DE9307074U1 - Anemometer - Google Patents
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Description
BeschreibungDescription
Die Erfindung bezieht sich auf ein Anemometer zur Ermittlung des Betrags und der Richtung der Strömung in einem gasförmigen Fluid.The invention relates to an anemometer for determining the amount and direction of flow in a gaseous fluid.
Derartige Anemometer werden insbesondere zur Ermittlung der Windrichtung und - geschwindigkeit in der Schiffahrt, der Wetterbeobachtung, bei Sportveranstaltungen und zu ähnlichen Zwecken eingesetzt.Such anemometers are used in particular to determine wind direction and speed in shipping, weather observation, at sporting events and for similar purposes.
Bekannte Einrichtungen zur Windmessung sind Flügelrad- bzw. Schalenkreuzanemometer und Turbinenzähler.Well-known devices for measuring wind are vane anemometers and turbine meters.
Weiterhin sind Sonden bekannt, deren kugel- oder kegelförmiger Sondenkörper eine Vielzahl von jeweils mit einem Druckfühler versehenen Sacklöcher aufweist.Furthermore, probes are known whose spherical or conical probe body has a plurality of blind holes, each provided with a pressure sensor.
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.Another well-known measuring arrangement is the thermal anemometer with a ball probe. In this arrangement, the surface of a ball is provided with several temperature-dependent resistors to determine the wind speed and direction.
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 ändernder Widerstand des Drahtes oder aus derAnother well-known measuring arrangement is the hot-wire and hot-film anemometer. Thin hot wires are arranged in a shaft, whereby a signal dependent on the wind speed is generated either from the resistance of the wire, which changes with the temperature of the wire, or from the
Menge an zur Konstanthaltung der Temperatur des Drahtes zuzuführender Energie gewonnen wird.Amount of energy required to keep the temperature of the wire constant is obtained.
Andere bekannte Anordnungen beruhen auf der Laser-Doppler oder der Ultraschallmeßtechnik.Other known arrangements are based on laser Doppler or ultrasound measurement technology.
Jede einzelne dieser Meßanordnungen zeichnet sich durch ganz spezifische Vor- und Nachteile aus.Each of these measuring arrangements is characterized by very specific advantages and disadvantages.
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 störender Einflüssen aus der Umgebung ist.The object of the invention is to provide an anemometer for determining wind speed and wind direction, which covers a large measuring range with a high measuring accuracy and is insensitive to disturbing influences from the environment.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.This object is solved by the features in claim 1.
Durch die Anordnung der Strömungsfühler in mehreren relativ langen winklig zueinander in einem Sondenkörper ausgebildeter Durchströmungskanäle werden die Strömungsfühler wirkungsvoll von äußeren den Meßvorgang störender Einflüsse, wie beispielsweise Sonneneinstrahlung, Spritzwasser und Verschmutzung geschützt. Damit kann die Meßanordnung bei einem relativ großem Meßbereich immer genau funktionieren.By arranging the flow sensors in several relatively long flow channels formed at an angle to one another in a probe body, the flow sensors are effectively protected from external influences that could disrupt the measuring process, such as sunlight, splash water and dirt. This means that the measuring arrangement can always function precisely over a relatively large measuring range.
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.According to an advantageous development of the invention according to claim 5, the flow sensors are arranged in a middle section of a flow channel that is raised by a loop. This effectively prevents splash water and other dirt such as dust from reaching the flow sensor.
Das Vordringen von Wasser und Staub wird weiterhin verhindert indem entsprechend Anspruch 9 bis 11 oberhalb und unterhalb der Öffnungen jeweils eine abschirmenden Krempe vorgesehen wird. Eine ähnlich Wirkung wird erreicht, indem entsprechendThe penetration of water and dust is further prevented by providing a shielding brim above and below the openings in accordance with claims 9 to 11. A similar effect is achieved by
Anspruch 9 die Öffnungen mit einer kegeligen Ansenkung versehen werden.Claim 9 the openings are provided with a conical countersink.
Für den Fall, daß bereits Spritzwasser in die Durchströinungskanäle eingedrungen ist, kann dieses auf vorteilhafte Weise entsprechend der in Anspruch 6 dargestellten Heizeinrichtung während einer Meßpause auf vorteilhafte Weise schnell verdampft werden.In the event that splash water has already penetrated into the flow channels, this can advantageously be quickly evaporated during a measurement break in accordance with the heating device shown in claim 6.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 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.According to an advantageous development of the invention according to claims 12 and 18, the measuring range with regard to the determination of the wind speed can be easily expanded by attaching nozzles or apertures that reduce the opening cross-section of the flow channels, and thus a large measuring range can be covered while maintaining a high level of measuring accuracy.
Gemäß Anspruch 7 und 16 kann bei Vorsehen von mindestens einem dritten mit einem Strömungsfühler ausgestatteten Durchströmungskanal die Anordnung auch zum Erfassen dreidimensionaler Strömungen eingesetzt werden.According to claims 7 and 16, if at least one third flow channel equipped with a flow sensor is provided, the arrangement can also be used to detect three-dimensional flows.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the remaining subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using preferred embodiments with reference to the drawings.
Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Anemometers.Fig. 1 shows a side sectional view of the preferred embodiment of the anemometer.
Fig. 2 zeigt eine teilweise Schnittansicht von oben auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Anemometers längs der DurchströmungskanäleFig. 2 shows a partial sectional view from above of the preferred embodiment of the anemometer along the flow channels
Fig. 3 zeigt in einer seitlichen Ansicht eine abgeänderte Gestaltung des Sondenkörpers des in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels.Fig. 3 shows a side view of a modified design of the probe body of the embodiment shown in Figs. 1 and 2.
Fig. 4 zeigt in einer seitlichen Schnittansicht eine abgeänderte Gestaltung der Durchströmungskanäle des in Fig. und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels.Fig. 4 shows a side sectional view of a modified design of the flow channels of the embodiment shown in Fig. and 2.
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, mittels dem ein Signal bezüglich der im Durchströmungskanal herrschenden Strömungsgeschwindigkeit gewinnbar ist.According to Fig. 1 and 2, an anemometer has a probe body 2 in the form of a ball, which is mounted on a bracket 1. Two flow channels 3 with an essentially circular cross-sectional area, arranged in a common horizontal plane and at right angles to one another, extend through the probe body 2. In the middle section 3c of each flow channel 3, a flow sensor 4 is arranged through which the measuring fluid can flow, by means of which a signal can be obtained regarding the flow velocity prevailing in the flow channel.
Die Länge eines jeden Durchströmungskanals 3 ist um ein vielfaches größer als der Betrag seines Durchmessers. 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 Durchströraungskanal 3 unter einem Winkel zwischen 3° bis 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 derartThe length of each flow channel 3 is many times greater than the amount of its diameter. Each flow channel 3 has two openings 5 through which the fluid in which the probe body 2 of the anemometer is located can enter or exit depending on the direction of flow. Close to an opening 5, a flow channel 3 has a horizontal section 3a, which is followed by a bend that diverts the flow channel 3 at an angle of between 3° and 10° to the horizontal in a substantially vertical direction and thus forms a section 3b that is inclined upwards. After another bend, the middle section 3c, which is also arranged horizontally, follows. A flow channel 3 is designed symmetrically with respect to the vertical central axis of the sensor body 2 and forms a loop upwards through the two inclined sections 3b adjoining the central section 3c. The flow channels 3 are designed in such a way
angeordnet, daß sie sich innerhalb des Sondenkörpers 2 nicht schneiden, sonder 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.arranged so that they do not intersect within the probe body 2, but are guided past one another, whereby the openings 5 lie in a common horizontal plane 6. In the spherical probe body 2, this plane is preferably the plane running horizontally through the center of the sphere.
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 ein in den Durchströmungskanal 3 eingedrungenes Wasser oder dergleichen auf schnelle Weise zu verdampfen. Während der Betätigung der Heizeinrictung 7 wird der Meßvorgang unterbrochen, bzw. die Meßwerte nicht ausgewertet, da sie durch die Wärmeeinwirkung der Heizung unter Umständen verfälscht werden.The outer surface of the inclined section 3b or first horizontal section 3a of a flow channel 3 is provided with a heating device 7 so that the flow channel 3 can be heated near each opening 5. This heating device 7 can be designed as an electrical heating element, for example. By means of the heating device 7 it is possible to quickly evaporate water or the like that has penetrated into the flow channel 3. During the operation of the heating device 7 the measuring process is interrupted or the measured values are not evaluated, since they may be distorted by the heat from the heater.
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 sog. 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 ändernder Widerstand oder aus der Menge an zur Konstanthaltung der Temperatur des Drahtes zuzuführender Energie gewonnen werden.All known sensors suitable for detecting a flow rate prevailing in a gaseous fluid can be used as flow sensors 4, which can obtain a signal while the fluid is flowing through. In particular, so-called hot wire elements are used as flow sensors 4, which are arranged transversely to the flow. A signal dependent on the wind speed can be obtained either from the resistance changing with the temperature of the wire or from the amount of energy that has to be supplied to keep the temperature of the wire constant.
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 zurOn the outside of the probe body 2, above and below the openings 5, ring-shaped rims 8 are arranged, tapering at the outer edge, which protect the openings 5 against the ingress of dirt and splash water. The side of a rim 8 facing the openings 5 is designed as a
Ebene 6 parallel angeordnete Fläche ausgebildet. Die Krempen 8 stehen derart am Umfang des Sondenkörpers hervor, daß ein
Abschirmwinkel <S bezüglich der horizontalen Ebene 6 von
bevorzugt &dgr; = 45° ausbildet wird.The flanges 8 protrude from the periphery of the probe body in such a way that a shielding angle <S with respect to the horizontal plane 6 of
preferably δ = 45° is formed.
Die Oberfläche des Sensorkörpers 2 und der Krempen 8 ist 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.The surface of the sensor body 2 and the brims 8 is coated with a coating that reflects heat radiation well.
The flow channels 3 are inside the
Sensor body 2 is thermally insulated. These measures ensure that the measurement result of the anemometer is only slightly influenced by thermal radiation.
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 der Anemometer in der Lage sowohl sehr kleine als auch sehr große
Windgeschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit zu ermitteln.To set a larger measuring range, the
Openings 5 by installing nozzles or orifices (not
shown) are reduced in their cross-sectional area. All openings 5 are provided with the same nozzle or aperture. In this way, the anemometer is able to measure both very small and very large
To determine wind speeds with high accuracy.
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.The signals obtained from the flow sensors 4 are
by means of suitable cables through the console 1 of a
Evaluation and display device (not shown)
which is able to convert these signals into
Flow velocity of the fluid surrounding the probe body 2
Fluids according to amount and direction. For this purpose, the evaluation and display device with
Equipped with amplification, compensation and calculation devices.
Die Kompensationseinrichtung ist in der Lage eine sich im
Sensorkörper 2 ändernde Temperatur, eine sich ändernde
Umgebungstemperatur und ein sich ändernderThe compensation device is able to compensate for a
Sensor body 2 changing temperature, a changing
Ambient temperature and a changing
Feuchtigkeitsgehalt des zu messenden Fluids, derart bei der Ermittlung des Geschwindigkeitswerts nach Betrag und Richtung zu berücksichtigen, daß Ihr Einfluß auf das Meßergebis nahezu eliminiert ist.Moisture content of the fluid to be measured must be taken into account when determining the velocity value in terms of magnitude and direction so that its influence on the measurement result is almost eliminated.
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.The determination and display device can determine the measurement result in the form of an average value with respect to a predetermined period of time. Furthermore, the determination and display device is able to determine and display the measurement result taking into account the apertures or nozzles used to change the measuring range.
Wird der Anemometer bei Sportveranstaltungen eingesetzt, so kann zur Mittelwertbildung während eines Wettkampfs die Ermittlungs- und Anzeigeeinrichtung mit der Starteinrichtung gekoppelt sein.If the anemometer is used at sporting events, the determination and display device can be coupled to the starting device to calculate the average value during a competition.
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.The design of the anemometer shown in Fig. 1 and 2 can determine the horizontal directional components of the fluid to be measured. By providing one or more additional flow channels that are arranged in a twisted manner from the horizontal, the design according to Fig. 1 and 2 can be expanded to measure three-dimensional flows.
Gemäß 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.According to Fig. 3, a further embodiment is shown, which differs from the embodiment described above only in the design of the outer shape of the probe body. The probe body 2 is designed as a cylinder, which is spherical on the top. The openings 5 are arranged in the plane 6 in a middle section of the cylinder.
Gemäß 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°.According to Fig. 4, a further embodiment is shown which is essentially identical to the embodiments described above. In this embodiment, the openings 5 are provided with a conical countersink, which also serves to shield against splash water and dirt. The conical countersink 9 can be provided instead of the rims 8 or together with the rims 8. The preferred opening angle of the conical countersink is 90°.
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