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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Strömungsmesser
des Typs zum Messen der Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung von
Luft, Wasser und anderen Fluiden.
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Strömungsmesser oder Anemometer
verschiedener Typen werden häufig
in der Meteorologie eingesetzt, sind aber mit einem oder mehreren
aus einer großen
Zahl von Nachteilen behaftet, wie z. B.: Anwesenheit beweglicher
Teile in mechanischen Typen, langsame und ungenaue Antwort, Empfindlichkeit
gegenüber
Temperatur- und Druckvariationen, Wartungsaufwand, komplexer Aufbau,
Verlust relativ großer
Energiemengen, Entstehung zu großer Störungen im Fluidstrom, geringe
Sensitivität
bei niedrigen Geschwindigkeiten und ein äußerst stark beschränkter Höchstgeschwindigkeitsbereich.
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Ein bekanntes Anemometer ist beispielsweise
in der GB-A-2,140,160
beschrieben und hat ein Paar beabstandeter paralleler Platten, zwischen
denen das Fluid strömt,
wobei eine in Fluidströmungsrichtung
verlaufende Stehwelle zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit verwendet
wird.
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Gemäß Patent Abstracts of Japan,
Bd. 007, Nr. 274, und der JP 58151564A wird die Strömung in einem
Rohr gemessen und eine- Stehwelle quer zum Rohr und eine Wanderwelle
entlang des Rohrs verwendet, aber die Stehwelle hat keine Resonanzeigenfrequenz.
Die EPA 0601475 ist ähnlich,
verwendet jedoch eine Querwanderwelle anstatt einer Stehwelle und
misst die Strömung
auf andere Weise.
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Gemäß der DE 4,335,394A wird die
Strömung
wiederum in einem Rohr gemessen, und es werden zwei zur Strömungsrichtung
hin geneigte akustische Stehwellen verwendet, und gemäß Patent Abstracts
of Japan A-60-166821 wird die Strömung in einem Rohr mit dem
Doppler-Effekt gemessen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Strömungsmesser
bereitzustellen, der wenigstens einige dieser Nachteile abstellt
oder mildert.
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Ausgestaltungen der vorliegenden
Erfindung arbeiten mit sehr hohen und sehr niedrigen Luftgeschwindigkeiten,
sind sowohl schnell als auch genau, bleiben durch Änderungen
von Lufttemperatur und -druck praktisch unbeeinflusst, sind einfach
im Aufbau und besitzen keine beweglichen Teile, haben einen geringen
oder keinen periodischen Wartungsaufwand, minimale Leistungsverluste,
verursachen nur eine vernachlässigbare
Störung
des zu messenden Fluids, arbeiten unter extremen klimatischen Bedingungen
und können
auch mit anderen Fluiden als Luft verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen Strömungsmesser
zum Messen der Geschwindigkeit eines Fluidstroms bereit, umfassend
einen Schallresonanzkörper
(1), der in der Richtung des Fluidstroms offen und zwischen
einem Paar Reflektoren definiert ist, und wenigstens zwei elektroakustische
Aufnehmer (5) zum Konvertieren elektrischer Signale in akustische
Signale oder umgekehrt und zum Erzeugen einer akustischen Stehwelle
mit einer akustischen Eigenfrequenz in dem Körper, und eine Elektronikeinheit,
die die Geschwindigkeit des Schalls erfasst, um die akustische Resonanz
durch Ändern
der Frequenz des akustischen Signals aufrechtzuerhalten, und die
die elektrischen Signale verarbeitet, um die Geschwindigkeit des
Fluidstroms innerhalb des Schallkörpers abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass
die akustische Stehwelle lotrecht zur Richtung des Fluidstroms in
dem Körper
verläuft,
dass eine Wanderwelle lotrecht zu der Stehwelle vorhanden ist, und
dadurch, dass von der Elektronikeinheit verarbeitete Signale von
der Wanderwelle und der Stehwelle abgeleitet werden, und ferner
gekennzeichnet durch Mittel zum Messen der Zeitverzögerung oder Phasenverschiebung
zwischen dem Erregen des einen Aufnehmers und der Reaktion des anderen
Aufnehmers, Messen der Zeitverzögerung
oder Phasenverschiebung zwischen dem Erregen des anderen Aufnehmers
und der Reaktion des einen Aufnehmers, und Vergleichen der gemessenen
Zeitverzögerungen
oder Phasenverschiebungen, um die Geschwindigkeit des Fluidstroms
in dem Schallkörper abzuleiten.
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Das Gerät kann die Signale zum Ableiten
der Fluidströmungsrichtung
verarbeiten.
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Die Aufnehmer können in einer Ebene parallel
zur Fluidströmungsrichtung
montiert werden.
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Der Strömungsmesser beinhaltet vorzugsweise
ein Gehäuse
für die
Elektronikeinheit und eine Tragsäule,
die sich zwischen dem Schallresonanzkörper und dem Gehäuse der
Elektronikeinheit befindet.
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Die vorliegende Erfindung stellt
auch ein Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit eines Fluidstroms
bereit, umfassend das Erregen von einem aus einem Paar elektroakustischer
Aufnehmer in einem Schallresonanzkörper (1), der in der
Richtung des Fluidstroms offen und zwischen einem Paar Reflektoren
(2, 3) definiert ist, um in dem Körper (1)
eine akustische Stehwelle mit einer akustischen Eigenfrequenz zu
erzeugen, und Erfassen der Geschwindigkeit von Schall, um die akustische
Stehwelle durch Ändern
der Frequenz des akustischen Signals aufrechtzuerhalten, dadurch
gekennzeichnet, dass die Stehwelle lotrecht zur Richtung des Fluidstroms
in dem Körper
verläuft
und dass eine Wanderwelle lotrecht zu der Stehwelle vorhanden ist,
und ferner gekennzeichnet durch Messen der Zeitverzögerung oder
Phasenverschiebung zwischen dem Erregen des einen Aufnehmers und
der Reaktion des anderen Aufnehmers, Erregen des anderen Aufnehmers
und Messen der Zeitverzögerung
oder Phasenverschiebung zwischen dem Erregen des anderen Aufnehmers
und der Reaktion des einen Aufnehmers, und Vergleichen der gemessenen
Zeitverzögerungen oder
Phasenverschiebungen, um die Geschwindigkeit des Fluidstroms in
dem Schallkörper
abzuleiten.
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Eine Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die
Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
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1 einen
vertikalen Abschnitt eines Anemometers gemäß der vorliegenden Erfindung
zum Messen der Geschwindigkeit eines Luftstroms;
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2 einen
horizontalen Schnitt durch das Anemometer von 1, der den Ort von Aufnehmern in einem
Schallresonanzkörper
zeigt;
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3 einen
horizontalen Schnitt ähnlich 2, aber von einer modifizierten
Ausgestaltung mit drei Aufnehmern in einer Dreiecksformation; und
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4 einen
vertikalen Schnitt, der einen modifizierten Schallresonanzkörper mit
eingeengter Luftpassage für
die Verwendung bei hohen Luftgeschwindigkeiten zeigt.
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Wie in 1 gezeigt,
umfasst das Anemometer einen Schallresonanzkörper 1, der zwischen einem
oberen Reflektor 2 und einem unteren Reflektor 3 ausgebildet
ist. Das Paar Reflektoren ist in den 1 und 2 als kreisförmige Platten
gleicher Größe dargestellt,
aber es sind auch andere Formen und ungleiche Größen zulässig. Das Paar Reflektoren 2 und 3 wird
von Abstandshaltern 4 zusammengehalten, in dieser Ausgestaltung
von 4 Stäben,
aber auch hier sind andere Konfigurationen möglich.
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Der Schallresonanzkörper 1 hat
die Aufgabe, eine akustische Stehwelle in einer Richtung lotrecht zur
Luftströmungsrichtung
zu tragen, d. h. vertikal wie in 1 gezeigt,
und Wanderwellen in der/den Richtung (en) entlang des Luftstroms
zu tragen, d. h. horizontal wie in 1 gezeigt.
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Es ist zu bemerken, dass die Resonanzfrequenz
zum Tragen der Stehwelle von der Frequenz des akustischen Signals,
der Schallgeschwindigkeit und dem Abstand zwischen den Reflektoren 2 und 3 abhängig ist,
der ein ganzzahliges Vielfaches von Halbwellenlängen sein muss. Die Größe der Reflektoren
ist nicht wesentlich, und die Resonanzfrequenz ist jenseits einer
Mindestgröße, die
zum Aufnehmen des akustischen Signals notwendig ist, von der Größe der Reflektoren
unabhängig,
so dass das Anemometer unter Beibehaltung seiner aerodynamischen Effizienz
kompakt aufgebaut sein kann.
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Innerhalb des Schallresonanzkörpers 1 werden
Schallwellen erzeugt und von einer Anzahl, in dieser Ausgestaltung
vier, elektroakustischer Aufnehmer 5 empfangen. Die Aufnehmer 5 können von einem
beliebigen bekannten Typ sein, wie z. B. piezoelektrisch, induktiv
oder elektrostatisch, und haben die Aufgabe, elektrische Signale
in akustische Signale umzuwandeln und umgekehrt.
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Während
des Betriebs empfängt
ein beliebiger der Aufnehmer 5 ein elektrisches Signal,
das von der Elektronikeinheit (nicht dargestellt) erzeugt wird, und
erregt ein proportionales akustisches Signal; durch die Wirkung
des Schallresonanzkörpers 1 wird das
akustische Signal auf die anderen Aufnehmer 5 aufgedrückt, die
das akustische Signal empfangen und proportionale elektrische Signale
erzeugen, die wiederum zur Verarbeitung zurück zur Elektronikeinheit gespeist
werden.
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Bei der Fortpflanzung von einem Aufnehmer A
zu einem anderen Aufnehmer B erfahren das akustische Signal und
sein elektrisches Signalderivat eine Zeitverzögerung (und eine äquivalente
Phasenverschiebung), die sich auf die Schallgeschwindigkeit in dem
Medium und den Nettoabstand zwischen dem Sendeaufnehmer A und dem
Empfangsaufnehmer B bezieht. In ruhender Luft wird eine identische
Zeitverzögerung
dann gemessen, wenn die Richtung der Signalübertragung umgekehrt wird,
d.h. von Aufnehmer B zu A, da (a) die von dem Signal zurückgelegte Entfernung
und (b) die Schallgeschwindigkeit gleich bleiben, unabhängig davon,
ob das Signal von A zu B oder umgekehrt übertragen wird.
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Wenn sich die Luft andererseits beispielsweise
von A nach B mit einer bestimmten Geschwindigkeit v bewegt, dann
erhöht
sich auch proportional die Nettogeschwindigkeit des Schalls in der
Richtung von A nach B; umgekehrt nimmt die Schallgeschwindigkeit
in der Richtung von B nach A proportional ab. Demzufolge erfasst
die Elektronikeinheit, die die Zeitverzögerung – oder äquivalent die Phasenverschiebung – misst,
eine Differenz der Zeitverzögerung (und
Phasenverschiebung), wenn die Richtung des Signals umgekehrt wird.
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Die Größe der Zeitverzögerung und
der resultierenden Phasenverschiebung wird auf die Geschwindigkeit
der Luft entlang der Verbindungslinie zwischen dem Paar Aufnehmer
bezogen. Unter Verwendung eines zweites Paares, dessen Verbindungslinie
in einer anderen Richtung liegt, lässt sich die Geschwindigkeit
in einer zweiten Richtung ermitteln.
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Es reicht gewöhnlich aus, die Luftgeschwindigkeit
in nur zwei Richtungen zu kennen, da die Geschwindigkeit in anderen
Richtungen anhand von mathematischen Formeln abgeleitet werden kann, aber
es können
zur Verbesserung der Genauigkeit auch mehr als zwei Paare verwendet
werden. So können
beispielsweise in 3 nur
drei Aufnehmer in einer Dreiecksformation eingesetzt werden, und durch
Gruppieren von jeweils zwei Aufnehmern können drei Paare gebildet werden,
die die Geschwindigkeit von Luft in den Richtungen der Seiten des
Dreiecks erfassen.
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In der Richtung lotrecht zur Luftbewegung
(in 1 als vertikale
Richtung angezeigt) trägt
der Schallresonanzkörper 1 eine
akustische Stehwelle. Durch die Wirkung des Schallresonanzkörpers 1 kann
diese Stehwelle in einer beliebigen signifikanten Größe vorliegen,
wenn, und auch nur dann, die Frequenz des akustischen Signals (und
des proportionalen elektrischen Signals) zu einem Satz von getrennten
Frequenzwerten gehört,
die als Eigenfrequenzen bekannt sind.
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Die Eigenfrequenzwerte sind a) von
den physikalischen Abmessungen, von Aufbau und Zusammensetzung des
Schallresonanzkörpers 1 und
seiner Grenzen, und b) von der Schallgeschwindigkeit in Luft abhängig. Aufgrund
der physikalischen Grenzen des Schallresonanzkörpers 1 ist die Luftgeschwindigkeit
in der Richtung der Stehwelle praktisch null, und das Verhalten
der Stehwelle wird durch die Luftbewegung nicht beeinflusst. Da
jedoch die Schallgeschwindigkeit in Luft durch Umweltveränderungen (hauptsächlich von
der Temperatur) beeinflusst wird, ändern sich entpsrechend die
Eigenfrequenzen oder zulässigen
Betriebsfrequenzen.
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Beim Betrieb erfasst die Elektronikeinheit jede Änderung
der Schallgeschwindigkeit aufgrund von Umweltfaktoren, und diese Änderungen äußern sich
durch einen Verlust im Hinblick auf Signalamplitude und -phase,
und ergreift Korrekturmaßnahmen, um
zu gewährleisten,
dass der Schallresonanzkörper 1 abgestimmt
bleibt. Die Abstimmaktion kann praktischerweise durch Ändern der
Betriebsfrequenz erfolgen.
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Diese letzte Aktion der Elektronikschaltung ist
damit äquivalent,
dass eine feste Betriebswellenlänge
in der vertikalen Richtung gehalten wird (in der Richtung der Stehwellencharakteristik),
die auch die Richtung mit null Luftgeschwindigkeit ist. Unter diesen
Bedingungen kann die Anzeige des Anemometers für Umweltveränderungen unempfindlich gemacht
werden.
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Aus einer beliebigen Richtung in
der horizontalen Ebene in den Körper
eintretende Luft erfährt
jedoch keine Behinderung außer
der dünnen
Wand des oberen Reflektors 2 und des unteren Reflektors 3.
Ebenso erfährt
innerhalb des Körpers
wandernde Luft keine signifikante Behinderung, und somit ist die Anemometeranzeige
von Luftgeschwindigkeit und -richtung wirklich repräsentativ.
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Außerdem kann durch Beabstanden
des oberen Reflektors 2 oder des unteren Reflektors 3 oder
beider Reflektoren die Passage von Luft auf symmetrische Weise beschränkt werden,
wodurch die Richtungsanzeige nicht gestört wird, aber die Sensitivität im Sinne
der Geschwindigkeit reduziert wird, so dass das Anemometer äußerst hohe
Luftgeschwindigkeiten bewältigen
kann. 4 zeigt einen modifizierten
Schallresonanzkörper
mit einem gestalteten oberen Reflektor 2, der die Passage
von Luft symmetrisch in allen horizontalen Richtungen einschränkt und
für den
Betrieb bei hohen Luftgeschwindigkeiten geeignet ist. Auch das Gegenteil
trifft zu, und durch Öffnen
des Eingangs des Körpers
kann die Sensitivität
erhöht
werden.
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Die Grundausführung des Anemometers der zuvor
beschriebenen Ausgestaltungen misst Luftströmung in der horizontalen oder
xy-Richtung, aber durch einfache Modifikationen ist es möglich, ein dreiachsiges
Anemometer herzustellen, das Luftströmung auch in der vertikalen
oder z-Richtung messen kann. Wenn ein oder mehrere sekundäre Reflektoren in
den Resonanzkörper
eingesetzt und von den Primärreflektoren 2 und 3 beabstandet
wird bzw. werden, dann kann der Körper so hergestellt werden, dass
er bei mehr als einer Frequenz resoniert. Die neuen Resonanzen werden
mit verschiedenen akustischen Feldverteilungen oder Eigenfunktionen
assoziiert.
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Wie in 1 gezeigt,
wird ein sekundärer Reflektor 8 in
der Form einer kleinen kreisförmigen Platte
an einem Bolzen 9 am oberen Reflektor 2 aufgehängt, aber
es sind auch andere Konfigurationen möglich. Diese Anordnung ergibt
ein Paar getrennter Resonanzfrequenzen. Eine Frequenz ist primär mit dem
Raum zwischen dem unteren Reflektor 3 und dem oberen Reflektor 2 assoziiert,
während
die zweite Frequenz primär
mit dem Raum zwischen dem unteren Reflektor 3 und dem sekundären Reflektor 8 assoziiert
ist.
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Beim Betrieb erregt die Elektronikeinheit eine
akustische Welle mit einer ersten Resonanzfrequenz F1 und misst
den durchschnittlichen Luftstrom in dem mit dieser Frequenz assoziierten
Körperraum. Die
Elektronikeinheit erregt auch eine akustische Welle mit der zweiten
Resonanzfrequenz F2 und misst den durchschnittlichen Luftstrom in
dem mit der zweiten Resonanzfrequenz assoziierten Körperraum.
In der Praxis können
diese beiden Messungen gleichzeitig durch gemeinsames Erregen der
beiden Resonanzen durchgeführt
werden.
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Wenn der Luftstrom parallel zur Ebene
der Reflektoren verläuft,
dann wird der neue gleichförmige
Luftstrom im gesamten Körpervolumen
erhalten, und die Messungen bei F1 und F2 stimmen überein. Wenn
die Luftströmungsrichtung
in einem Winkel zur Ebene der Reflektoren geneigt ist, dann entsteht
eine ungleichförmige
Verteilung aufgrund der Dynamik des Luftstroms in Anwesenheit des
Anemometergehäuses,
und die Messungen bei F1 und F2 werden um einen Betrag ungleich,
der unter anderem vom Neigungswinkel abhängig ist. Die Elektronikeinheit kann
den gewünschten
Neigungswinkel anhand der Kenntnis der beiden Messwerte bei F1 und
F2 ableiten.
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Ein Anemometer dieses Typs kann gleichzeitig
Luftgeschwindigkeit und Azimutrichtung messen, wie zuvor erläutert, und
kann mit Hilfe des/der sekundären
Reflektors/Reflektoren die Neigung des Luftstroms relativ zu den
Reflektoren messen und gleichzeitig die Körperreaktion überwachen
und die Messwerte gegenüber
Umgebungsveränderungen
kompensieren.
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In einer anderen Anwendung der Erfindung können die
akustische Feldverteilung einer Wanderwelle in der Fluidströmungsrichtung
und eine Stehwelle lotrecht zur Strömungsrichtung auf Fluide angewendet
werden, die innerhalb von Rohren fließen, um die Strömungsmenge
zu messen. Normalerweise werden zwei Aufnehmer verwendet, und diese
werden an der Wand des Rohrs in einem bestimmten Abstand entlang
der Länge
des Rohrs befestigt. Die Wand des Rohrs wirkt auf dieselbe Weise
wie die Reflektoranordnung von 1,
aber ansonsten erfolgt die Messung von Fluidgeschwindigkeit und
Kompensation im Wesentlichen wie zuvor beschrieben.