DE4414383C2 - Sondenkörper für ein Anemometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sondenkörper für ein Anemometer, welches zur Ermittlung des Betrags und der Richtung der Strömung in einem gasförmigen Fluid eingesetzt wird.

Derartige Anemometer werden insbesondere zur Ermittlung der Windrichtung und -geschwindigkeit in der Schiffahrt, der Wetterbeobachtung, bei Sportveranstaltungen und zu ähnlichen Zwecken eingesetzt.

Bekannte Einrichtungen zur Windmessung sind Flügelrad- bzw. Schalenkreuzanemometer und Turbinenzähler.

Weiterhin sind Sonden bekannt, deren kugel- oder kegelförmiger Sondenkörper eine Vielzahl von jeweils mit einem Druckfühler versehenen Sacklöcher aufweist.

Eine andere bekannte Meßanordnung ist das thermische Anemometer mit Kugelsonde. Bei dieser Anordnung ist zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit und Windrichtung die Oberfläche einer Kugel mit mehreren temperaturabhängigen Widerständen versehen.

Eine weitere bekannte Meßanordnung ist das Hitzdraht- und Heißfilmanemometer. Dabei werden dünne Hitzdrähte in einem Schaft angeordnet, wobei ein von der Windgeschwindigkeit abhängiges Signal entweder aus dem sich mit der Temperatur des Drahtes ändernden Widerstand des Drahtes oder aus der Menge an zur Konstanthaltung der Temperatur des Drahtes zuzuführender Energie gewonnen wird.

Andere bekannte Anordnungen beruhen auf der Laser-Doppler- oder der Ultraschallmeßtechnik.

Als Beispiel für eine auf der Ultraschallmeßtechnik basierende Meßanordnung sei die Schrift DE 35 06 591 A1 genannt.

Weitere Schriften aus dem Stand der Technik zu Meßanordnungen für die Messung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung sind DE 31 50 011 A1, WO 92/03749 A1 und US 4 856 330.

Jede einzelne dieser Meßanordnungen zeichnet sich durch ganz spezifische Vor- und Nachteile aus.

Eine Meßanordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit mit zwei parallel beabstandeten Durchströmkanälen ist aus DE 34 08 739 A1 bekannt. Mit dem beschriebenen Sondenkörper ist jedoch die gleichzeitige Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung des Fluids nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Anemometer zur Ermittlung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung zur Verfügung zu stellen, das bei einer hohen Meßgenauigkeit einen großen Meßbereich abdeckt und dabei unempfindlich gegenüber störenden Einflüssen aus der Umgebung ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Durch die Anordnung der Strömungsfühler in mehreren relativ langen, winklig zueinander in einem Sondenkörper ausgebildeten Durchströmungskanälen werden die Strömungsfühler wirkungsvoll vor äußeren, den Meßvorgang störenden Einflüssen, wie beispielsweise Sonneneinstrahlung, Spritzwasser und Verschmutzung, geschützt. Damit kann die Meßanordnung bei einem relativ großen Meßbereich immer genau funktionieren.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 sind die Strömungsfühler in einem durch eine Schleife erhöhten Mittelabschnitt eines Durchströmungskanals angeordnet. Damit kann das Vordringen von Spritzwasser und anderem Schmutz, wie beispielsweise Staub, an den Strömungsfühler wirkungsvoll verhindert werden.

Das Vordringen von Wasser und Staub wird weiterhin verhindert, indem entsprechend den Ansprüchen 9 bis 11 oberhalb und unterhalb der Öffnungen jeweils eine abschirmende Krempe vorgesehen wird. Eine ähnlich Wirkung wird erreicht, indem entsprechend Anspruch 9 die Öffnungen mit einer kegeligen Ansenkung versehen werden.

Für den Fall, daß bereits Spritzwasser in die Durchströmungskanäle eingedrungen ist, kann dieses auf vorteilhafte Weise mit der in Anspruch 6 dargestellten Heizeinrichtung während einer Meßpause schnell verdampft werden.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung nach den Ansprüchen 12 und 18 kann der Meßbereich bezüglich der Ermittlung der Windgeschwindigkeit durch Anbringen von den Öffnungsquerschnitt der Durchströmungskanäle verringernden Düsen bzw. Blenden auf einfache Weise erweitert werden und somit ein großer Meßbereich bei Erhaltung einer hohen Meßgenauigkeit abgedeckt werden.

Gemäß den Ansprüchen 7 und 16 kann bei Vorsehen von mindestens einem dritten mit einem Strömungsfühler ausgestatteten Durchströmungskanal die Anordnung auch zum Erfassen dreidimensionaler Strömungen eingesetzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Sondenkörpers für ein Anemometer,

Fig. 2 zeigt eine teilweise Schnittansicht von oben auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Sondenkörpers für ein Anemometer längs der Durchströmungskanäle.

Fig. 3 zeigt in einer seitlichen Ansicht eine abgeänderte Gestaltung des Sondenkörpers des in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Fig. 4 zeigt in einer seitlichen Schnittansicht eine abgeänderte Gestaltung der Durchströmungskanäle des in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Gemäß Fig. 1 und 2 hat ein Anemometer einen auf einer Konsole 1 angebrachten als eine Kugel ausgebildeten Sondenkörper 2. Durch den Sondenkörper 2 erstrecken sich zwei in einer gemeinsamen horizontalen Ebene und im rechten Winkel zueinander angeordnete Durchströmungskanäle 3 mit im wesentlichen kreisförmiger Querschnittsfläche. Im mittleren Abschnitt 3c eines jeden Durchströmungskanals 3 ist ein für das Meßfluid durchströmbarer Strömungsfühler 4 angeordnet, mit dem ein Signal bezüglich der im Durchströmungskanal herrschenden Strömungsgeschwindigkeit gewinnbar ist.

Die Länge eines jeden Durchströmungskanals 3 ist um ein vielfaches größer als der Betrag seines Durchmessers. Das Verhältnis zwischen Länge zu Durchmesser des Durchströmungskanals 3 liegt dabei zwischen 3 und 100, bevorzugt jedoch zwischen 20 und 40. Jeder Durchströmungskanal 3 hat zwei Öffnungen 5, über die das Fluid, in dem sich der Sondenkörper 2 des Anemometers befindet, abhängig von der Strömungsrichtung eintreten bzw. austreten kann. In der Nähe einer Öffnung 5 weist ein Durchströmungskanal 3 einen waagrecht verlaufenden Abschnitt 3a auf, an den sich eine Krümmung anschließt, die den Durchströmungskanal 3 unter einem Winkel zwischen 3° bis 90° gegenüber der Horizontalen in im wesentlichen senkrechter Richtung umleitet und somit einen schräg nach oben stehenden Abschnitt 3b ausbildet Nach einer weiteren Krümmung schließt sich der ebenfalls waagrecht angeordnete Mittelabschnitt 3c an. Ein Durchströmungskanal 3 ist bezüglich der senkrechten Mittelachse des Sensorkörpers 2 symmetrisch gestaltet und bildet durch die zwei sich an den Mittelabschnitt 3c anschließenden schrägstehenden Abschnitte 3b eine Schleife nach oben aus. Die Durchströmungskanäle 3 sind derart angeordnet, daß sie sich innerhalb des Sondenkörpers 2 nicht schneiden, sondern aneinander vorbeigeführt werden, wobei jedoch die Öffnungen 5 in einer gemeinsamen horizontalen Ebene 6 liegen. Beim kugelförmigen Sondenkörper 2 ist diese Ebene bevorzugt die horizontal durch den Kugelmittelpunkt verlaufende Ebene.

Die Mantelfläche des schrägen Abschnitts 3b bzw. ersten waagrechten Abschnitts 3a eines Durchströmungskanals 3 ist jeweils mit einer Heizeinrichtung 7 versehen, so daß der Durchströmungskanal 3 in der Nähe einer jeden Öffnung 5 beheizbar ist. Diese Heizeinrichtung 7 kann beispielsweise als ein elektrisches Heizelement ausgebildet sein. Mittels der Heizeinrichtung 7 ist es möglich, in den Durchströmungskanal 3 eingedrungenes Wasser oder dergleichen auf schnelle Weise zu verdampfen. Während der Betätigung der Heizeinrichtung 7 wird der Meßvorgang unterbrochen, bzw. werden die Meßwerte nicht ausgewertet, da sie durch die Wärmeeinwirkung der Heizung unter Umständen verfälscht worden sind.

Als Strömungsfühler 4 können alle bekannten zur Erfassung einer in einem gasförmigen Fluid herrschenden Strömungsgeschwindigkeit geeigneten Fühler eingesetzt werden, die ein Signal während des Durchströmens des Fluids gewinnen können. Insbesondere werden als Strömungsfühler 4 sogenannte Hitzdrahtelemente eingesetzt, die in Querrichtung zur Strömung angeordnet sind. Ein von der Windgeschwindigkeit abhängiges Signal kann dabei entweder aus dem sich mit der Temperatur des Drahtes ändernden Widerstand oder aus der Menge an zur Konstanthaltung der Temperatur des Drahtes zuzuführender Energie gewonnen werden.

An der Außenseite des Sondenkörpers 2 sind oberhalb und unterhalb der Öffnungen 5 ringförmige an der Außenkante spitz zulaufende Krempen 8 angeordnet, die die Öffnungen 5 gegen das Eindringen von Schmutz und Spritzwasser schützen. Die den Öffnungen 5 zugewandte Seite einer Krempe 8 ist als eine zur Ebene 6 parallel angeordnete Fläche ausgebildet. Die Krempen 8 stehen derart am Umfang des Sondenkörpers hervor, daß ein Abschirmwinkel δ bezüglich der horizontalen Ebene 6 von bevorzugt δ = 45° ausbildet wird.

Die Oberflächen des Sensorkörpers 2 und der Krempen 8 sind mit einer die Wärmestrahlung gut reflektierenden Beschichtung versehen. Die Durchströmungskanäle 3 sind innerhalb des Sensorkörpers 2 thermisch isoliert aufgenommen. Durch diese Maßnahmen wird das Meßergebnis des Anemometers aufgrund von Wärmestrahlung wenig beeinflußt.

Um einen größeren Meßbereich einzustellen, können die Öffnungen 5 durch den Einbau von Düsen oder Blenden (nicht dargestellt) in ihrer Querschnittsfläche verringert werden. Dabei werden alle Öffnungen 5 mit der jeweils gleichen Düse oder Blende versehen. Auf diese Weise ist das Anemometer in der Lage, sowohl sehr kleine als auch sehr große Windgeschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit zu ermitteln.

Die von den Strömungsfühlern 4 gewonnenen Signale werden mittels geeigneter Leitungen durch die Konsole 1 einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung (nicht dargestellt) zugeführt, die in der Lage ist, aus diesen Signalen die Strömungsgeschwindigkeit des den Sondenkörper 2 umgebenden Fluids nach Betrag und Richtung zu ermitteln und anzuzeigen. Dazu ist die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung mit Verstärkungs-, Kompensations- und Kalkulationseinrichtungen ausgestattet.

Die Kompensationseinrichtung ist in der Lage, eine sich im Sensorkörper 2 ändernde Temperatur, eine sich ändernde Umgebungstemperatur und einen sich ändernden Feuchtigkeitsgehalt des zu messenden Fluids derart bei der Ermittlung des Geschwindigkeitswerts nach Betrag und Richtung zu berücksichtigen, daß ihr Einfluß auf das Meßergebnis nahezu eliminiert ist.

Die Ermittlungs- und Anzeigevorrichtung kann das Meßergebnis in Form eines Mittelwerts bezüglich einer vorbestimmten Zeitdauer ermitteln. Weiterhin ist die Ermittlungs- und Anzeigeeinrichtung in der Lage, das Meßergebnis unter Berücksichtigung der jeweils zur Änderung des Meßbereichs verwendeten Blenden oder Düsen zu ermitteln und anzuzeigen.

Wird das Anemometer bei Sportveranstaltungen eingesetzt, so kann zur Mittelwertbildung während eines Wettkampfs die Ermittlungs- und Anzeigeeinrichtung mit der Starteinrichtung gekoppelt sein.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführung des Anemometers kann die horizontalen Richtungskomponenten des zu messenden Fluids ermitteln. Durch Vorsehen eines oder mehrerer weiterer Durchströmungskanäle, die aus der Horizontalen verdreht angeordnet sind, ist die Ausführung nach Fig. 1 und 2 auf die Messung dreidimensionaler Strömungen erweiterbar.

In der Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich von dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel nur in der Gestaltung der Außenform des Sondenkörpers unterscheidet. Der Sondenkörper 2 ist als Zylinder ausgebildet, der auf der Oberseite kugelförmig gestaltet ist. Die Öffnungen 5 sind in der Ebene 6 in einem mittleren Abschnitt des Zylinders angeordnet.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das im wesentlichen identisch zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 5 mit einer kegeligen Ansenkung versehen, die ebenfalls zur Abschirmung von Spritzwasser und Schmutz dient. Die kegelige Ansenkung 9 kann anstatt der Krempen 8 oder zusammen mit den Krempen 8 vorgesehen werden. Der bevorzugte Öffnungswinkel der kegeligen Ansenkung beträgt 90°.

Claims (20)

1. Sondenkörper für ein Anemometer, der mit wenigstens zwei gegeneinander winklig beabstandeten und für die zu messende Strömung über Öffnungen (5) zugänglichen Durchströmungskanälen (3) versehen ist, deren Länge im Verhältnis zu ihrem mittleren Durchmesser um ein vielfaches größer ist, wobei in jedem Durchströmungskanal (3) ein durchströmbarer Strömungsfühler (4) angeordnet ist, mit dem ein von der im Durchströmungskanal (3) herrschenden Strömungsgeschwindigkeit abhängiges Signal erzeugbar ist.

2. Sondenkörper für ein Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenform des Sondenkörpers (2) kugelförmig, oval, eiförmig oder zylinderförmig gestaltet ist.

3. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsfühler (4) in einem mittleren Abschnitt (3c) des Durchströmungskanals (3) angeordnet ist.

4. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (5) der wenigstens zwei Durchströmungskanäle (3) in einer horizontalen Ebene (6) liegen und die wenigstens zwei Durchströmungskanäle (3) im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.

5. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt (3c) der Durchströmungskanäle (3) eine Schleife in vertikaler Richtung nach oben ausbildet.

6. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche der Durchströmungskanäle (3) jeweils in der Nähe ihrer Öffnungen (5) als Heizelement (7) ausgebildet ist.

7. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein dritter Durchströmungskanal (3) vorgesehen ist, der gegenüber der horizontalen Ebene (6) winklig versetzt angeordnet ist.

8. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden oder mehrerer vorgenannter Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (5) mit einer kegelförmigen Ansenkung (9) versehen sind.

9. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (2) eine bezüglich der Öffnungen (5) in vertikaler Richtung nach oben beabstandete ringförmige horizontal sich aus dem Sensorkörper (2) erstreckende Krempe (8) aufweist.

10. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (2) eine bezüglich der Öffnungen (5) in vertikaler Richtung nach unten beabstandete ringförmige horizontal sich aus dem Sondenkörper (2) erstreckende Krempe (8) aufweist.

11. Sondenkörper für ein Anemometer nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Krempe (8) gegenüber der Ebene (6) um einen Winkel δ hervorsteht, der bevorzugterweise 45° beträgt.

12. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (5) mit Reduzierungsvorrichtungen, wie Blenden oder Düsen, zur Veränderung des Meßbereichs versehbar sind.

13. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungsfühler (4) Fühler mit Hitzdraht oder Heißfilm einsetzbar sind.

14. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Strömungsfühler (4) in einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung verarbeitbar sind, um den Betrag und die Richtung der Fluidströmung zu bestimmen.

15. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von mindestens zwei auf verschiedenen voneinander winklig beabstandeten Geraden angeordneten Durchströmungskanälen (3) die Strömungsrichtung zweidimensional ermittelbar ist.

16. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden vorgenannter Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von mindestens drei auf jeweils verschiedenen winklig zueinander beabstandeten Geraden angeordneten Durchströmungskanälen (3) die Strömungsrichtung dreidimensional ermittelbar ist, wobei zwei der drei Durchströmungskanäle (3) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und der dritte Durchströmungskanal (3) auf einer zu dieser Ebene winklig beabstandeten Geraden angeordnet ist.

17. Sondenkörper für ein Anemometer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung Einrichtungen zur Verstärkung, zur Mittelwertbildung bezüglich eines vorbestimmten Zeitabschnitts und zur Kompensation von Einflußgrößen, wie beispielsweise eine sich ändernde Fluidtemperatur, eine sich ändernde Temperatur des Sondenkörpers (2) und/oder eine sich ändernde Fluidfeuchtigkeit umfasst.

18. Sondenkörper für ein Anemometer nach den Ansprüchen 12, 14 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verändern des Meßbereichs mittels Reduzierungsvorrichtungen bei der Ermittlung der Strömungswerte mittels der Auswerte- und Anzeigevorrichtung berücksichtigbar ist.

19. Sondenkörper für ein Anemometer nach den Ansprüchen 1, 2, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Sondenkörpers (2) und deren Krempen (8) mit einem die Sonnen- und andere Wärmestrahlen reflektierenden Beschichtung versehen ist.

20. Sondenkörper für ein Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich um den Durchströmungskanal (3) und den Meßfühler (4) im Innenraum des Sondenkörpers (2) thermisch isoliert ist.