige Scheibe ist und mehrere wenigstens in ihren äußeren Bereichen kreissektorförmige Meßkammern (1, 3, 5, 7) enthält, die nicht alle aneinanderstoßend, sondern mit Lücken so angeordnet sind, daß ihre Meßöffnungen auf bzw. entlang der Peripherie des Kreises angeordnet sind.

11. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine kreisrunde Scheibe ist und mehrere wenigstens in ihren äußeren Bereichen kreissektorförmige Meßkammern enthält, von denen zumindest einige druckmäßig mit einer anderen oder mehreren anderen in ihren hinteren, der Kreisperipherie abgewandten Bereichen verbunden sind.

12. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie vier Meßkammern (1, 2, 3, 5) enthält, die kreissektorförmig ausgebildet sind und aneinanderstoßend angeordnet sind, so daß sie eine kreissektorförmige Scheibe bilden, und vier weitere im wesentlichen gleichartige Meßkammern in gleicher Anordnung enthält, die rechtwinklig zu den ersten vier Meßkammern angeordnet sind, wobei die Schnittlinie durch die Symmetrieachsen der beiden kreissektorförmigen Scheiben verläuft und Druckmeßleitungen aus den acht Meßkammern nach hinten in Richtung der spitzen Teile der Meßkammern herausgeführt sind.

13. Sonde nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die kreissektorförmigen Meßkammern jeweils spitze Winkel von 45° besitzen.

14. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie sechs Meßkammern (1, 2, 3, 4, 5, 6) enthält, die kreissektorförmig ausgebildet sind und aneinanderstoßend angeordnet sind, so daß sie eine kreissektorförmige Scheibe bilden, und sechs weitere im wesentlichen gleichartige Meßkammern in gleicher Anordnung enthält, die rechtwinklig zu den ersten sechs Meßkammern angeordnet sind, wobei die Schnittlinie durch die Symmetrieachsen der beiden kreissektorförmigen Scheiben verläuft und Druckmeßleitungen (11, 12, . . .) aus den zwölf Meßkammern direkt und/oder als Verbindungsleitungen (15, 16, 17, . . .) ausgewählter Meßkammern miteinander nach hinten in Richtung der spitzen Teile der Meßkammern herausgeführt sind.

15. Sonde nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die kreissektorförmigen Meßkammern jeweils spitze Winkel von 45° besitzen.

16. Sonde nach einem der Ansprüche 12, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Meßkammern herausgeführten Druckmeßleitungen in einem als Halterung für die Sonde ausgebildeten Rohr untergebracht sind.

17. Sonde nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Gehäuse mit geringem Strömungswiderstand gekapselt ist, das auf der Vorderseite eine Kugelkalottenform aufweist.

18. Verfahren zum Messen fluider Strömungen bezüglich Richtung und Stärke, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens zwei Richtungen einer Ebene die Drücke gemessen werden, die sich in Meßkammern mit Staudruckmeßöffnungen, die unter festen Winkeln zueinander stehen, unter dem Einfluß der Strömung einstellen, und aus Differenzen von Druckmeßwerten die Richtung der Strömung oder Staudruckkomponenten bestimmt werden und/oder aus Summen von Druckmeßwerten der Gesamtdruck (Staudruck plus statischer Druck) bestimmt wird und/oder aus Druckmeßwerten, die in Meßkammern gemessen werden, die so abgewandt bezüglich der Strömungsrichtung liegen, daß die Strömung in ihnen keinen Staudruck aufbaut, der statische Druck bestimmt wird und/oder durch mathematische Verarbeitung von Druckmeßwerten oder Differenzen derselben die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Meßkammern mit rechteck- oder schlitzförmigen Staudrucköffnungen verwendet werden, die im wesentlichen entlang eines Kreisbogens oder entlang der Peripherie eines Kreises angeordnet sind.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß scheibenförmige Meßkammern mit kreissektorförmigem Grundriß, vorzugsweise mit einem spitzen Winkel von 450°, die aneinanderstoßend angeordnet sind, verwendet werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Drücke in mindestens zwei Richtungen einer zweiten Ebene, die zu der ersten Ebene unter einem Winkel, vorzugsweise einem rechten Winkel, steht, unter Verwendung von Meßkammern mit im wesentlichen dem gleichen Aufbau und der gleichen Anordnung wie in der ersten Ebene gemessen werden und aus Differenzen von Druckmeßwerten von Meßkammern aus beiden Ebenen die dreidimensional-räumliche Richtung der Strömung oder Staudruckkomponenten bestimmt werden und/oder aus Summen von Druckmeßwerten von Meßkammern einer oder beider Ebenen der Gesamtdruck (Staudruck plus statischer Druck) bestimmt wird und/oder aus Druckmeßwerten, die in Meßkammern einer oder beider Ebenen gemessen werden, die so abgewandt bezüglich der Strömungsrichtung liegen, daß die Strömung in ihnen keinen Staudruck aufbaut, der statische Druck bestimmt wird und/oder durch mathematische Verarbeitung von Druckmeßwerten oder Differenzen derselben die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Gesamtdruck und dem statischen Druck der Staudruck und daraus die Geschwindigkeit der Strömung relativ zum Meßort (der Meßkammeranordnung) bestimmt wird.

23. Verwendung der Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 17 für Flugzeuge, Hubschrauber oder andere Flugkörper, insbesondere unter Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 22.