EP0252100A1 - Sonde und verfahren zum messen fluider strömungen bezüglich richtung und stärke - Google Patents

Sonde und verfahren zum messen fluider strömungen bezüglich richtung und stärke

Info

Publication number
EP0252100A1
EP0252100A1 EP19870900048 EP87900048A EP0252100A1 EP 0252100 A1 EP0252100 A1 EP 0252100A1 EP 19870900048 EP19870900048 EP 19870900048 EP 87900048 A EP87900048 A EP 87900048A EP 0252100 A1 EP0252100 A1 EP 0252100A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
pressure
chambers
chamber
measuring chambers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19870900048
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Sommer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19853543431 external-priority patent/DE3543431C2/de
Priority claimed from DE19863604335 external-priority patent/DE3604335A1/de
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0252100A1 publication Critical patent/EP0252100A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/14—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring differences of pressure in the fluid

Definitions

  • the invention relates to a probe for measuring fluid flows, and a method is specified with which fluid flows can be measured with respect to direction and strength, the probe being usable.
  • the areas of application for flowmeters include all areas in which currents play a role, e.g. meteorology, aviation, shipping, motor vehicles, wind tunnel measurements, etc.
  • the direction of the air flow to and around the missile must be as well as the strength of the flow and thus the speed can be measured.
  • the basic requirement for the flow measuring device is that this measuring device disturbs the flow to be measured as little as possible should.
  • the presence of moving parts in a measuring device is undesirable since the moving parts usually cause particularly strong disturbances in the flow and are generally not free from inertia and hysteresis effects.
  • the measuring probes used to date are based on the principles of the long-known pressure probe for measuring the static pressure, the Pitot tube, with which the sum of the dynamic pressure and static pressure is measured, and the Pitot tube according to Prandtl.
  • This latter pitot tube is essentially a
  • the conventional measuring devices which are based on these principles, have various disadvantages, among other things the angle measuring range is relatively small in the case of pitot tubes. Good measuring accuracy can only be achieved with pitot tubes at blowing angles of up to 10 °. However, if an aircraft slides, for example, in strong air currents, so that a precise knowledge of the flow conditions would be particularly important, then the conventional pitot tubes often fail because they are blown too obliquely. Furthermore, the determination of the static pressure difficult because air movements can falsify a given height compensation, apart from the fact that such height compensations are expensive anyway.
  • the object of the invention is to provide a probe for measuring the direction and / or the strength of a gaseous or liquid flow, which has no moving parts, can be aerodynamically designed so that it does not disturb the flow to be measured itself, and a wide one Has measuring range for the blowing angle / and with which either dynamic pressures can be measured directly without additionally having to determine the static pressure, or with which static pressures themselves can also be measured, if this is desired.
  • the invention is also intended to provide a method with which fluid flows can be measured with respect to direction and strength, it being possible in particular to use the probe according to the invention.
  • a probe which contains two or more measuring chambers with rectangular or slit-shaped openings which (at least with their corner points) are arranged essentially along an arc or along the periphery of a circle, in which, under the influence of Flow in each case can form dynamic pressures, with measuring devices for determining the pressure in the measuring chamber and / or for determining differential pressures between two measuring chambers being provided in a rear region of each measuring chamber, or pressure measuring lines terminating separately or after being combined with other pressure measuring lines from other measuring chambers chambers are led out of the probe.
  • an embodiment of the probe according to the invention which contains four measuring chambers, each of which is designed in the shape of a sector of a circle with acute angles of 45 and is arranged so as to abut one another so that they form a circular sector-shaped disk, and four further measuring chambers of the same type in the same arrangement are perpendicular to the first Four measuring chambers are arranged, the line of intersection running through the axes of symmetry of the two measuring chamber arrangements. Pressure measuring lines from the eight measuring chambers are led out towards the pointed parts of the measuring chambers and are located in a tube, which preferably serves as a holder for the probe.
  • the probe contains at least two measuring chambers which are open to the outside and have the same effective dynamic pressure measuring opening, which are axially symmetrical so that their measuring openings
  • measuring devices for determining the pressures in the measuring chambers and / or the differential pressure between the measuring chambers are provided in the rear parts of the measuring chambers.
  • four measuring chambers are provided, two of which are arranged axially symmetrically opposite one another and the other two likewise axially symmetrically opposite one another are arranged essentially at right angles to the first pair of measuring chambers, all four dynamic pressure measuring openings being equidistant from the common axis of symmetry .
  • the probe has two pairs of measuring chambers crossed at right angles, with which the flow is detected in directions that are perpendicular to one another.
  • this rectangular arrangement for measuring the flow is a preferred embodiment, a different measurement characteristic can be achieved with an arrangement of two pairs of measuring chambers, which are arranged at a different angle, if this should be desired. It should be noted that a third pair of measuring chambers can also be provided at a further angle if other measuring characteristics are desired.
  • each measuring chamber is subdivided into a plurality of subchambers, each of which has an outward-facing dynamic pressure measuring opening, and in each subchamber a measuring device is provided for determining the pressure and / or the differential pressure with respect to the subchamber axially symmetrically opposite it.
  • the probe has a plurality of - at least in the outer part - sector-shaped sub-chambers, which are arranged with their side faces abutting so that the end points of the side faces lie on a circle, and each form two or more sub-chambers a measuring chamber. From these subchambers, the pressure measuring lines are brought together to form a common pressure measuring line which is that of the common measuring chamber.
  • the method for measuring fluid flows with respect to direction and strength according to the invention is characterized in that the pressures are measured in at least two directions of a plane, which are set under the influence of the flow in measuring chambers with dynamic pressure measuring openings which are at fixed angles to one another.
  • the direction of the flow or dynamic pressure components are determined from differences in measured pressure values and / or the total pressure (dynamic pressure plus static pressure) is determined from sums of measured pressure values and / or from measured pressure values which are measured in measuring chambers which are so averted from the direction of flow, that the flow in them does not build up a dynamic pressure, the static pressure is determined and / or the flow velocity is determined by mathematical processing of pressure measurements or differences thereof.
  • the invention also provides a method for measuring the direction and / or the strength of a gaseous or liquid flow, which consists in that the dynamic pressure of the flow is measured in at least one measuring chamber system - which can consist of several subchambers - the second Chamber system with the same effective dynamic pressure opening is axially symmetrical, in which the pressure that arises is also measured as a reference pressure (which serves as a static reference pressure, for example), and the pressure difference determined or measured directly therefrom between the two chamber systems is obtained as a first reference variable , and in a third chamber system rotated by preferably 90 against both the first and the second chamber system with the same effective dynamic pressure opening, to which a fourth chamber system with the same effective dynamic pressure opening lies axially symmetrically, the dynamic pressure is measured and the difference to that in d em four th chamber system measured reference pressure (which serves approximately as a static pressure) is determined or measured directly, which provides a second reference variable, and determines the direction of the flow from the comparison of the two reference variables and / or the strength
  • the first reference variable signal is a sine curve as a function of the incident angle and the second reference variable signal is dependent on the Approach angle in good approximation a cosine curve.
  • the two reference quantity signals can be processed electronically according to the known standardization in an analog computer which analyzes the sine signal and the cosine signal according to size and sign in order to correctly determine the angle of attack.
  • the analog computer preferably forms the arc tan value of the quotient from the sine signal and the cosine signal, which is a direct measure of the incident angle.
  • the two reference variable signals can also be electronically squared and summed individually, a measure of the strength of the flow being obtained. This value is independent of the direction of the flow.
  • FIG. 1 shows a section through a probe according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a section through a probe according to another embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic view of a section through a probe in accordance with yet another embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a section through a probe according to yet another embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a perspective view of the essential components of a probe according to the embodiment shown in FIG. 3,
  • FIG. 6 shows a perspective view of a probe according to the embodiment shown in FIGS. 3 and 5,
  • FIG. 7 shows a schematic illustration to explain yet another embodiment of a probe according to the invention.
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a different measuring chamber arrangement than that shown in FIG. 7,
  • FIG. 10 measurement values obtained with this measuring chamber arrangement
  • FIG. 11 shows a measuring chamber arrangement of a probe according to another embodiment of the invention
  • Figure 12 is a schematic representation of the probe shown in Figure 11 with pressure measuring devices
  • FIG. 13 shows the profile a) of the pressure difference between the two measuring chambers shown in FIG. 12, which supply a sine signal, b) of the pressure difference between the two other measuring chambers shown in FIG. 12, which supply a cosine signal, and c) of the squared and summed pressure difference signals in Dependence on the inflow angle;
  • FIG. 14 measured values in comparison to values theoretically determined by simulation in accordance with the sine curve or cosine curve in FIGS. 13 and
  • Figure 15 is a block diagram of a 360 ° probe for wind measurement.
  • Figure 1 shows the front part of a probe according to the invention in section.
  • Two measuring chambers 1 and 2 with rectangular slot openings are each in.
  • Floor plan shaped like a sector of a circle and are arranged next to each other and with one side wall abutting each other so that their openings lie along an arc.
  • the sectional view shown in Figure 1 corresponds to a section through the measuring chambers 1 and 2 along the longitudinal direction of the slot-shaped openings.
  • the thickness of the measuring chambers, i.e. the expansion perpendicular to the plane of the paper is the same everywhere in the front part of the measuring chambers.
  • the fluid flow impinging on the probe from the front thus meets rectangular or slit-shaped openings.
  • the thickness of the measuring chambers are disk-shaped hollow chambers.
  • Measuring devices for determining the pressure in the measuring chamber and / or for determining the differential pressure between the measuring chambers 1 and 2 are provided in the rear region of the measuring chambers 1 and 2.
  • pressure measuring lines 11, 13 and 12, 14 are shown only schematically, which end in a rear area corresponding to measuring chamber 1 or 2 and are led out of the measuring chamber to the rear.
  • the pressures p 1 which arise under the influence of the impinging flow, in measuring chamber 1 and p 2 in measuring chamber 2 are measured directly, while the pressure measuring lines 13 and 14 are brought together to form a connecting line 15 with which the Pressures p 1 and p 2 resulting pressure is measured.
  • This resulting pressure corresponds to an addition of the pressures p 1 and p 2 at a blowing angle of ⁇ 45 °.
  • the difference is formed, which is a continuous function depending on the blowing angle ⁇ . More precisely, this pressure difference is a measure of the component of the blowing angle, which is created by projecting the blowing direction onto the plane of the measuring chambers. In practice (eg when flying on airplanes) this component would correspond to the vertical or horizontal component of the incident angle, which depends on the position of the measuring probe.
  • the probe shown in FIG. 1 can thus be used to determine the total pressure and the blowing angle for flows which strike from the front in a range of ⁇ 45 °.
  • partitions 21 and 22 are provided which extend a small distance into the interior of the measuring chambers. Such partitions increase the measuring accuracy. The more partition walls are provided within a measuring chamber, the better the measuring accuracy is increased. On the other hand, the provision of too many partition walls can lead to easier soiling of the measuring chamber opening, which then on the other hand falsifies the measurement. In practice, the specialist will find the right number of partitions through testing, depending on the application.
  • FIG. 2 shows a schematic view of a further embodiment of the probe according to the invention in section.
  • the angle measuring range in which the probe can be used is indicated by arrows and is ⁇ 45 °.
  • the fluid flow is referred to as "WIND" in the figure.
  • the probe is a circular disk, from which the measuring chambers 3, 4, 5 and 6 occupy two sector sections.
  • the measuring chambers 3, 4, 5 and 6 are themselves designed in the shape of a sector of a circle and have an acute angle of 45.
  • the chambers 3 and 4 are diametrically opposite to the chambers 5 and 6 and indeed symmetrically to the measuring range of the blowing angle.
  • the pressure is p 1, in the measuring chamber 4, the pressure p 2, p in the measuring chamber 5, the pressure in the measuring chamber 3 and p 6 the pressure.
  • the pressure difference p 1 , p 2 is established in a connecting line 16 by a pressure-related connection of the chambers 3 and 4, while the pressure difference p 3 , p 4 is established in a connecting line 17 by pressure-connecting the chambers 5 and 6.
  • the connecting lines 16 and 17 are brought together in a pressure chamber, in which the pressure difference from the two pressure differences p 1 , p 2 and p 3 , p 4 is accordingly established.
  • a connecting line 18 opens into this pressure chamber, from which the resulting pressure can be tapped.
  • Pressure P stat is when the blowing angle is ⁇ ⁇ 45 °.
  • the static pressure can therefore be measured, which plays an essential role as a barometric pressure when flying.
  • Figure 3 shows yet another embodiment of the probe according to the invention in section.
  • Four sector-shaped measuring chambers 3, 2, 1 and 5, each with an acute angle of 45 °, are arranged so that their slot-like openings lie on a semicircle.
  • the measuring range of this probe includes a blowing angle of ⁇ 45 ° with respect to the axis of symmetry.
  • the effective dynamic pressure area for the flow ie the projection of the area of the chamber openings
  • This effective storage area is therefore the same for all inflow angles within the measuring range.
  • the effective stowage area of the probe thus always remains constant within the permissible blowing angle of ⁇ 45 °
  • the partial pressures p 1 measured in the segment-shaped or circular sector-shaped measuring chambers of 45 ° are obtained in measuring chamber 3, p 2 in measuring chamber 2, p 3 in measuring chamber 1 and p 4 in measuring chamber 5 a constant dynamic pressure as a function of the respective blowing strength of the flow.
  • the total pressure P tot is therefore equal to the sum of the four pressures measured in the measuring chambers 3, 2, 1 and 5.
  • P tot P 1 + P 2 + P3 + P 4 .
  • the dynamic pressure can also be measured directly using another method, in the following way:
  • the flow strikes the probe from the front, it generates pressures in the measuring chambers 3 , 2 , 1 and 5, which have been designated p 1 , p 2 , p 3 and p 4 in the drawing.
  • Each of these partial pressures is made up of static pressure and a dynamic pressure component. If the blowing angle is greater than zero, ie the flow does not coincide with the axis of symmetry of the probe, every dynamic pressure component that is present in p 1 , p 2 , p 3 or p 4 other than the static pressure is different.
  • the pressure p 2 is greater than the pressure p 1 and the pressure pi is greater than p 4 .
  • a pressure difference is obtained which corresponds to the pressure difference of the dynamic pressure components in the chambers 2 and 3.
  • the static pressure stands out during subtraction.
  • the difference p 3 minus p 4 provides the difference of the dynamic pressure components of the measuring chambers 1 and 5.
  • the measuring range is now limited to the blowing angle of ⁇ 22.5 ° to the axis of symmetry of the probe, this is the total dynamic pressure component created by summation p accumulation over the entire measuring range of the probe is proportional to the dynamic pressure, which is the sum of the dynamic pressure components of the pressures p 1 , p 2 , p 3 and p 4 .
  • the limitation to the blowing angle of ⁇ 22.5 ° to the axis of symmetry of the probe is necessary because at larger angles in one of the chambers 3 or 5 no back pressure is built up, so that the corresponding difference p 2 minus p 1 or p 3 minus p 4 would only contain the dynamic pressure component of the pressure p 2 or p 3 .
  • FIG. 4 shows a further improved embodiment of the probe according to the invention in section.
  • six measuring chambers 1, 2, 3, 4, 5 and 6 are provided, each of which is in the form of a sector of a circle with an acute angle of 45 °, and these measuring chambers each abut the adjacent measuring chamber with their side edges, so that the whole Probe covers a sector sector of 270 °.
  • pressure lines are led out of the measuring chambers. These pressure lines run in a tube that also serves as a holder for the probe.
  • the measuring range of the fluid flow is ⁇ 45 ° to the axis of symmetry of the probe.
  • the corresponding pressure p 1 , p 2 , p 3 , p 4 , p 5 and P 6 prevail in the chambers 1 , 2 , 3 , 4 , 5 and 6, respectively.
  • the static pressure P stat can be determined via the measuring chamber pairs 3, 4 and 5, 6 in the same way as has been described in connection with FIG.
  • the differential pressure of the measuring chambers 3 and 4 is merged via the pressure connection line 16 with the differential pressure between the measuring chambers 5 and 6 via the pressure connection line 17, where the differential pressure which arises can be tapped off as a static pressure via the connection line 18.
  • the measuring chambers 1 and 2 serve on the one hand as a storage chamber (pitot tube) and are connected to one another in terms of pressure for this purpose.
  • the connecting line 15 is also led out of the back of the probe.
  • the measuring chambers 1 and 2 serve to determine the inflow angle ⁇ , more precisely, the component of the inflow angle in the plane of the measuring chambers.
  • the pressure lines 11 from the measuring chamber 1 and 12 are led out of the measuring chamber 2 directly from the measuring chambers in order to be able to determine the pressure difference, as has been described in connection with FIG. 1.
  • this embodiment of the probe enables the total pressure, the dynamic pressure, the static pressure and the inflow angle ⁇ to be determined simultaneously with the same probe.
  • the measuring range of the probe with an incident angle of ⁇ 45 ° is extremely large compared to the prior art.
  • the previously described embodiments of the probe according to the invention each comprise only sector-shaped measuring chambers which lie in one plane. With probes of this type, as has already been mentioned several times, only the conditions in one plane, for example the horizontal or vertical plane, can be determined.
  • the for the A particularly advantageous embodiment of the probe according to the invention therefore has, in addition to the disk-shaped measuring chamber arrangement of the first level, a second disk-shaped measuring chamber arrangement which is arranged at right angles to the first measuring chamber arrangement, the line of intersection running through the axes of symmetry of the two disk-shaped measuring chamber arrangements.
  • FIG. 5 A probe of this type for measurement in the spatial blowing angle range is shown schematically in FIG. 5.
  • This probe shown there has an arrangement of four measuring chambers 1, 2, 3 and 5 in the horizontal and in the vertical direction, as shown in section in FIG. 3.
  • the pressures p 1 , p 2 , p 3 and p 4 indicated in FIG. 5 prevail in the measuring chambers 3, 2, 1 and 5, respectively, according to the numbering in FIG. 3.
  • a spatially measuring probe can be obtained in that six measuring chambers 1, 2, 3, 4, 5 and 6, which are designed in the shape of a circular sector and are arranged so as to abut one another, as shown in FIG. 4, with six more measuring chambers of the same type are combined in the same arrangement at right angles to one another, the cutting line running through the axes of symmetry of the two circular sector-shaped disks.
  • the construction corresponds to that of the probe which is shown in FIG. 5, the front part of the probe being formed by a larger spherical cap.
  • Such spatially measuring probes are used in a variety of ways in flight technology. On the one hand, they can be used as pitot tubes like a Pitot tube for measuring aircraft speed. Furthermore, the slip of an aircraft, which plays a strong role in side gliding, can be detected with such probes. It even becomes possible to measure the angle at which an aircraft moves in a slip-like manner, for which purpose the pressure difference measurement p 2 , p 1 , is carried out, and also to measure travel at the same time, which is possible by determining the dynamic pressure.
  • the probe can be held in a fluid flow to be measured, but that it can also be attached to missiles and is thus moved through fluid media. This does not change the measuring principle.
  • the probe according to the invention lies primarily in its. Use as a measuring probe on missiles: It can be used to measure travel without the need to measure static pressure or reference pressure. Until now, it was necessary to perform barometric compensation for every measurement of the dynamic pressure in order to determine the travel (i.e. the speed V). Good devices often have compensation from the altimeter, but an error caused by air currents is always possible and likely.
  • the blowing angle or the angle of the missile stimulating the flow can be measured simply by pressure differences.
  • the measurement of travel (v) and angle ( ⁇ ) is possible in two planes over a large measuring angle. While in the Prandtl pitot tube currently used for aircraft for the measurement of dynamic pressure and static pressure for travel measurement via dynamic pressure, taking into account the static pressure, a measuring angle range of ⁇ 15 ° was available, the probe according to the invention offers a measuring angle range of ⁇ 45 °. In any case, jam nozzles only measure accurately in angular ranges of ⁇ 10 ° high error sources at larger measuring angles.
  • the probe according to the invention can also be used as a measuring probe for barometric or static pressure, ie replace a conventional pressure probe for measuring the static pressure from a rounded tube with ring slots (either the configuration shown in FIG. 2 is used for this, or the pressure in one or more measuring chambers, which are located at the rear end of the measuring probe, opposite to the flow, which is essentially equal to the static pressure).
  • the main application of the probe according to the invention results as an angle and travel meter for aircraft and also for ships and possibly land vehicles.
  • Figure 6 shows a perspective view of a probe according to the invention for spatial measurement, which is housed in a housing with low flow resistance. It has a spherical cap shape on the front.
  • the shape of the housing of the probe must be used be modified accordingly.
  • the holder of the probe must of course be led out of the measuring plane. It is clear to the person skilled in the art that care must be taken to ensure that the flow resistance of the probe against the flow to be measured is low.
  • Figure 7 finally shows schematically the cross section of a circular disk-shaped probe with several circular sector-shaped measuring chambers 1, 3, 5 and 7, which are not butted but arranged with gaps so that their measuring openings are arranged along the periphery of a circle.
  • the pressure p 2, p in the measuring chamber 5 Under the influence of a flow of compressed forms in this probe in the measuring chamber 1 p 1, in the measuring chamber 3, the pressure p 2, p in the measuring chamber 5, the pressure in the measuring chamber 3 and 7, the pressure P 4 from.
  • the pressure differences p 3 minus p 1 and p4 minus P 2 change continuously and thus allow a conclusion to be drawn about the blowing angle during measurement.
  • FIG. 8 shows curves of sizes p 3 minus p 1 obtained by computer simulation; p 4 minus p 2 and the sum of the squares of these quantities.
  • the curves are pure sine or cosine curves, consequently the third curve is a straight line.
  • FIGS. 7 and 8 is intended to show that the design of the probe according to the invention is not only limited to the embodiments described in FIGS. 1 to 4, but that the measuring chamber arrangement can be modified in accordance with the measuring purpose. In this way, the measuring range of the blowing angle, the pressure conditions of interest, etc. can be changed, or the probe can be modified if certain blowing angle ranges are blocked or disturbed.
  • measuring chambers have a plan of a circular sector with an acute angle of 45 °
  • this Principle of operation of the probe is not limited to this shape of the measuring chambers. Rather, measuring chambers can also be used whose front part (ie in the region of the periphery of the circular arc) is sector-shaped, the sector section corresponding to an angle other than 45 °.
  • the rectangular or slit-shaped openings of the measuring chambers can deviate from the circular arc shape, e.g. be straight, but the corner points of the measuring chamber openings lie on a circular arc, so that the sector configuration remains "essentially" preserved.
  • FIG. 9 schematically shows the cross section of a circular disk-shaped probe with a plurality of measuring chamber-shaped measuring chambers 1, 3 and 5, which are not butted but are arranged with gaps such that their measuring openings are arranged along the periphery of a circle.
  • the pressure p 2 and in the measuring chamber 5 Under the influence of a flow of compressed forms in this probe in the measuring chamber 1 p 1, in the measuring chamber 3, the pressure p 2 and in the measuring chamber 5, the pressure p 3 of. If the direction of flow coincides with the axis of symmetry of the probe, the pressure p 2 in the measuring chamber 3 has its maximum. In this case the pressure difference p 3 - p 1 is zero.
  • the change in the pressure p 2 in the measuring chamber 3 as a function of the blowing angle ⁇ has a sinusoidal shape, as can be seen from FIG. 10.
  • the course of the pressure difference is also shown in FIG. p 3 - p 1 depending on the angle of attack.
  • This size is proportional to the velocity v of the flow relative to the probe.
  • the speed (or the "run") can thus be determined without the static pressure having to be determined in any other way.
  • the measuring chamber arrangement of a probe according to the invention shown in FIG. 11 consists of eight partial chambers 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 and 8, of which the partial chambers 1, 2 and 3 form the measuring chamber 31, the partial chambers 3, 4 and 5 form the measuring chamber 32, the partial chambers 5, 6 and 7 form the measuring chamber 33 and the partial chambers 7, 8 and 1 form the measuring chamber 34.
  • the measuring chamber 31 lies axially symmetrically opposite the measuring chamber 33 assigned to it and forms with it a first pair of measuring chambers, to which the pair of measuring chambers formed from the measuring chambers 32 and 34 is arranged at right angles.
  • the partial chambers are each sector-shaped and abut one another with their side faces in such a way that the end points 43 of the equally long side faces lie on a circle.
  • each sub-chamber has an outer opening which is part of a cylinder wall. It should be noted that the opening could also be designed as a straight connection between the end points 43 (the probe plan being a polygon), since the only thing that is important for the measurement is the effective chamber opening, which determines the dynamic pressure caused by the flow to be measured.
  • Measuring devices 44 are provided in a rear part of each partial chamber so that the dynamic pressure measurement is influenced as little as possible. For example, they can each consist of an open tube or an open pressure line, the measuring opening of which is located in the partial chamber, while the other end is guided to a measuring device located outside the probe.
  • the pressure in the sub-chamber which arises under the influence of the flow can also be measured directly in the sub-chamber and passed out of the probe as an electrical signal and further processed there electronically.
  • open pressure lines are provided as measuring devices and are led out of the partial chambers.
  • the pressure lines of the subchambers 1, 2 and 3 are brought together to form a common pressure line 45 which is connected via a measuring device for differential pressures 46 to a pressure line 47, to which the pressure pipes from the subchambers 5, 6 and 7 are brought together.
  • the measuring chamber 31 is connected in terms of pressure to the measuring chamber 33 via the pressure line 45, the measuring device 46 and the pressure line 47.
  • the measuring device 46 consists of a combination of two subminiature NTC resistors, ie a resistance element with negative temperature characteristics, which are arranged one behind the other in the direction of flow. If the dynamic pressure of the pressure line 47 balances itself out via the resistor combination, the flow against the first resistor is cooled more than the other.
  • the resistors are parts of a bridge circuit in which the NTC resistors are used for voltage division, so that the pressure difference between the two measuring chambers 33 and 31 is determined from the changes in resistance.
  • the bridge circuit (referred to in FIG. 12 as "bridge amplifier") delivers a sinusoidal curve as a function of the incident angle. If the pressure difference between the measuring chambers 32 and 34, which are formed from the subchambers 2, 3 and 4 or 7, 8 and 1, is measured at the same time in an analogous manner, the pressure difference signal has a cosine curve as a function of the inflow angle ⁇ .
  • FIG. 14 shows a comparison of this kind theoretically Simulation of determined values with actually measured values practically measured on a model. It can already be seen from FIG. 14 that the measured values can be in good agreement with the theoretically expected values.
  • the model on which the measured values of FIG. 14 were measured was a probe with eight subchambers, as shown in FIG. 11. A higher accuracy and better adjustment to the sinusoidal or cosine-shaped course can be achieved if the number of subchambers is increased.
  • the sensitivity depends on the opening angle of the measuring chamber. If the measuring chambers are subdivided into several subchambers, this means that combining more subchambers, which means an increase in the effective dynamic pressure measuring area, leads to an increase in sensitivity, while combining fewer subchambers to one measuring chamber, which corresponds to a reduction in the effective dynamic pressure measuring area, leads to a reduction in sensitivity.
  • the choice of the total number of subchambers, the choice of how many subchambers are combined to form a measuring chamber, the choice of the opening angle of a measuring chamber, the shape of the dynamic pressure measuring opening, the influence of edge effects of the dynamic pressure measuring opening etc. are determined in practice by the person skilled in the art.
  • FIG. 15 shows a block diagram for a probe according to the invention, which measures wind flows by direction and strength over 360 °.
  • This probe can, for example, also be the probe shown in FIG. 4, completed by two chambers to form a circle, in which the holder is made correspondingly thin or the pressure lines out of the plane of the disc protruding atus of the probe are led out.
  • the measuring chamber arrangement the actual sensor, is located in the wind flow.
  • the pressure measuring lines of the subchambers of each measuring chamber are led out of the sensor as the only pressure line, as shown in FIG. 12 with the reference symbols 45 and 47.
  • the pressure difference between two opposite measuring chambers supplies the sine signal, while the pressure difference between the other two opposite measuring chambers and arranged at right angles to the first pair of measuring chambers provides a cosine signal.
  • the sine signal is input into an operational amplifier sine OP and the cosine signal into an operational amplifier cosine OP.
  • the outputs of these operational amplifiers are connected to the inputs of an analog computer which generates the respective arc tan value of the quotient from the sine signal and the cosine signal and outputs it to a wind direction display device such as a compass.
  • the inflow angle ⁇ can be read directly on the wind direction indicator.
  • the sine signal and the cosine signal are further given to squaring circuits "Sinus 2 " and “Cosinus 2 ", each of which squares the signals, and the outputs of these two squaring circuits are summed in a power amplifier.
  • the resulting output signal is a measure of the wind strength and is independent of the direction.
  • the course of this signal as a function of the incident angle is shown as the third curve in FIG. 13 (curve c).
  • a flow measuring probe which analyzes and measures flows over 360 ° according to direction and strength, as shown in FIG. 15, has many possible uses in shipping, aviation, etc., as can easily be seen from the properties described.
  • a process is used to determine the direction, the static and the dynamic pressure or the speed of a current on the basis of measured values of pressure or of differential presures with the help of a new sensor having measuring chambers provided with rectangular or slot -shaped openings arranged along an arc of a circle or along the periphery of a circle.
  • dynamic pressure may build up in these chambers, which contain measuring instruments to determine the pressure in the measuring chamber and / or the differential pressure between two measuring chambers or pressure measuring ducts arranged in the back portion of each measuring chamber.
  • These pressure measuring ducts leave the sensor separately or together with other pressure measuring ducts coming from other measuring chambers.
  • the sensor is basically built in the form of a disk, and two perpendicular disks or sector-shaped disks arranged at the top of a body exposed to a current help to cover a wide solid angle.
  • Method for determining the direction of a flow, the static pressure, the dynamic pressure or the speed of the flow from measured pressure values or differences from measured pressure values by means of a new probe with measuring chambers with rectangular or slit-shaped openings which essentially lie along an arc or along the periphery of a circle are arranged in which under the influence of the stagnation in each case backpressures can form and the measuring devices contain a rear region of each measuring chamber for determining the pressure in the measuring chamber and / or for determining differential pressures between two measuring chambers or pressure measuring lines, which separate or after merging are led out of the probe with other pressure measuring lines from other measuring chambers.
  • the probe has a disk-shaped base construction, with two rectangular disks or circular sector disks, which are arranged in the dome of a flow body, being able to detect a wide solid angle.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)

Description

Sonde und Verfahren zum Messen fluider Strömungen bezüglich Richtung und Stärke
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 sind bereits viele Meßgeräte zum Messen fluider Strömungen, insbesondere Windmeßgeräte, bekannt. Die Anwendungsgebiete für Strömungsmeßgeräte umfassen dabei alle Gebiete, auf denen Strömungen eine Rolle spielen, z.B. die Meteorologie, die Luftfahrt, die Schiffahrt, Kraftfahrzeuge, Windkanalmessungen usw. 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. Wenn auch die Meßprobleme im einzelnen voneinander verschieden sind, so besteht doch die Grundanforderung an das Strömungsmeßgerät, daß dieses Meßgerät die zu messende Strömung möglichst wenig stö ren soll. Außerdem ist das Vorhandensein bewegter Teile in einer Meßvorrichtung unerwünscht, da die bewegten Teile üblicherweise besonders starke Störungen der Strömung hervorrufen und im allgemeinen nicht frei von Trägheits- und Hysterese-Effekten sind. In dieser Beziehung ergaben sich deshalb bisher vor allem Schwierigkeiten, wenn die Richtung einer Strömung gemessen werden sollte. Wenn andererseits Trägheitsund Hysterese-Effekte bei drehenden Teilen an Strömungsmeßgeräten vermindert werden sollten, mußten die Lagerungen der drehenden Teile verbessert werden, was wiederum entweder zur Erhöhung des Gewichtes der Meßsonde führte oder aber die Meßsonde mechanisch empfindlich gegen Erschütterungen, Stöße, Vibrationen usw. machte. Weder schwere noch mechanisch zu empfindliche Meßsonden sind jedoch im rauhen Betrieb auf Schiffen oder in Flugzeugen einsetzbar.
Die bisher verwendeten Meßsonden beruhen 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. 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. Über die Kenntnis des Staudruckes kann die Geschwindigkeit, also bei Flugzeugen die Fahrt, bestimmt werden.
Die herkömmlichen Meßgeräte, die auf diesen Prinzipien beruhen, weisen verschiedene Nachteile auf, unter anderem ist bei Staurohren der Winkelmeßbereich relativ klein. Gute Meßgenauigkeit 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 wäre, versagen gerade dann oft die herkömmlichen Staurohre, da sie zu schräg angeblasen werden. Weiterhin ist die Bestimmung des statischen Druckes schwierig, weil Luftbewegungen eine vorgegebene Höhenkompensation verfälschen können, abgesehen davon, daß derartige Höhenkompensationen ohnehin aufwendig sind.
Obgleich besonders in der Aeronautik ein starkes Bedürfnis für eine Meßsonde besteht, bei der diese Schwierigkeiten nicht auftreten, gibt es in der Schiffahrt und auf vielen weiteren Gebieten ganz ähnliche Probleme.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sonde zum Messen der Richtung und/oder der Stärke einer gasförmigen oder flüssigen Strömung zu schaffen, die keine bewegten Teile aufweist, strömungsgünstig ausgebildet werden kann, so daß sie die zu messende Strömung selbst wenig stört, und einen breiten Meßbereich für den Anblaswinkel besitzt/undmit der entweder Staudrücke direkt gemessen werden können, ohne daß zusätzlich der statische Druck bestimmt werden muß, oder mit der aber auch statische Drücke selbst gemessen werden können, falls dies gewünscht wird.
Es soll weiterhin durch die Erfindung ein Verfahren angegeben werden, mit dem fluide Strömungen bezüglich Richtung und Stärke vermessen werden können, 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 (zumindest mit ihren Eckpunkten) 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 Meß kammern aus der Sonde herausgeführt sind.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Sonde gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 32 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 vorzugsweise als Halterung der Sonde dient.
In einer" anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Sonde mindestens zwei nach außen offene Meßkammern mit gleicher effektiver Staudruckmeßöffnung, die sich axial-symmetrisch so gegenüberliegen, daß ihre Meßöff
nungen in entgegengesetzte Richtungen weisen, wobei Meßeinrichtungen zum Bestimmen der Drücke in den Meßkammern und/oder des Differenzdruckes zwischen den Meßkammern in den hinteren Teilen der Meßkammern vorgesehen sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind vier Meßkammern vorgesehen, von denen zwei sich axialsymmetrisch gegenüberliegend angeordnet sind und die anderen zwei sich ebenfalls axial-symmetrisch gegenüberliegend im wesentlichen rechtwinklig zu dem ersten Meßkammerpaar angeordnet sind, wobei alle vier Staudruckmeßöffnungen gleichen Abstand von der gemeinsamen Symmetrieachse haben.
Dadurch weist die Sonde zwei rechtwinklig gekreuzte Meßkammerpaare auf, mit denen die Strömung in rechtwinklig aufeinanderstehenden Richtungen erfaßt wird. Obgleich diese rechtwinklige Anordnung zur Erfassung der Strömung eine bevorzugte Ausführungsform ist, kann mit einer Anordnung von zwei Meßkammerpaaren, die unter einem anderen Winkel angeordnet sind, eine andere Meßcharakteristik erzielt werden, wenn dies gewünscht werden sollte. Zu bemerken ist, daß auch noch ein drittes Meßkammerpaar in einem weiteren Winkel vorgesehen werden kann, wenn andere Meßcharakteristiken gewünscht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist jede Meßkammer in mehrere Teilkammern unterteilt, von denen jede eine nach außen weisende Staudruckmeßöffnung besitzt, und in jeder Teilkammer ist eine Meßeinrichtung zum Bestimmen des Druckes und/oder des Differenzdruckes zu der ihr axial-symmetrisch gegenüberliegenden Teilkammer vorgesehen. Es wird insbesondere bevorzugt, daß die Sonde eine Vielzahl von - zu mindest im äußeren Teil - sektorförmigen Teilkammern umfaßt, die mit ihren Seitenflächen aneinanderstoßend so angeordnet sind, daß die Endpunkte der Seitenflächen auf einem Kreis liegen, und jeweils zwei oder mehr Teilkammern eine Meßkammer bilden. Aus diesen Teilkammern sind die Druckmeßleitungen zu einer gemeinsamen Druckmeßleitung zusammengeführt, die diejenige der gemeinsamen Meßkammer ist.
Hierbei ist es möglich, einzelne Teilkammern gleichzeitig zwei benachbarten Meßkammern zuzuordnen, wodurch sich die Meßkammern teilweise überlappen können.
Zu bemerken ist, daß die Anzahl der Teilkammern einen Einfluß auf die Meßgenauigkeit besitzt. Je schmaler die Teilkammern und je mehr Teilkammern somit eine Meßkammer bilden, desto genauer ist das Meßergebnis. Dieser Sachverhalt wird noch später anhand eines Ausführungsbeispiels verdeutlicht.
Gute Meßergebnisse ergeben sich mit der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde, die acht Teilkammern enthält, die zu vier Meßkammern mit je drei Teilkammern zusammengeschlossen sind. Es ist vorteilhaft, diese Sonde in Form einer kreiszylindrischen Scheibe auszubilden, entlang deren äußeren Randes die Meßöffnungen der Teilkammern bzw. der Meßkammern gleichmäßig verteilt sind.
Zu bemerken ist jedoch, daß strömungsmäßig günstigere Abwandlungen der Sonde ebenfalls möglich sind. So kann das Oberteil oder das Unterteil der Sonde beispielsweise zu einer Spitze ausgezogen werden. Für die Meßergebnisse selbst sind jedoch nur die effektiven Staudrucköffnüngen der Meßkammern bzw. Teilkammern maßgebend. Das Verfahren zum Messen fluider Strömungen bezüglich Richtung und Stärke gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens zwei Richtungen einer Ebene die Drükke 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 34 bis 43 angegeben.
Durch die Erfindung wird auch ein Verfahren zum Messen der Richtung und/oder der Stärke einer gasförmigen oder flüssigen Strömung geschaffen, das darin besteht, daß der Staudruck der Strömung in mindestens einem Meßkammersystem - das aus mehreren Teilkammern bestehen kann - gemessen wird, dem ein zweites Kammersystem mit der gleichen effektiven Staudrucköffnung axial-symmetrisch gegenüberliegt, in dem ebenfalls der sich einstellende Druck als Referenzdruck gemessen wird (wobei dieser etwa als statischer Bezugsdruck dient), und die daraus ermittelte oder direkt gemessene Druckdifferenz zwischen den beiden KammerSystemen als eine erste Bezugsgröße gewonnen wird, und in einem um vorzugsweise 90 sowohl gegen das erste als auch gegen das zweite Kammersystem gedrehten dritten Kammersystem mit der gleichen effektiven Staudrucköffnung, dem ein viertes Kammersystem mit der gleichen effektiven Staudrucköffnung axial-symmetrisch gegenüberliegt, der Staudruck gemessen und die Differenz zu dem in dem vier ten Kammersystem gemessenen Referenzdruck (der etwa als statischer Druck dient) ermittelt oder direkt gemessen wird, der eine zweite Bezugsgröße liefert, und die Richtung der Strömung aus dem Vergleich der beiden Bezugsgrößen ermittelt und/oder die Stärke der Strömung aus der Summe der Quadrate der beiden Bezugsgrößen bestimmt wird.
Wenn alle vier Kammersysteme jeweils - zumindest in ihrem äußeren Teil - kreissektorförmig ausgebildet und so angeordnet sind, daß ihre Staudrucköffnungen in einer Ebene auf einem Kreis liegen, ist das erste Bezugsgrößensignal in Abhängigkeit vom Anströmwinkel in guter Näherung eine Sinuskurve und das zweite Bezugsgrößensignal in Abhängigkeit vom Anströmwinkel in guter Näherung eine Kosinuskurve. Die beiden Bezugsgrößensignale können nach an sich bekannter Normierung in einem Analogrechner elektronisch verarbeitet werden, der das. Sinussignal und das Kosinussignal nach Größe und Vorzeichen analysiert, um den Anströmwinkel richtig zu bestimmen. Vorzugsweise bildet der Analogrechner den arc tan-Wert des Quotienten aus dem Sinussignal und dem Kosinussignal, der direkt ein Maß für den Anströmwinkel ist.
Die beiden Bezugsgrößensignale können weiterhin jeweils für sich elektronisch quadriert und summiert werden, wobei ein Maß für die Stärke der Strömung erhalten wird. Dieser Wert ist unabhängig von der Richtung der Strömung. Die Erfindung kann besser durch Ausführungsbeispiele erklärt werden. Es folgt deshalb eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch eine Sonde gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch eine Sonde gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
Figur 3 eine schematische Ansicht eines Schnittes durch eine Sonde gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch eine Sonde gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
Figur 5 eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Bauteile einer Sonde gemäß der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform,
Figur 6 eine perspektivische Ansicht einer Sonde gemäß der in Figur 3 und 5 dargestellten Ausführungsform,
Figur 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung noch einer anderen Ausführungsform einer Sonde gemäß der Erfindung,
Figur 8 Meßwerte in Abhängigkeit vom Anblaswinkel, die mit der Sonde gemäß der Ausführungsform in Figur 7 erhalten werden,
Figur 9 eine schematische Darstellung einer anderen Meßkammeranordnung als der in Figur 7 gezeigten,
Figur 10 mit dieser Meßkammeranordnung erhaltene Meßwerte, Figur 11 eine Meßkammeranordnung einer Sonde gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Figur 12 eine schematische Darstellung der in Figur 11 dargestellten Sonde mit Druckmeßeinrichtungen;
Figur 13 den Verlauf a) der Druckdifferenz zwischen den zwei in Figur 12 dargestellten Meßkammern, die ein Sinussignal liefern, b) der Druckdifferenz zwischen den beiden anderen in Figur 12 dargestellten Meßkammern, die ein Kosinussignal liefern, und c) der quadrierten und summierten Druckdifferenzsignale in Abhängigkeit von dem Anströmwinkel;
Figur 14 Meßwerte im Vergleich zu theoretisch durch Simulation ermittelten Werten entsprechend der Sinuskurve bzw. Kosinuskurve in Figur 13 und
Figur 15 ein Blockschaltbild einer 360°-Sonde für Windmessung.
Figur 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 Figur 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 Figur 1 dargestellten Beispiel sind nur schematisch Druckmeßleitungen 11,13 und 12,14 dargestellt, die in einem hinteren Bereich entsprechend der Meßkammer 1 bzw. 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 p1, in Meßkammer 1 und p2 in Meßkammer 2 direkt gemessen, während die Druckmeßleitungen 13 und 14 zu einer Verbindungsleitung 15 zusammengeführt sind, mit der der aus den Drücken p1 und p2 resultierende Druck gemessen wird. Dieser resultierende Druck entspricht bei einem Anblaswinkel von ± 45° einer Addition der Drücke p1 und p2. Aus den Drücken p1 und p2, 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 Figur 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 Meßkammern 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.
Figur 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 ± 45º. 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 p1, in der Meßkammer 4 der Druck p2, in der Meßkammer 5 der Druck p3 und in der Meßkammer 6 der Druck p4. Durch eine druckmäßige Verbindung der Kammern 3 und 4 stellt sich in einer Verbindungsleitung 16 die Druckdifferenz p1, p2 ein, während sich durch druckmäßige Verbindung der Kammern 5 und 6 in einer Verbindungsleitung 17 die Druckdifferenz p3, p4 einstellt. Die Verbindungsleitungen 16 und 17 sind in einer Druckkammer zusammengeführt, in der sich demgemäß die Druckdifferenz aus den beiden Druckdifferenzen p1, p2 und p3, p4 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 Pstat 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.
Figur 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 Staufläσhe der Sonde immer konstant bleibt, erhält man durch Addition der in den segmentförmigen oder kreissektorförmigen Meßkammern von je 45° gemessenen Teildrücke p1 in Meßkammer 3, p2 in Meßkammer 2, p3 in Meßkammer 1 und p4 in Meßkammer 5 einen konstanten Staudruck in Abhängigkeit von der jeweiligen Anblasstärke der Strömung. Der Gesamtdruck Pges ist also gleich der Summe der gemessenen vier Drücke in den Meßkammern 3,2,1 und 5.
Pges = P1 + P2 + P3 + P4.
Mit der Sonde gemäß Figur 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 α zu bestimmen, wie es im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben wurde. Mit der in Figur 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 p1, p2, p3 und p4 bezeichnet worden sind. Jeder dieser Teildrücke 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 p1 , p2, p3 oder p4 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 p2 größer als der Druck p1 und der Druck pi ist größer als p4. Durch Differenzbildung p2 minus p1 bzw. p3 minus p4 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 p3 minus p4 die Differenz der Staudruckkomponenten der Meßkammern 1 und 5.
Wenn nun die auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltenen Differenzen der Staudruckkomponenten p1 minus p2 und p3 minus p4 addiert werden, wird eine Staudruckkomponente pstau 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 pstau über den gesamten Meßbereich der Sonde proportional zu dem Staudruck, der sich als Summe aus den Staudruckkomponenten der Drücke p1, p2, p3 und p4 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 p2 minus p1 bzw. p3 minus p4 nur noch den Staudruckanteil des Druckes p2 bzw. p3 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.
Figur 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 p1, p2, p3, p4, p5 bzw. P6. über die Meßkammerpaare 3,4 und 5,6 kann auf die gleiche Weise, wie es im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben worden ist, der statische Druck Pstat 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 Druckverbindungsieitung 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 Figur 1 beschrieben worden ist.
Es ist natürlich weiterhin auch möglich, den Gesamtdruck als Summe der Drücke p1, p2, p3 und p5 zu bestimmen, wie es im Zusammenhang mit Figur 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 ümgebungsdruck 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 Figur 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 Figur 3 im Schnitt dargestellt ist. Die in Figur 5 angegebenen Drücke p1, p2, p3 und p4 herrschen in den Meßkammern 3, 2,1 bzw. 5 entsprechend der Numerierung in Figur 3.
Durch die Kombination dieser zwei Meßkammeranordnungen, die entlang ihrer Symmetrieachsen rechtwinklig aufeinanderstellen, 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 Raum winkelbereich zu bestimmen.
In analoger Weise kann eine räumlich messende Sonde dadurch erhalten werden, daß sechs Meßkammern 1,2,3,4,5 und 6, die kreissektorfδrmig ausgebildet sind und aneinanderstoßend so angeordnet sind, wie es in Figur 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 Figur 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 p2, p1, 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 p1 bis p6 in den zwei zueinander rechtwinkligen Ebenen und die Messung von daraus resultierenden Differenzdrücken wird es weiterhin möglich, innerhalb einer gegebenen Strömungsrichtunr Zirkulare und verwirbelte Strömungen zu erfassen. Der dabei erfaßbare 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 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 regen 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 Figur 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.
Figur 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 Figur 4 entspricht oder wenn außerdem die in Figur 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. Figur 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 p1, in der Meßkammer 3 der Druck p2, in der Meßkammer 5 der Druck p3 und in der Meßkammer 7 der Druck P4 aus. Bei einer Änderung des Anblaswinkels um 360° ändern sich die Druckdifferenzen p3 minus p1 und p4 minus P2 stetig und gestatten somit bei Messung einen Rückschluß auf den Anblaswinkel.
Figur 8 zeigt durch Computersimulation erhaltene Kurven der Größen p3 minus p1; p4 minus p2 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 Figuren 7 und 8 soll zeigen, daß die Ausbildung der erfindungsgemäßen Sonde nicht nur auf die in den Figuren 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 blokkiert 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" gewahrt bleibt.
Figur 9 zeigt schematisch den Querschnitt einer kreisscheibenförmigen Sonde mit mehreren kfeissektorförmigen 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 p1, in der Meßkammer 3 der Druck p2 und in der Meßkammer 5 der Druck p3 aus. Wenn die Strömungsrichtung mit der Symmetrieachse der Sonde zusammenfällt, besitzt der Druck p2 in Meßkammer 3 sein Maximum. Die Druckdifferenz p3 - p1 ist in diesem Fall gleich Null.
Die Änderung des Druckes p2 in der Meßkammer 3 in Abhängigkeit vom Anblaswinkel α besitzt einen sinusförmigen Verlauf, wie es aus Figur 10 ersichtlich ist. Ebenfalls in Figur 10 dargestellt ist der Verlauf der Druckdifferenz. p3 - p1 in Abhängigkeit vom Anströmwinkel. Diese Kurven wurden ebenfalls durch Computersimulation erhalten, Die dritte Kurve zeigt den Verlauf der Größe
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 Figur 10 ersichtlich ist. In Figur 10 ist dieser Wert über den Bereich α = 90º 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.
Die in Fig 11 dargestellte Meßkammeranordnung einer Sonde gemäß der Erfindung besteht aus acht Teilkammern 1 , 2, 3, 4 , 5, 6,7 und 8, von denen die Teilkammern 1,2 und 3 die Meßkammer 31 bilden, die Teilkammern 3,4 und 5 die Meßkammer 32 bilden, die Teilkammern 5,6 und 7 die Meßkammer 33 bilden und die Teilkammern 7,8 und 1 die Meßkammer 34 bilden. Die Meßkammer 31 liegt der ihr zugeordneten Meßkammer 33 axial-symmetrisch gegenüber und bildet mit ihr ein erstes Meßkammerpaar, zu dem das aus den Meßkammern 32 und 34 gebildete Meßkammerpaar rechtwinklig angeordnet ist. Die Teilkammern sind jeweils sektorförmig ausgebildet und stoßen mit ihren Seitenflächen so aneinander, daß die Endpunkte 43 der gleich langen Seitenflächen auf einem Kreis liegen.
Jede Teilkammer besitzt in der dargestellten Ausführungsform eine äußere Öffnung, die ein Teil einer Zylinderwand ist. Zu bemerken ist, daß die Öffnung auch als gerade Verbindung zwischen den Endpunkten 43 ausgeführt werden könnte (wobei der Sondengrundriß ein Vieleck wäre), da es für die Messung nur auf die effektive Kammeröffnung ankommt, die den Staudruck durch die zu messende Strömung bestimmt. In einem hinteren Teil jeder Teilkammer sind so, daß die Staudruckmessung möglichst wenig beeinflußt wird, Meßeinrichtungen 44 vorgesehen. Sie können beispielsweise jeweils aus einem offenen Rohr oder einer offenen Druckleitung bestehen, deren Meßöffnung sich in der Teilkammer befindet, während das andere Ende an eine außerhalb der Sonde befindliche Meßeinrichtung geführt ist. Der Druck in der Teilkammer, der sich unter dem Einfluß der Strömung einstellt, kann jedoch auch direkt in der Teilkammer gemessen und als elektrisches Signal aus der Sonde herausgeführt und dort elektronisch weiterverarbeitet werden.
Wie in Figur 12 dargestellt ist, sind als Meßeinrichtungen 44 offene Druckleitungen vorgesehen, die aus den Teilkammern herausgeführt werden. Die Druckleitungen der Teilkammern 1, 2 und 3 sind zu einer gemeinsamen Druckleitung 45 zusammengeführt, die über eine Meßeinrichtung, für Differenzdrücke 46 mit einer Druckleitung 47 verbunden ist, zu der die Druckrohre aus den Teilkammern 5, 6 und 7 zusammengeführt sind. Auf diese Weise ist die Meßkammer 31 über die Druckleitung 45, die Meßeinrichtung 46 und die Druckleitung 47 mit der Meßkammer 33 druckmäßig verbunden.
Wenn nun, wie es in Figur 12 gezeigt ist, eine Strömung auf die Sonde auftrifft, so daß sich in den Teilkammern der Meßkammer 33 ein Staudruck aufbaut, dann kann dieser Staudruck in der Meßeinrichtung 46 als Druckdifferenz gegenüber der aus den Teilkammern 1 , 2 und 3 bestehenden Meßkammer 31, in der der Referenzdruck herrscht, bestimmt werden. Im dargestellten Beispiel besteht die Meßeinrichtung 46 aus einer Kombination von zwei Subminiatur-NTC-Widerständen, d.h. einem Widerstandselement mit negativer Temperaturcharakteristik, die in Strömungsrichtung hintereinander ausgerichtet angeordnet sind. Wenn der Staudruck der Druckleitung 47 sich über die Widerstandskombination ausgleicht, wird der angeströmte erste Widerstand stärker abgekühlt als der andere. Die Widerstände sind Teile einer Brückenschaltung, in der die NTC-Widerstände zur Spannungsteilung eingesetzt sind, so daß aus den Widerstandsänderungen die Druckdifferenz zwischen den beiden Meßkammern 33 und 31 bestimmt wird.
Wenn die in Figur 12 dargestellte Sonde um ihre Symmetrieachse gegen die Strömung um den Winkel α gedreht wird, so liefert die Brückenschaltung (in Figur 12 als "Brükkenverstärker" bezeichnet) in Abhängigkeit vom Anströmwinkel einen sinusförmigen Kurvenverlauf. Wenn jeweils gleichzeitig in analoger Weise die Druckdifferenz zwischen den Meßkammern 32 und 34, die aus den Teilkammern 2,3 und 4 bzw. 7 , 8 und 1 gebildet werden, gemessen wird, so besitzt das Druckdifferenzsignal in Abhängigkeit vom Anströmwinkel α einen kosinusförmigen Verlauf.
Diese Sinuskurve und diese Kosinuskurve sind in Figur 13 dargestellt. Dabei wurden diese Kurven theoretisch durch Simulation des zu erwartenden Staudrucks aufgrund geometrischer Betrachtungen der effektiven Staudruckmeßöffnungen erhalten, d.h. der effektiv wirksamen Öffnungen der Meßöffnungen 20,20',20", usw. Figur 14 zeigt einen Vergleich derartig theoretisch durch Simulation ermittelter Werte mit tatsächlich praktisch an einem Modell gemessenen Meßwerten. Aus Figur 14 ist bereits ersichtlich, daß eine gute Übereinstimmung der Meßwerte mit den theoretisch erwarteten Werten erzielbar ist.
Das Modell, an dem die Meßwerte der Figur 14 gemessen worden sind, war eine Sonde mit acht Teilkammern, wie sie in Figur 11 dargestellt ist. Eine höhere Genauigkeit und bessere Angleichung an den sinusförmigen bzw. kosinusförmigen Verlauf kann erzielt werden, wenn die Anzahl der Teilkammern erhöht wird.
Die Empfindlichkeit hängt dagegen von dem Öffnungswinkel der Meßkammer ab. Bei Unterteilung der Meßkammern in mehrere Teilkammern bedeutet das, daß das Zusammenfassen von mehr Teilkammern, was eine Erhöhung der effektiven Staudruckmeßfläche bedeutet, zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit führt, während das Zusammenfassen von weniger Teilkammern zu einer Meßkammer, was einer Verkleinerung der effektiven Staudruckmeßfläche entspricht, zu einer Verringerung der Empfindlichkeit führt.
Die Wahl der Gesamtanzahl der Teilkammern, die Wahl, wie viele Teilkammern zu einer Meßkammer zusammengefügt werden, die Wahl des Öffnungswinkels einer Meßkammer, die Formgebung der Staudruckmeßöffnung, der Einfluß von Randeffekten der Staudruckmeßöffnung usw. werden in der Praxis nach den Erfordernissen vom Fachmann bestimmt.
Figur 15 zeigt ein Blockschaltbild für eine Sonde gemäß der Erfindung, die Windströmungen nach Richtung und Stärke über 360° mißt. Diese Sonde kann z.B. auch die in Fig.4 dargestellte, um zwei Kammern zu einem Kreis vervollständigte Sonde sein, bei der die Halterung entsprechend dünn ausgebildet ist oder die Druckleitungen aus der Scheibenebene heraus ragend atus der Sonde herausgeführt sind.
Die Meßkammeranordnung, der eigentliche Sensor, befindet sich in der Windströmung. Die Druckmeßleitungen der Teilkammern jeweils einer Meßkammer sind als einzige Druckleitung, wie sie in Figur 12 mit den Bezugszeichen 45 bzw. 47 dargestellt sind, aus dem Sensor herausgeführt. Die Druckdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden Meßkammern liefert das Sinussignal, während die Druckdifferenz zwischen den anderen beiden sich gegenüberliegenden und rechtwinklig zu dem ersten Meßkammerpaar angeordneten Meßkammern ein Kosinussignal liefern. Das Sinussignal wird in einen Operationsverstärker Sinus OP und das Kosinussignal in einen Operationsverstärker Kosinus OP eingegeben. Die Ausgänge dieser Operationsverstärker sind mit den Eingängen eines Analogrechners verbunden, der den jeweiligen arc tan-Wert des Quotienten aus dem Sinussignal und dem Kosinussignal erzeugt und an ein Windrichtungsanzeigegerät wie beispielsweise einen Kompaß abgibt. Der Anströmwinkel α kann direkt an dem Windrichtungsanzeigegerät abgelesen werden.
Das Sinussignal und das Kosinussignal werden weiterhin an Quadrierschaltungen "Sinus 2" und "Kosinus2" gegeben, die jeweils die Signale quadrieren, und die Ausgänge dieser beiden Quadrierschaltungen werden in einem Endverstärker summiert. Das entstehende Ausgangssignal ist ein Maß für die Windstärke und ist richtungsunabhängig. Der Verlauf dieses Signals in Abhängigkeit vom Anströmwinkel ist als dritte Kurve in Figur 13 dargestellt (Kurve c).
Eine Strömungsmeßsonde, die Strömungen über 360° nach Richtung und Stärke analysiert und mißt, wie sie in Figur 15 dargestellt ist, besitzt viele Anwendungsmöglichkeiten in der Schiffahrt, Luftfahrt usw., wie man leicht aus den geschilderten Eigenschaften erkennt.
INTERNATIONALE ANMELDUNG VERÖFFENTLICHT NACH DEM VERTRAG ÜBER DIE INTERNATIONALE ZUSAMMENARBEIT AUF DEM GEBIET DES PATENTWESENS (PCT)
(51) Internationale Patentklassifikation . (11) Internationale Veröffentlichungsnummer: WO 87/ 03 G01P 5/14 A3 (43) Internationales
Veröffentlichungsdatum : 18. Juni 1987 (18.06
(21) Internationales Aktenzeichen: PCT/DE86/00499 (81) Bestimmungsstaaten: AT (europäisches Patent), BE ropäisches Patent), CH (europäisches Patent),
(22) Internationales Anmeldedatum : (europäisches Patent), FR (europäisches Patent),
8. Dezember 1986 (08.12.86) (europäisches Patent), IT (europäisches Patent), LU (europäisches Patent), NL (europäisches Pat SE (europäisches Patent).
(31) Prioritätsaktenzeichen: P 35 43 431.7 P 36 04 335.4 Veröffentlicht
Mit internationalem Recherchenbericht.
(32) Prioritätsdaten: 9. Dezember 1985 (09.12.85) 12. Februar 1986 (12.02.86) Vor Ablauf der fiir Änderungen der Ansprüche zugelas
Frist. Veröffentlichung wird wiederholt falls Änderun
(33) Prioritätsland: DE eintreffen.
(88) Veröffentlichungsdatum des internationalen Recherchen
(71)(72) Anmelder und Erfinder: SOMMER, Roland [DE/ richts: ' 16. Juli 1987 (16.07. DE]; Kronthaler Weg 15, D-6231 Schwalbach am Taunus (DE).
(74) Anwalt: SCHÜLER, Helga; Kaiserstrasse 69, D-6000 Frankfurt/Main 1 (DE).
(54) Title: PROCESS AND SENSOR FOR MEASURING THE DIRECT.ION AND STRENGTH OF FLUID C RENTS
(54) Bezeichnung: SONDE UND VERFAHREN ZUM MESSEN FLUIDER STRÖMUNGEN BEZÜGLICH RIC TUNG UND STÄRKE
(57) Abstract
A process is used to determine the direction, the static and the dynamic pressure or the speed of a current on the basis of measured values of pressure or of differential pres- sures with the help of a new sensor having measuring chambers provided with rectangular or slot-shaped openings arranged along an arc of a circle or along the periphery of a cir- cle. Under the influence of the current, dynamic pressure may build up in these chambers, which contain measuring instruments to determine the pressure in the measuring chamber and/or the differential pressure between two measuring chambers or pressure measuring ducts arranged in the back portion of each measuring chamber. These pressure measuring ducts leave the sensor separately or together with other pressure measuring ducts Coming from other measuring chambers. The sensor is basically built in the form of a disk, and two perpendicular disks or sector-shaped disks arranged at the top of a body exposed to a current help to cover a wide solid angle.
(57) Zusammenfassung
Verfahren zum Bestimmen der Richtung einer Strömung, des statischen Druckes, des Staudruckes oder der Geschwindigkeit der Strömung aus Druckmesswerten oder Differenzen von Druckmesswert mittels einer neuen Sonde mit Messkammern mit rechteck- oder schlitzförmigen Öffnungen, die im wesentlichen entla eines Kreisbogens oder entlang der Peripherie eines Kreises angeordnet sind, in denen sich unter dem Einfluss der St mung jeweils Staudrücke ausbilden können und die Messeinrichtungen enthalten zum Bestimmen des Druckes in Messkammer und/oder zum Bestimmen von Differezdrücken zwischen zwei Messkammern oder Druckmessleitungen einem hinteren Bereich jeder Messkammer enthalten, die getrennt oder nach Zusammenführung mit anderen Druckme leitungen von anderen Messkammern aus der Sonde herausgeführt sind. Die Sonde hat einen scheibenförmigen Grunda bau, wobei zwei sich rechtwinklig durchsetzende Scheiben oder Kreissektorscheiben, die in der Kuppe eines Strömun körpers angeordnet sind, einen weiten Raumwinkel erfassen können.

Claims

Patentansprüche
1. Sonde zum Messen fluider Strömungen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jeweils zwei Meßkammern (1,2,...) mit ihren Seitenwänden an den Enden ihrer rechteck- oder schlitzförmigen Öffnungen aneinanderstoßen.
4. Sonde nach Anspruch 2 oder 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßkammern (1,2,...) kreissektorfömige Scheiben mit einem spitzen Winkel von vorzugsweise 45° sind, die aneinanderstoßend eine Kreissσheibe oder einen oder mehrere Sektorausschnitt (e) einer Kreisscheibe bilden.
5. Sonde nach Anspruch 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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 (pstat) meßbar zu machen.
6. Sonde nach Anspruch 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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 in Form von Druckmeßleitungen (11,12) zur Messung der Druckdifferenz zwischen diesen Meßkammern außerhalb der Kammern besitzt, oder daß eine Meßeinrichtung zum direkten Messen der Druckdifferenz zwischen den beiden zusätzlichen Meßkammern (1,2) vorgesehen ist.
7. Sonde nach Anspruch 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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.
8. Sonde nach Anspruch 6 und 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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.
9. Sonde nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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.
10. Sonde nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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.
11. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie vier Meßkammern (1,2,3,5) enthält, die kreissektorfömig 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.
12. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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 Druσkmeßleitungen (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 aus diesen herausgeführt sind.
13. Sonde nach einem der Ansprüche 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die aus den Meßkammern herausgeführten Druckmeßleitungen in einem als Halterung für die Sonde ausgebildeten Rohr untergebracht sind.
14. Sonde nach Anspruch 13 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie in einem Gehäuse mit geringem Strömungswiderstand gekapselt ist, das auf der Vorderseite eine Kugelkalottenform aufweist.
15. Sonde nach Anspruch 1 oder 10 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie mindestens zwei nach außen offene Meßkammern (31,33) mit gleicher effektiver Staudruckmeßöffnung (20) enthält, die sich axialsymmetrisch so gegenüberliegen, daß ihre Meßöffnungen in entgegengesetzte Richtungen weisen, und Meßeinrich tungen (44) zum Bestimmen der Drücke in den Meßkammern und/oder zum Bestimmen des Differenzdruckes zwischen den Meßkammern in den hinteren Teilen der Meßkammern vorgesehen sind.
16. Sonde nach Anspruch 15 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß vier Meßkammern (31,32,33,34) vorgesehen sind, von denen zwei sich axial-symmetrisch gegenüberliegend angeordnet sind und die anderen zwei, sich ebenfalls axial-symmetrisch gegenüberliegend, im wesentlichen rechtwinklig zu dem ersten Meßkammerpaar angeordnet sind, wobei alle vier Staudruckmeßöffnungen (20) gleichen Abstand von der gemeinsamen Symmetrieachse haben.
17. Sonde nach Anspruch 15 oder 16 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jede Meßkammer (31,32,33, 34) in mehrere Teilkammern (1,2,3,4,..) unterteilt ist, von denen jede eine nach außen weisende Staudruckmeßöffnung (20, 20', 20") aufweist, und in jeder Teilkammer eine Meßeinrichtung (44) zum Bestimmen des Druckes und/oder des Differenzdruckes zu der ihr axial-symmetrisch gegenüberliegenden Teilkammer vorgesehen ist.
18. Sonde nach Anspruch 17 , d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß sie eine Vielzahl von sektorförmigen Teilkammern (1,2,3,4,5,..) umfaßt, die mit ihren
Seitenflächen aneinanderstoßend so angeordnet sind, daß die Endpunkte (33) der Seitenflächen auf einem Kreis liegen, und jeweils zwei oder mehr Teilkammern (1,2,3) eine Meßkammer (31) bilden, wobei Druckmeßleitungen (44) aus diesen Teilkammern zu einer gemeinsamen Druckmeßleitung (45;47) der Meßkammer (31;33) zusammengeführt sind.
19. Sonde nach Anspruch 18 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß einzelne Teilkammern (1;3;5;7) gleichzeitig Teile zweier verschiedener Meßkammern (31, 34; 31, 32; ..) sind, wodurch sich die Meßkammern teilweise überlappen.
20. Sonde nach Anspruch 19 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie acht Teilkammern enthält, die zu vier Meßkammern mit je drei Teilkammern zusammengeschlossen sind.
21. Sonde nach einem der Ansprüche 15 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie die Form einer kreiszylindrischen Scheibe aufweist, entlang deren äußeren Randes die Meßöffnungen (20,20',20") der Teiikammern bzw. Meßkammern gleichmäßig verteilt sind.
22. Sonde nach Anspruch 21 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine weitere kreiszylindrische Scheibe mit gleichmäßig entlang ihres Randes verteilten Meßöffnungen von Teilkammern rechtwinklig zu der ersteren und durch deren Mittelpunkt verlaufend vorgesehen ist zur Erfassung eines Raumwinkels.
23. Sonde nach Anspruch 21 oder 22, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß drei gleiche kreiszylindrische Scheiben mit Teilkammern jeweils rechtwinklig zueinander und mit gemeinsamem Mittelpunkt zu einer Rundumraumsonde kombiniert sind, wobei die Teilkammern in den Schnittpunkten der Scheiben jeweils wenigstens doppelt für die Messungen benutzt werden, d.h. jeweils zu wenigstens zwei Meßkammern gehören.
24. Sonde nach einem der Ansprüche 15 bis 23 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßeinrichtungen offene Rohre umfassen, deren Meßöffnungen sich im hinteren Teil jeweils einer Meßkammer bzw. einer Teilkammer befinden und deren anderes Ende mit einem mechanischen Differenzdruckmanometer verbunden ist, an dessen anderer Seite die gegenüberliegende Meßkammer bzw. Teilkammer angeschlossen ist.
25. Sonde nach einem der Ansprüche 15 bis 23 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßeinrichtungen offene Druckleitungen umfassen, deren Meßöffnungen im hinteren Teil jeweils einer Meßkammer bzw. einer Teilkammer angeordnet sind und deren andere Enden mit Piezokristalldrucksonden verbunden sind.
26. Sonde nach einem der Ansprüche 15 bis 23 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßeinrichtungen offene Rohre umfassen, deren Meßöffnungen sich im hinteren Teil jeweils einer Meßkammer bzw. einer Teilkammer befinden und deren anderes Ende mit einer Druckleitung (45) zu dem Meßrohr in der gegenüberliegenden zugeordneten Kammer verbunden ist, wobei in dieser Druckleitung (45,47) temperaturabhängige elektronische Bauteile (46), wie temperaturabhängige Widerstände, Halbleiterfühler oder Sperrschichtelemente, angeordnet sind, deren Temperaturänderung elektronisch erfaßt und in Druckdifferenzwerte umgewandelt wird.
27. Sonde nach Anspruch 26 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in der Druckleitung (45,47) eine Kombination aus zwei Widerständen (46) mit negativem Temperaturkoeffizienten (Subminiatur-NTC) ausgerichtet angeordnet ist, die einen Teil einer Brückenschaltung bilden, in der die NTC-Widerstände als Teile der Spannungsteilerschaltung eingesetzt sind, wobei aus den WiderStandsänderungen die Druckdifferenz zwischen zwei Meßkammern (33 und 31) bestimmt wird.
28. Sonde nach einem der Ansprüche 15 bis 23 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßeinrichtungen zum Bestimmen der Drücke in den Meßkammern und/oder des Differenzdruckes zwischen den Meßkam mern außerhalb der Sonde angeordnet sind und über starre oder flexible Druckleitungen mit den Meßkammern verbunden sind, wobei sich die Meßöffnungen der Druckleitungen im hinteren Teil jeweils einer Meßkammer befinden.
29. Sonde nach einem der Ansprüche 16 bis 28 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Druckdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden, zugeordneten Meßkammern in ein erstes elektrisches Analogsignal umgewandelt wird und die Druckdifferenz zwischen zwei sich gegenüberliegenden, zugeordneten Meßkammern, die zu dem ersten Meßkammerpaar rechtwinklig ausgerichtet angeordnet sind, in ein zweites elektrisches Analogsignal umgewandelt wird, und zwei Operationsverstärker vorgesehen sind, denen diese Signale jeweils zugeführt werden, deren Ausgänge einerseits mit den Eingängen eines Analogrechners verbunden sind, der sie nach Größe und Vorzeichen analysiert und das Ergebnissignal einem Riσhtungsanzeigegerät (Kompaß) zuführt, und andererseits mit den Eingängen von Quadrierschaltungen verbunden sind, die die Analogsignale quadrieren, wonach die ErgebnisSignale einer Summierungsschaltung zugeführt werden, die das Summensignal der quadrierten Signale einem Strömungsstärkeanzeigegerät zuführt.
30. Sonde nach Anspruch 29, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Analogrechner eine arc tanFunktion aus den Eingangssignalen erzeugt.
31. Sonde nach einem der Ansprüche 15 bis 23 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Teilkammern oder Meßkammern in ihrem vorderen Teil mit einer dünnen elastischen Membran verschlossen sind, die den Druck verschmutzungsfrei in das Innere der Kammer überträgt.
32. Sonde nach Anspruch 31, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Innere der Teilkammern oder Meßkammern mit einem inkompressiblen Druckmeßmedium wie z.B. öl gefüllt ist und die Druckmeßeinrichtung vollständig innerhalb der Kammer angeordnet ist und der gemessene Druckwert elektrisch aus der Kammer ausgegeben wird.
33. Verfahren zum Messen fluider Strömungen bezüglich Richtung und Stärke, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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.
34. Verfahren nach Anspruch 33, d a d u r c h g e k e nnz e i c h n e t , daß Meßkammern mit rechteck- oder schlitzförmigen Staudrucköffnungen verwendet werden, die im wesentlichen entlang eines Kreisbogens oder entlang der Peripherie eines Kreises angeordnet sind.
35. Verfahren nach Anspruch 35, d a d u r c h g e k e nnz e i c h n e t , daß scheibenförmige Meßkammern mit kreissektorförmigem Grundriß, vorzugsweise mit einem spitzen Winkel von 45 , die aneinanderstoßend angeordnet sind, verwendet werden.
36. Verfihren nach einem der Ansprüche 33 bis 35 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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.
37. Verfahren nach Anspruch 36, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß aus dem Gesamtdruck und dem statischen Druck der Staudruck und daraus die Geschwindigkeit der Strömung relativ zum Meßort (der Meßkammeranordnung) bestimmt wird.
38. Verfahren nach Anspruch 33 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Staudruck der Strömung in mindestens einem Kammersystem gemessen wird, dem ein zweites Kammersystem mit der gleichen effektiven Staudrucköffnung axial-symmetrisch gegenüberliegt, in dem ebenfalls der sich einstellende Druck als Referenzdruck gemessen wird, und die daraus ermittelte oder direkt gemessene Druckdifferenz zwischen den beiden Kammersystemen als eine erste Bezugsgröße gewonnen wird, und in einem um vorzugsweise 90 sowohl gegen das erste als auch gegen das zweite Kammersystem gedrehten dritten Kammersystem mit der gleichen effektiven StaudruckÖffnung, dem ein viertes Kammersystem mit der gleichen effektiven Staudrucköffnung axial-symmetrisch gegenüberliegt, der Staudruck gemessen und die Differenz zu dem in dem vierten Kammersystem gemessenen Referenzdruσk ermittelt oder direkt gemessen wird, der eine zweite Bezugsgröße liefert, und die Richtung der Strömung aus dem Vergleich der beiden Bezugsgrößen ermittelt und/oder die Stärke der Strömung aus der Summe der Quadrate der beiden Bezugsgroßen bestimmt wird.
39. Verfahren nach Anspruch 38, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß alle vier Kammersystemejeweils kreissektorförmig ausgebildet und so angeordnet sind, daß ihre Staudrucköffnungen in einer Ebene auf einem Kreis liegen, und das erste Bezugsgrößensignal in Abhängigkeit vom Anströmwinkel im wesentlichen einen Sinuskurvenverlauf und das zweite Bezugsgrößensignal in Abhängigkeit vom Anströmwinkel im wesentlichen einen Kosinuskurvenverlauf besitzt.
40. Verfahren nach Anspruch 39 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Bezugsgrößensignale elektronisch in einem Analogrechner verarbeitet werden, der aus dem Quotienten des Sinussignals und des Kosinussignals den arc tan-Wert berechnet, der ein Maß für den Anströmwinkel ist.
41. Verfahren nach Anspruch 39 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die beiden Bezugsgrößensignale elektronisch jeweils quadriert und summiert werden, um ein Maß für die Stärke der Strömung zu erhalten.
42. Verfahren nach Anspruch 38 oder 39 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jedes der vier Kammersysteme jeweils aus mehreren einzelnen Teilkammern besteht, die alle sektorförmig ausgebildet sind und aneinanderstoßend, mit ihren Staudruckmeßöffnungen in einer Ebene auf einem Kreis liegend, angeordnet sind, wobei mehrere nebeneinanderliegende Teilkammern ein Kammersystem bilden und einzelne Teilkammern gleichzeitig zu zwei Kammersystemen gehören.
43. Verfahren nach Anspruch 42 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß insgesamt acht Teilkammern vorhanden sind, jedes der vier Kammersysteme aus drei Teilkammern besteht, die mit einem Druckmeßrohr verbunden sind, und die Druckdifferenzen der sich jeweils gegenüberliegenden beiden Kammersysteme gemessen werden und als die beiden Bezugsgrößen verarbeitet werden.
44. Verwendung der Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 32 für Flugzeuge, Hubschrauber oder andere Flugkörper, insbesondere unter Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 33 bis 43.
EP19870900048 1985-12-09 1986-12-08 Sonde und verfahren zum messen fluider strömungen bezüglich richtung und stärke Withdrawn EP0252100A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19853543431 DE3543431C2 (de) 1985-01-14 1985-12-09 Verfahren und Sonde zum Messen der Richtung und/oder der Stärke einer gasförmigen oder flüssigen Strömung
DE3543431 1985-12-09
DE19863604335 DE3604335A1 (de) 1986-02-12 1986-02-12 Sonde und verfahren zum messen fluider stroemungen bezueglich richtung und staerke
DE3604335 1986-02-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0252100A1 true EP0252100A1 (de) 1988-01-13

Family

ID=25838657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19870900048 Withdrawn EP0252100A1 (de) 1985-12-09 1986-12-08 Sonde und verfahren zum messen fluider strömungen bezüglich richtung und stärke

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP0252100A1 (de)
WO (1) WO1987003693A2 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10037778A1 (de) * 2000-08-03 2002-02-14 Andreas Seibold Transmissionssonde

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE534244C (de) * 1930-08-01 1931-09-24 Wilh Lambrecht A G Windmessgeraet mit festem Windkopf
US2701474A (en) * 1949-09-01 1955-02-08 Kollsman Instr Corp Pitot tube anemometer
US3646811A (en) * 1969-09-22 1972-03-07 Rosemount Eng Co Ltd Pressure sensor for determining fluid velocities
GB1579638A (en) * 1977-06-24 1980-11-19 Secr Defence Airstream pressure sensing probes
DE3500988C1 (de) * 1985-01-09 1986-02-13 Roland 6231 Schwalbach Sommer Sonde zum Messen gasfoermiger oder fluessiger Stroemungen bezueglich Richtung und Staerke

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO8703693A2 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO1987003693A2 (fr) 1987-06-18
WO1987003693A3 (fr) 1987-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3888698T2 (de) Kompakter sensor für luftdaten.
DE2640087C2 (de)
DE10001813C2 (de) Meßsystem zur Ermittlung von Luftdaten eines Luftfahrzeuges sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Luftdaten
DE3634855C1 (de) Kapazitive Messanordnung zur Bestimmung von Kraeften und/oder Druecken
DE69014911T2 (de) Füllstandsensor für Fluide.
DE60018728T2 (de) Feste multifunktionssonde für luftfahrzeug
DE3500988C1 (de) Sonde zum Messen gasfoermiger oder fluessiger Stroemungen bezueglich Richtung und Staerke
DE3417212C2 (de) Kraftwandler
DE2046192B2 (de) Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
DE3781472T2 (de) Beschleunigungsmesser.
EP0117226A2 (de) Messinstrument zum Feststellen von Abweichungen bezüglich dem Lot und/oder der Waagrechten und Verwendung desselben
DE2745880A1 (de) Messfuehler
DE69931790T2 (de) Luftdrucksensor
EP0083296A2 (de) Heckstielwaage zur Luftkraftbestimmung an Windkanalmodellen
EP0447810B1 (de) Elektrische Messanordnung zur Messung bzw. Berechnung des Füllstandes oder anderer mechanischer Daten einer elektrisch leitenden Flüssigkeit
DE69204653T2 (de) Zusammenbau von Beschleunigungsmessaufnehmern zur Verwendung in einem Messystem für dreidimensionale Bewegungen eines festen Körpers.
EP1314985B1 (de) Luftdaten-Messvorrichtung und Luftdaten-Messsystem für Fluggeräte
EP0236569B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines Anströmwinkels und/oder der Windgeschwindigkeit an einer ortsfesten oder bewegten Messstelle
DD226068A1 (de) Kapazitives neigungs- und ebenheitsmessgeraet
DE2619727A1 (de) Fluidum-stroemungsmesser
EP0252100A1 (de) Sonde und verfahren zum messen fluider strömungen bezüglich richtung und stärke
EP0007111A2 (de) Strömungsmesseinrichtung nach dem Prinzip der Kármán'schen Wirbelstrasse
DE2802830C3 (de) Fluidströmungsmesser
DE3543431C2 (de) Verfahren und Sonde zum Messen der Richtung und/oder der Stärke einer gasförmigen oder flüssigen Strömung
DE3604335A1 (de) Sonde und verfahren zum messen fluider stroemungen bezueglich richtung und staerke

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): DE FR GB IT

17P Request for examination filed

Effective date: 19871217

17Q First examination report despatched

Effective date: 19890705

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 19920429

18RA Request filed for re-establishment of rights before grant

Effective date: 19920915