WO1986004149A1 - Process for measuring the direction and intensity of gaseous or liquid flows and probe for application of the process - Google Patents

Process for measuring the direction and intensity of gaseous or liquid flows and probe for application of the process Download PDF

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WO1986004149A1
WO1986004149A1 PCT/DE1986/000005 DE8600005W WO8604149A1 WO 1986004149 A1 WO1986004149 A1 WO 1986004149A1 DE 8600005 W DE8600005 W DE 8600005W WO 8604149 A1 WO8604149 A1 WO 8604149A1
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Roland Sommer
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Roland Sommer
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/05—Mixers using radiation, e.g. magnetic fields or microwaves to mix the material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2/00—Processes or devices for granulating materials, e.g. fertilisers in general; Rendering particulate materials free flowing in general, e.g. making them hydrophobic
    • B01J2/006—Coating of the granules without description of the process or the device by which the granules are obtained
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B5/00—Electrostatic spraying apparatus; Spraying apparatus with means for charging the spray electrically; Apparatus for spraying liquids or other fluent materials by other electric means
    • B05B5/08—Plant for applying liquids or other fluent materials to objects
    • B05B5/081—Plant for applying liquids or other fluent materials to objects specially adapted for treating particulate materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05G—MIXTURES OF FERTILISERS COVERED INDIVIDUALLY BY DIFFERENT SUBCLASSES OF CLASS C05; MIXTURES OF ONE OR MORE FERTILISERS WITH MATERIALS NOT HAVING A SPECIFIC FERTILISING ACTIVITY, e.g. PESTICIDES, SOIL-CONDITIONERS, WETTING AGENTS; FERTILISERS CHARACTERISED BY THEIR FORM
    • C05G5/00—Fertilisers characterised by their form
    • C05G5/30—Layered or coated, e.g. dust-preventing coatings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G01P13/025—Indicating direction only, e.g. by weather vane indicating air data, i.e. flight variables of an aircraft, e.g. angle of attack, side slip, shear, yaw
    • 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

  • Process for measuring gaseous or liquid flows with respect to direction and strength and probe for carrying out the process.
  • the invention relates to a method for measuring gaseous or liquid flows, here briefly called fluid flows, with respect to direction and strength, and to a probe that can be used in the method.
  • the object of the present invention is now to provide a method for measuring gaseous or liquid flows and a probe for use in this method, with which in particular the direction of the flow and possibly also the strength of the flow can be measured and which is easy is, has no moving parts and can be designed to be streamlined so that it itself does not disturb the flow to be measured.
  • a method for measuring gaseous or liquid flows with respect to direction and strength in which a) two dynamic pressures are measured which form under the influence of the flow in two measuring chambers at a certain inflow angle, and the difference or the quotient of these dynamic pressures is determined and / or the difference of these dynamic pressures is measured directly and the direction of the flow is determined from the difference or the quotient of the dynamic pressures, the position of the two measuring chamber openings being relatively fixed to one another, the measuring chamber openings are rectangular or slit-shaped and the mean normals to the measuring chamber openings lie in one plane and the dynamic pressure measuring openings of the two chambers which are effective for the flow are not the same over the entire measuring range, or b) several dynamic pressures are measured be, which are formed under the influence of the flow in several measuring chambers at a certain inflow angle, and from differences or quotients or quotients of differences of dynamic pressures or from the absolute values or taking into account the measured values vectorially summed up to one another or taking
  • At least two measuring chambers are provided, in which a dynamic pressure can develop under the influence of the flow.
  • the effective opening of a chamber which is decisive for the dynamic pressure, changes with the flow angle of the flow, and the two measuring chambers are arranged in such a way that the flow angle is different for the two measuring chambers, so that neither the difference in the dynamic pressures in the two chambers for all inflow angles equal to 0, the ratio of the two dynamic pressures is equal to 1 for all inflow angles. Accordingly, both said difference and this quotient are at least for a certain inflow angle. range continuous flow angle functions.
  • the approach angle is obtained and the direction of the flow can thus be determined.
  • the strength of the flow can in any case be determined at least in a manner known per se by means of one or the measured dynamic pressures.
  • measured dynamic pressure values are integrated in absolute or vector form, taking into account the position of the measuring points, or the measured values are processed mathematically in another way.
  • a probe that works on this principle contains at least two measuring chambers with rectangular or slit-shaped measuring openings, in which build up dynamic pressures under the influence of the flow, the dynamic pressure measuring openings being arranged at a fixed angle to one another, the center lines of the openings lying in one plane, in such a way that at least in a certain range of the incident angle in both backpressures are simultaneously built up in the chambers, and measuring devices for determining the pressures in the measuring chambers and / or the differential pressure between the two measuring chambers are provided in a rear part of each measuring chamber.
  • the measuring chamber openings are preferably at an angle of more than about 40, and more preferably at an angle of more than 180, so that the angular range of the probe open to the flow is greater than 180 °.
  • a probe opening angle of more than 180 ° is preferably used.
  • the measuring chamber openings are in relation to one another in such a way that dynamic pressures can build up in the measuring chambers and they can fulfill their function as storage spaces.
  • the measuring chambers expediently abut one another with one of their side walls at the edge of the measuring-key openings, as a result of which the measuring chambers form two sub-chambers of a probe measuring chamber.
  • the probe is characterized in that it has at least one measuring chamber, which has two side walls of the same length and an upper chamber wall and a lower one, which are abutting at an angle, preferably at a right angle Chamber wall, which each intersect with the side walls along a line, is limited so that a storage space is created and contains a partition wall extending from the upper to the lower chamber wall, which runs through the intersection line or the intersection of the two side walls and chambers, the measuring chamber into two sector-shaped Operakam ⁇ divided, as well as measuring pressure comprises between the two partial chambers in the rear part of the measuring chamber for, determining the pressures in the two sub-chambers and / or the difference '.
  • the partition preferably encloses an angle of 45 with each side wall.
  • the dividing wall has the same length as the side walls, the front edge of the upper and the lower chamber wall each being an arc or coinciding with the straight lines connecting the end points of the dividing wall and the sidewalls.
  • the measuring characteristic can be determined by the shape of the measuring chamber in its front part. Any desired deviations from a linear characteristic over the entire measuring range can be used to increase the sensitivity in certain selected angular ranges.
  • the difference in the area sizes, which corresponds to the effective partial chamber openings, that the flow finds, is decisive.
  • the pressure in a partial chamber is proportional to the opening area of the respective partial chamber at a right angle to the flow direction. It follows from this that only the effective opening area which the flow finds must be taken into account for the linearity of the characteristic curve.
  • the shape of the chamber in the rear part has no more influence on the linearity of the relationship between the inflow angle and the pressure difference.
  • the rear part of the measuring chamber or the partial chambers can therefore largely be designed as desired in accordance with other requirements for the measuring probe. Since the measuring chamber according to the invention is preferably used outdoors, it is advantageous to take precautions against condensation, spray water, dust particles and, if appropriate, insects.
  • the line of intersection of the lower chamber wall with a side wall is a line rising from the bottom to the top. If water gets into the chamber, it runs down again on the sloping surface.
  • the upper chamber wall has a drip bead or a drip projection which extends from one side wall to the other.
  • the upper wall of the Kamirier is also preferably to be designed at an incline. If condensed water then accumulates in the chamber, it also runs down the upper chamber wall and drips down from the drip projection or drip bead, hits the lower oblique chamber wall and flows out of the measuring chamber.
  • the rear, acute-angled parts of the subchambers are connected to sack openings which extend upwards and are protected against flying dust.
  • the measuring devices are arranged protected from dust in these pocket openings.
  • meteorology is an important field of application of the measuring probe according to the invention, it cannot be avoided that the probe can tend to icing even at low temperatures. For this reason it will be useful for certain fields of application to provide the measuring probe with an electric heating device for de-icing.
  • the heating device itself can be designed in a conventional manner, as long as it is ensured that it does not interfere with the flow around the measuring probe or does not influence the pressure measurement which may be carried out electronically.
  • the upper part of the measuring probe is therefore provided with a tip which projects upwards.
  • the partial chambers are closed in their front part with a thin elastic membrane which transfers the pressure into the interior of the chamber.
  • the membrane must be so thin and so elastic that the pressure is transferred to the medium inside the chamber without errors.
  • the interior of the partial chamber can be filled with an incompressible pressure measuring medium such as oil.
  • the size of the measuring chamber has no influence on the linearity relationship between the incident angle and the pressure difference in the partial chambers.
  • the probe can therefore be made very small.
  • the size of the probe ie the measuring chambers, has an influence on the sensitivity of the probe if not only the direction of flow but also the pressure itself is to be determined. For * more precise measurements, a probe with larger dimensions is therefore required in order to be able to measure the pressure more precisely.
  • four identical measuring chambers are provided, the tips of which abut one another, are arranged side by side in such a way that their front surfaces form a circumferential band, the projection of which corresponds to the contour of the front edge corresponds to the measuring chambers, ie is preferably a circle or an octagon. It is also possible to arrange four identical measuring chambers in such a way that the projection of their front edges is a square.
  • the choice of the contour of the front edge of the measuring chambers depends, as already stated above, on the desired characteristic of the Relationship between the inflow angle and the pressure difference in the partial chambers.
  • flow directions are detected over directions of 360.
  • One measuring chamber each with two partial chambers covers an angular range of 90 °.
  • the pressure measuring devices arranged in the middle part of the probe are expediently designed in such a way that they emit the measured value as an electrical signal.
  • the measured values of the individual subchambers can be queried and evaluated.
  • the difference between the pressure values of the two subchambers each of a measuring chamber provides the direction of the flow, while the strength of the flow is determined by integration or simple addition of the measured pressure values.
  • All known pressure measuring devices can be used as measuring devices for determining the pressures in the two subchambers and / or the differential pressure between the two subchambers. If their dimensions are small enough, they are arranged directly in the rear part of the subchambers. Therefore, for example, pressure-dependent electronic components (such as semiconductors, piezo crystals, Hall probes) or temperature-sensitive electronic components (such as NTC or PTC resistors, semiconductors, etc.), which are used for indirect pressure measurement, as will be explained in more detail below, can be found in the Partial chambers themselves are attached, their measuring lines being routed through the inside of the probe and, for example, the holding shaft thereof outside.
  • pressure-dependent electronic components such as semiconductors, piezo crystals, Hall probes
  • temperature-sensitive electronic components such as NTC or PTC resistors, semiconductors, etc.
  • the pressure measuring devices are too large or are to be protected against harmful temperature fluctuations, shocks or other disturbing influences, only the measuring openings for the pressure measuring devices and rigid or flexible pressure lines, which are also provided by the Holding shaft of the probe are guided, connect these measuring openings with the actual Chen pressure measuring chambers of the measuring devices, which are separate from and outside the probe.
  • the measuring devices comprise two open tubes, the measuring openings of which are located in the rear part of each partial chamber and the other end of which is connected to one leg of a clock manometer.
  • the over-ear pressure gauge is filled with mercury and the height of the mercury can be measured electrically by detuning an induction coil or two induction coils. wherein the leg or legs of the U-tube is inside the coil or coils. D ⁇ ie detuning of the induction coil can be measured in manner known per se with a Brückens ⁇ nnen.
  • the measuring devices comprise two open tubes, the measuring opening of which is located in the rear part of each partial chamber and the other end of which is connected to a chamber of a barometric pressure sensor.
  • the directly measurable pressure difference between two subchambers of a measuring chamber can be read off on the barometer or taken as an electrical signal in a manner known per se and processed further.
  • the measuring devices for pressure measurement are two piezo-crystal pressure probes, which are each arranged in the rear part of a partial chamber. These pressure probes directly deliver an electrical signal, from which the pressure difference easily can be determined electrically. Furthermore, the piezoelectric signal can be processed into a measured value for the total strength of the flow by means of summation or integration. In a four-chamber probe, as already described above, the eight pressure measurements from the individual subchambers are analyzed and integrated in the direction.
  • the partial chambers are closed at the front with piezo-sensitive strips or stretch marks for direct pressure measurement, the pressure-sensitive area of which is in each case equal to the total effective opening area of the partial chamber.
  • the partition in its rear part has a through opening which is small in comparison to the dimensions of the measuring chamber and through which a pressure equalization flow is formed under the influence of an optionally existing pressure difference between the two partial chambers.
  • measuring devices are provided with which the pressure equalization flow can be measured.
  • the devices for measuring the pressure equalization flow preferably include temperature-dependent electronic components, such as temperature-dependent resistors, semiconductor sensors or barrier elements, the temperature change of which is electronically recorded and converted into pressure difference values.
  • the arrangement of a combination of two is particularly advantageous Wideiisten with negative temperature coefficient in the through opening, in such a way that the two resistors are arranged aligned in the passage direction of the through opening through the partition, so that the resistor on the side with the higher pressure is cooled more than the other resistor.
  • This resistance combination is part of a bridge circuit in which the energy required for temperature compensation of the more cooled resistor is measured, which is a measure of the pressure difference between the subchambers.
  • the energy is preferably supplied in a pulsed manner so that digital measured values can easily be derived. In this case, it is not necessary to convert the energy value using an analog-digital converter.
  • the direction of the pressure equalization flow ie the analysis in which of the two subchambers the pressure is higher, can also be determined electronically by averaging which of the two resistors is cooled more by the pressure equalization flow.
  • the four measuring chambers are interrogated in order, for example, by microprocessors in order to determine the direction in which the fluid to be measured flows.
  • the flow strength can also be determined by suitable calibration of the temperature-dependent resistances.
  • flow measuring devices known per se, e.g. Pitot tubes are used, which are optimally aligned in the flow direction by the measurement result of the direction measurement.
  • the eight partial chambers of a four-chamber probe each have in their rear part in comparison to the dimensions the subchamber has small through openings, all of which lead radially into a centrally located space, which is connected to the static pressure, inside the probe and are directed to a temperature-dependent electronic component, such as a temperature-dependent resistor, semiconductor sensor or junction element, this electronic component being cooled by the pressure compensation flow which forms in the eight through openings, and a circuit is provided which supplies and measures the energy required for temperature compensation of the electronic component, which in turn is a measure of the strength of the flow .
  • a temperature-dependent electronic component such as a temperature-dependent resistor, semiconductor sensor or junction element
  • a combination of both Ausure ⁇ described last approximately forms of probe according to the invention thus provides' information about a flow with respect to direction and magnitude, wherein the signals containing the information easily by calculation, for example the sensors Mikroprozes ⁇ , to be processed.
  • a further four measuring chambers are provided, two of which are abutting at their acute angles and are arranged side by side on one side and at right angles to the first four measuring chambers and the other two in the same way on that other side of the first four measuring chambers are arranged so that the 'four other measuring chambers lie substantially in a plane which extends at an angle to the plane square-wave of the first four measuring chambers.
  • Such an arrangement allows flows to be measured in two mutually perpendicular planes.
  • the probe according to the invention in its various embodiments has a wide variety of possible uses. Some possible uses of the probe according to the invention are given below.
  • the probe according to the invention With the probe according to the invention, wind currents can be measured according to direction and strength. '' The probe has no mechanically moving parts and can be made ultra-light. She is. therefore particularly advantageous for wind measurement on ships. In meteorology, the probe can be used to measure wind especially when moisture, low temperatures or high temperatures make it difficult to use probes with moving parts. In addition, the electronic measurement signals are particularly easy to evaluate and process.
  • Two crossed. Two-chamber probes measure the rotations * about the vertical or transverse axis of the aircraft, ie changes in the aircraft position during the flight.
  • the trim angle around the transverse axis or the yaw angle around the vertical axis can be measured.
  • the signals obtained give the pilot important information.
  • Jam nozzles have a maximum working angle of 17. However, if, for example, sports aircraft fly during maneuvers with sliding angles that are greater than 15, dynamic pressure gauges no longer work because the working angle is exceeded. However, any angle can be detected with the probe according to the invention. In addition, the probe according to the invention can detect cross winds, which is advantageous for airplanes that must be independent of directing through a tower, such as military aircraft.
  • the invention which is on the ground, can send measured values relating to the cross winds that occur to the spray aircraft. 7.
  • Cross wind warning for automobiles
  • a probe according to the invention emits a cross wind warning when a certain wind strength is measured. This crosswind warning signals to the driver that a certain speed must not be exceeded in order to avoid the vehicle being displaced on the road.
  • the position of a measurement object in a wind tunnel with respect to the flow can easily be measured.
  • the measuring probe is small and can be attached to the measuring object at a point where it does not interfere with the flow to be measured.
  • the flow direction is recognized by the probe according to the invention.
  • blade pitch angles, wind turbines, wind turbines etc. can be optimized. It should be noted that the probe operates without hysteresis.
  • Arrays of the probe according to the invention in two or three planes are sensitive to currents in vertical and horizontal directions. Such measurements are e.g. in the mountains required to detect rising or falling air currents. Local turbulence can also be detected. Such all-round probes are also of great use for weather probes.
  • the probe according to the invention In mixing devices, flows from different pipes often have to be controlled. With the probe according to the invention, flows from wrong directions can be recognized, whereby signals are generated which are used to control compensation sensors.
  • the chambers are sealed by membranes and the probe can also be used in damp rooms or aggressive media, eg in chemistry.
  • Fig. 1 shows a probe according to the invention with a single
  • Fig. 2 is a measurement curve which has been measured on the probe according to Fig. 1 and shows the dependence of the pressure difference in the partial chambers on the inflow angle ⁇
  • Fig. 3 shows a probe according to the invention with four measuring chambers
  • Fig. 4 is an enlarged 3 shows a section through a measuring chamber in the radial direction
  • FIG. 6 shows a section through a measuring chamber in the radial direction according to another embodiment of the probe according to the invention
  • FIG. 7 shows a section through the measuring chamber in the radial direction Section through a measuring chamber with a thin one
  • FIG. 8 is a horizontal section through another probe according to another embodiment of the invention, with which the strength of a flow can be measured
  • FIG. 9 shows another embodiment of the probe according to the invention for measuring flows in two planes
  • 10 shows a circuit that is used for pressure measurement with a temperature-sensitive resistor
  • FIG. 11 shows another embodiment of the probe.
  • 1 shows a probe according to the invention, which contains a single open measuring chamber, the upper chamber wall 3 of which runs parallel to its lower chamber wall 4, and two side walls 5 which are at right angles thereto and which meet at an angle of 90 and are of equal length, limit the measuring chamber.
  • FIG. 2 shows a measurement curve which has been measured with a U-tube manometer on a measurement chamber as shown in FIG. 1.
  • the pressure difference is a linear function of the inflow angle ⁇ in a range of approximately 105 within the measurement accuracy. Due to this simple relationship between the measurable pressure difference and the inflow angle ⁇ , the direction of a flow impinging on the measuring chamber can be determined from the pressure difference.
  • the U-tube manometer shown in FIG. 1 is a mercury manometer, in which the height of the mercury column is measured with induction coils 11 and 12, the detuning of which can be measured by changing the mercury column, for example in bridge circuits.
  • FIG. 3 shows a probe according to the invention, which contains four measuring chambers 13, 14, 15 and 16, which are arranged together to form a circular disk-shaped probe for detecting flows over an area 360.
  • the side walls 5 of two benac bart measuring chambers touch, and the partitions 6 of the many Measuring chambers are each as long as the side walls 5 and extend to the front edge 40 of the measuring chambers.
  • the construction of such a probe is simple, and the probe is easy and inexpensive to manufacture.
  • a through opening 17, 18, 19 and 20 is provided in the rear part of a partition 6, in which a combination of two subminiature NTC resistors 21 is arranged.
  • Fig. 4. shows an enlarged section of the partition 6 of the measuring chamber 16, in which the through opening 20 between the two sub-chambers 1 and 2 is located.
  • the resistance element with a negative temperature characteristic 21 is arranged in the through opening 20 such that the two resistors are aligned in the through direction of the through opening 20.
  • the passage opening 20 is small in comparison to the dimensions of the measuring chamber 16, so that the pressure drop in the measuring chamber with the higher pressure due to the occurrence of a pressure equalizing flow can be neglected.
  • either one or the other resistor is cooled down more.
  • These resistors are part of a bridge circuit, and the energy that is required for temperature compensation of the cooled resistor is measured in the bridge circuit. This energy is a measure of the pressure difference between the two subchambers of the measuring chamber 16.
  • the pressure difference in the three other chambers 13, 14 and 15 is determined in the same way.
  • FIG. 5 shows a cross section through a partial chamber in the radial direction through a probe which is protected against condensed water.
  • the lower chamber wall is oblique 'is formed sloping, so that in the measuring chamber penetrated water on the slope after flowing out below.
  • the intersection line 22 of the lower chamber wall with the side wall is accordingly a straight line.
  • On Drip projection 27 simultaneously protects the measuring chamber from penetrating dust particles.
  • a sack opening 28 which extends upwards and contains a pressure measuring device, for example a temperature-sensitive electronic component 21, which is thus protected against moisture and dust.
  • Fig. 6 shows a cross section through a measuring chamber of another embodiment of the probe with four measuring chambers.
  • the probe is rotationally symmetrical and flow-optimized.
  • the lower chamber wall slopes downwards at an angle, and the upper chamber wall has a drip bead 29 from which condensed water can drip off and flow off over the lower chamber wall.
  • the upper part of the probe is pointed.
  • the electrical supply lines for the pressure measuring device are led out of the pressure measuring chamber through a shaft 30.
  • FIG. 7 also shows a radial section through a measuring chamber.
  • This measuring chamber is closed with a thin elastic membrane 31, which acts on the measuring chamber from the outside pressure on another medium, for. B. oil transfers. The pressure is measured with the measuring device 21.
  • Fig. 8 shows a horizontal section through a probe with four measuring chambers 13, 14, 15 and 16.
  • 1 of the measuring chambers 13, 14, 15 and 16 there is a through opening 32 in the rear part in a centrally located space 37 ⁇ seen.
  • These through openings 32 are small in comparison to the dimensions of the partial chamber.
  • the space 37 is connected to the outside space, for example, via the probe shaft. If an external flow acts on the probe, a pressure builds up on this side of the probe in the measuring chamber, so that a flow is formed through the corresponding through openings 32.
  • In the interior of the room 37 there is a temperature-sensitive electronic component 38 which is cooled by this pressure equalization flow. The energy required to carry out temperature compensation is measured by means of an electronic circuit. In this way the strength of a flow can be measured.
  • the differential pressures between two subchambers 1 and 2 can be measured in order to determine the flow angle of the flow.
  • Fig. ' 9 shows a probe for measuring flows in two planes. Above a probe with four measuring chambers 13, 14, 15 and 16, as shown in FIG. 3, four further measuring chambers 23, 24, 25 and 26 are arranged in a second plane, which is the plane of the first four measuring chambers is rectangular.
  • FIG. 10 is a circuit with which the Temperaturkompensa ⁇ tion indicates a resistor used for measuring pressure with ne ⁇ gativem temperature coefficient zBeines subminiature NT C - which is used for pressure measurement W i d erstandes, Weg leads and can be measured.
  • An NTC pearl is heated to a certain temperature.
  • B by cooling the resistance when read at a pressure equalizing flow, as described above, the NTC-pearl is cooled.
  • Low-frequency pulses of approximately 2 to 400 Hz are preferably used.
  • the NTC resistor is a component of a timing element t., Which controls a pulse generator in a clocked manner. Pulse-shaped energy is supplied to the resistor in the same cycles, with longer pulses providing a higher energy supply. In other words, the larger the pulse length, the greater the energy input.
  • the regulation takes place in each case to a constant resistance value, i.e. to a constant temperature.
  • the timer t 1 works astably; it is triggered by a second timer t 2 , which is bistable.
  • a control resistor R ⁇ enables the setting of a certain basic frequency.
  • the NTC resistor forms together with the
  • Resistor R 1 is a voltage divider, which is connected to one of the outputs of the timer t .. The feedback voltage from the voltage division supplies the signal as to whether the NTC resistor has the correct value. The length of the heating pulses is then controlled by the timer t.
  • the length of the individual heating pulses is a measured variable that can be processed digitally directly. In this way the evaluation of a pressure measurement with an NTC resistor, e.g. via microprocessors, very simplified.
  • a measuring chamber 50 consists of two partial chambers 51 and 52, each of which has an opening angle of 90, so that the measuring chamber 50 has an opening angle of 180.
  • the partition 56 has the same length as the side walls of the measuring chamber 50 and abuts these side walls at right angles.
  • the measuring chamber 50 counter, opposite a second measuring chamber 55 is arranged, which consists of two sub-chambers 53 and 54th The two measuring chambers 50 and 55 thus cover the entire angle of 360.
  • measuring devices 21 for determining the pressures in the subchambers or the differential pressure are each arranged between two subchambers, which correspond to the measuring devices described above in connection with the other embodiments of the probe according to the invention. Accordingly, only the measuring openings can be arranged in the rear part of the measuring chamber or the partial chambers, and rigid or flexible pressure measuring lines conduct the pressure for measurement to the actual pressure measuring devices which are located outside the probe.
  • the probe shown in Fig. 11 is shown with a square plan, it can also be circular.
  • the shape of the contour edge of the probe has an influence on the characteristic curve, which indicates the dependence of the pressure difference between two partial chambers on the inflow angle ⁇ .
  • each of the four walls 56 can be used as a partition between two partial chambers, i.e. 51, 52 or 52, 53 or 53, 54 or 54, 51 can be used.

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Description

Verfahren zum Messen gasförmiger oder flüssiger Strö¬ mungen bezüglich Richtung und Stärke und Sonde zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen gasförmi¬ ger oder flüssiger Strömungen, hier kurz fluider Strömun¬ gen genannt, bezüglich Richtung und Stärke sowie eine Son¬ de, die bei dem Verfahren eingesetzt werden kann.
Es sind bereits viele Meßσeräte zum Messen fluider Strömun¬ gen, insbesondere Windmeßgeräte bekannt. Die Anwendungsge¬ biete für Strömungsmeßgeräte umfassen dabei alle Gebiete, auf denen Strömungen eine Rolle spielen, z.B. die Meteoro¬ logie, Flugzeuge, Schiffe, Kraftfahrzeuge, Windkanalmes- sxangen usw. Wenn auch die Meßprobleme im einzelnen vonein¬ ander verschieden sind, so besteht doch die Grundanforde¬ rung an das Strömungsmeßgerät, daß dieses Meßgerät die zu messende Strömung möglichst"wenig-stören soll. Außerdem ist das Vorhandensein bewegter Teile in einer Meßvorrichtung unerwünscht, da die bewegten Teile üblicherweise besonders starke Störungen der Strömung hervorrufen und im allgemei¬ nen nicht frei von Trägheits- und Hystereseeffekten sind. In dieser Beziehung ergaben sich deshalb bisher vor allem Schwierigkeiten, wenn die Richtung einer Strömung gemessen werden sollte. Wenn andererseits Trägheits- oder Hysterese¬ effekte bei drehenden Teilen an Strömungsmeßgeräten ver¬ mindert werden sollten, mußten die Lagerungen der drehenden Teile verbessert werden, was wiederum entweder zur Erhö¬ hung des Gewichtes der Meßsonde führte oder aber die Me߬ sonde 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 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Ver¬ fahren zum Messen gasförmiger oder flüssiger Strömungen sowie eine Sonde zur Verwendung bei diesem Verfahren zu schaffen, mit der insbesondere die Richtung der Strömung und gegebenenfalls auch die Stärke der Strömung gemessen werden kann und die leicht ist, keine bewegten Teile auf¬ weist und strömungsgünstig ausgebildet werden kann, so daß sie die zu messende Strömung selbst wenig stört.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Messen gasför¬ miger öder flüssiger Strömungen bezüglich Richtung und Stärke gelöst, bei dem a) zwei Staudrücke gemessen wer¬ den, die sich unter dem Einfluß der Strömung in zwei Meß- kammerή bei einem bestimmten Anströmwinkel ausbilden, und die Differenz oder der Quotient dieser Staudrücke ermittelt wird und/oder die Differenz dieser Staudrücke direkt gemessen wird und aus der Differenz oder dem Quotienten der Staudrücke die Richtung der Strömung bestimmt wird, wo¬ bei die Lage der beiden Meßkammeröffnungen relativ zuein¬ ander fest ist, die Meßkammeröffnungen rechteck- oder schlitz¬ förmig sind und die mittleren Normalen zu den Meßkammeröffnun¬ gen in einer Ebene liegen und die für die Strömung effek¬ tiven Staudruckmeßöffnungen der beiden Kammern nicht über den gesamten Meßbereich gleich sind, oder b) mehrere Stau¬ drücke gemessen werden, die sich unter dem Einfluß der Strömung in mehreren Meßkammern bei einem bestimmten Anström¬ winkel ausbilden, und aus Differenzen oder Quotienten oder Quotienten von Differenzen von Staudrücken oder aus den ab¬ solut oder unter Berücksichtigung der relativen Lagen der Meßstellen zueinander vektoriell summierten Meßwerten von Staudrücken oder Differenzen von Staudrücken die Richtung und/oder die Stärke der Strömung durch mathematische Ver¬ arbeitung der Meßwerte bestimmt wird, wobei die Lage der Meßkammeröffnungen relativ zueinander fest ist und die Me߬ kammeröffnungen rechteck- oder schlitzförmig sind und je¬ weils in verschiedene Richtungen gerichtet sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mindestens zwei Meßkammern vorgesehen, in denen sich unter dem Einfluß der Strömung ein Staudruck ausbilden kann. Die effektive, für den Staudruck maßgebliche Öffnung einer Kammer ändert sich mit dem Anströmwinkel der Strömung, und die beiden Meßkam¬ mern werden so angeordnet, daß der Anströmwinkel jeweils für die beiden Meßkammern verschieden ist, so daß weder die Differenz der Staudrücke in den beiden Kammern für al¬ le Anströmwinkel gleich 0 noch der Qoutient aus den beiden Staudrücken für alle Anströmwinkel gleich 1 ist. Dement¬ sprechend sind sowohl diese besagte Differenz als auch die¬ ser Quotient wenigstens für einen gewissen Anströmwinkel- bereich jeweils stetige Funktionen des Anströmwinkels.
Wenn nun aus den beiden Staudrücken die Differenz oder der Quotient gebildet wird oder aber auch die Druckdifferenz direkt gemessen wird, erhält man den AnStrömwinkel und kann somit die Richtung der Strömung bestimmen.
Die Stärke der Strömung kann in jedem Falle über einen der oder über die gemessenen Staudrücke wenigstens in an sich bekannter Weise bestimmt werden. Dazu werden gemessene Stau¬ druckwerte absolut oder vektoriell unter Berücksichtigung der Lage der Meßstellen integriert, oder die Meßwerte wer¬ den auf andere Weise mathematisch verarbeitet.
Unter allgemeinsten Bedingungen der Anordnung und der Aus¬ gestaltung der Meßkammern kann zumindest über Eichkurven eine eindeutige Beziehung zwischen Druckdifferenz, und/oder dem Quotienten der Drücke und dem Anströmwin el erhalten werden. Es ist jedoch zweckmäßig, derart einfache geometri¬ sche Relationen für die Ausgestaltung (d.h. im wesentlichen für die effektive Staudruckmeßöffnung) und die Anordnung der Meßkammern zu wählen, daß die Beziehung zwischen Druck¬ differenz und Anströmwinkel (oder Druckquotient und An¬ strömwinkel) einer einfachen mathematischen Kurve ent¬ spricht, z.B. einer Geraden, einer trigonometrischen Funk¬ tion, einer Zylinderschnittkurve, einer Kegelschnittkurve oder ähnlichen Funktion. Es kann auf diese Weise auch er¬ reicht werden, daß bestimmte Winkelbereiche empfindlicher, andere dagegen weniger empfindlich erfaßt werden, wenn sich nämlich beispielsweise die Druckdifferenz zwischen zwei Meßkammern in einem bestimmten Winkelbereich schnel¬ ler mit dem Anströmwinkel als in einem anderen ändert.
Eine Sonde, die nach diesem Prinzip arbeitet, enthält we¬ nigstens zwei Meßkammern mit rechteck- oder schlitzförmi¬ gen Meßöffnungen, in denen sich unter dem Einfluß der Strömung Staudrücke auf¬ bauen, wobei die Staudruckmeßöffnungen unter einem festen Winkel zueinander angeordnet sind, wobei die Mittellinien der Öffnungen in einer Ebene liegen, nd zwar so, daß wenig¬ stens in einem gewissen Bereich des Anströmwinkels in bei¬ den Kammern gleichzeitig Staudrücke aufgebaut werden, und es sind Meßeinrichtungen zum Bestimmen der Drücke in den Meßkammern und/oder des Differenzdruckes zwischen den bei¬ den Meßkammern in einem hinteren Teil jeder Meßkammer vor¬ gesehen.
Vorzugsweise stehen die Meßkammeröffnungen zueinander unter einem Winkel von mehr als etwa 40 , und stärker zu bevorzu¬ gen unter einem Winkel von mehr als 180 , so daß also der gegen die Strömung offene Winkelbereich der Sonde größer als 180° ist.
Wenn es erforderlich ist, die Sonde an Stellen anzubringen, an denen die zu messende Strömung leicht gestört" erden kann, beispielsweise- durch vorstehende Teile an Flugzeugen oder Hubschraubern, kann es zweckmäßiger sein, mit Sonden¬ öffnungswinkeln unter 180 zu arbeiten. Dadurch blendet die Sonde selbst einen Bereich laminarer Strömung aus. Es hängt somit von der Umströmungscharakteristik der Sonde ab, ob mit Sondenöffnungswinkeln unter 180 gearbeitet werden muß, es sei denn, Zweck der Sonde sei es, direkt einen kri¬ tischen Strömungsbereich zu erfassen und zu vermessen.
Wenn unterkritische Strömungen gemessen werden sollen, wird bevorzugt ein Sondenöffnungswinkel von mehr als 180° angewendet. In jedem Fall stehen jedoch die Meßkam¬ meröffnungen so zueinander, daß sich in den Meßkammern Staudrücke ausbilden können und sie ihre Funktion als Stauräume erfüllen können. Zweckmäßigerweise stoßen die Meßkammern mit einer ihrer Seitenwände an dem Rand der Meßkeunmeröffnungen aneinander, wodurch die Meßkammern zwei Teilkammern einer Sondenmeß- kammer bilden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin¬ dung ist die Sonde dadurch gekennzeichnet, daß sie minde¬ stens eine Meßkammer, die so durch zwei unter einem Winkel, vorzugsweise unter einem rechten Winkel, aufeinanderstoßen¬ de Seitenwände gleicher Länge und eine obere Kammerwand und eine untere Kammerwand, die sich jeweils mit den Sei¬ tenwänden entlang einer Linie schneiden, begrenzt wird, daß ein Stauraum entsteht, und eine von der oberen zu der un¬ teren Kammerwand reichende Trennwand enthält, die durch die Schnittlinie oder den Schnittpunkt der beiden Seitenwände verläuft und die Meßkammer in zwei sektorförmige Teilkam¬ mern unterteilt, sowie Meßeinrichtungen zum,Bestimmen der Drücke in den beiden Teilkammern und/oder des Differenz-' druckes zwischen den beiden Teilkammern in dem hinteren Teil der Meßkammer umfaßt.
Vorzugsweise schließt die Trennwand mit jeder Seitenwand einen Winkel von 45 ein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung be¬ sitzt die Trennwand die gleiche Länge wie die Seiten¬ wände, wobei die Vorderkante der oberen und der unteren Kammerwand jeweils ein Kreisbogen ist oder mit den Ver¬ bindungsgeraden der Endpunkte der Trennwand und der Sei¬ tenwände zusammenfällt.
Strömungsversuche im Windkanal an einer gemäß der Erfin¬ dung aufgebauten Meßkammer haben gezeigt, daß die Diffe¬ renz der Drücke p1 und p2, die sich in der als Stauraum in eine Strömung gestellten Meßkammer in den beiden Teil¬ kammern aufbauen, mit guter Näherung eine lineare Funk¬ tion des Anströmwinkels ß zwischen der Strömungsrichtung und der Trennwand ist. Messungen an einer offenen Me߬ kammer mit parallelen ebenen oberen und unteren Kammer¬ wänden haben gezeigt, daß sich der lineare Bereich bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit über einen Anströmwinkel von ungefähr +53°, d.h. a.lso insgesamt etwa 105 , er¬ streckt. Es ist dementsprechend möglich, aus der gemesse-
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nen Druckdifferenz zwischen den beiden Teilkammern in einfacher Weise einen Wert für den Anströmwinkel zu be¬ rechnen und die Richtung der Strömung relativ zu der Meßkammer, die feststeht, anzugeben.
Die Messungen haben weiterhin gezeigt, daß geringe Ab¬ weichungen von der linearen Beziehung zwischen der Druckdifferenz und dem Anströmwinkel auftreten können. Dabei hängt der charakteristische Verlauf dieser Funk¬ tion von verschiedenen Parametern ab:
1. Form der Vorderkanten der oberen und der unteren Kam¬ merwand.
Es hat sich insbesondere gezeigt, daß eine kreisbogen¬ förmige Vorderkante die Linearität stärker beeinflußt als eine Vorderkante, die mit den beiden geraden Ver¬ bindungsstrecken zwischen der Trennwand und den Sei¬ tenwänden zusammenfällt. Im ersteren Falle wurden Ab¬ weichungen von der Linearität innerhalb des Winkel¬ meßbereichs der Meß ammer über 90° von bis zu etwa 4% gemessen, während die Abweichungen von der Linea¬ rität im letzteren Falle im gleichen Meßbereich in¬ nerhalb der Meßgenauigkeit und somit unter 1% lagen.
2. Winkel zwischen der Trennwand und den Seitenwänden. Wenn die Trennwand die Meßkammer halbiert, d.h. einen Winkel von 45 mit den Seitenwänden einschließt, er¬ gibt sich eine lineare Funktion zwischen dem Anström¬ winkel und der Druckdifferenz über den gesamten Me߬ bereich der Meßkammer. Wenn die Trennwand mit den Seitenwänden jeweils verschiedene Winkel einschließt, setzt sich die gemessene Kurve, die die Abhängigkeit der Druckdifferenz von dem Anströmwinkel angibt, aus zwei geraden Teilstücken zusammen, wobei der Knickpunkt dem Anströmwinkel ß = 0 entspricht.
3. Länge der Trennwand.
Wenn die Trennwand nicht bis zur Vorderkante der obe¬ ren und unteren Kammerwände reicht, können unberechen¬ bare Randeffekte auftreten.
Hieraus ergibt sich, daß durch die Formgebung der Meßkam¬ mer in ihrem Vorderteil die Meßcharakteristik bestimmt werden kann. Gegebenenfalls erwünschte Abweichungen von einer linearen Charakteristik über den gesamten Meßbe¬ reich können zur Erhöhung der Empfindlichkeit in bestimm¬ ten ausgewählten Winkelbereichen herangezogen werden.
Für die Druckdifferenz, die sich zwischen den beiden Teil¬ kammern einstellt, wenn die Meßkammer als Staukörper in eine Strömung eines fluiden Mediums gebracht wird, ist die Differenz der Flächengrößen maßgebend, die den effek¬ tiven Teilkammeröffnungen entspricht, die die Strömung vorfindet. Mit anderen Worten, der Druck in einer Teil¬ kammer ist proportional zu der Öffnungsfläche der jewei¬ ligen Teilkammer im rechten Winkel zu der Strömunσsrich- tung. Hieraus ergibt sich, daß nur die effektive Öff¬ nungsfläche, die die Strömung vorfindet, für die Lineari¬ tät der charakteristischen Kurve in Betracht gezogen wer¬ den muß . Die Form der Kammer im hinteren Teil hat kei¬ nen Einfluß mehr auf die Linearität der Beziehung zwi¬ schen dem Anströmwinkel und der Druckdifferenz. Der hin¬ tere Teil der Meßkammer bzw. der Teilkammern kann des- halb entsprechend anderen Erfordernissen an die Meßsonde weitgehend beliebig ausgelegt werden. Da die Meßkammer gemäß der Erfindung vorzugsweise im Freien eingesetzt wird, ist es vorteilhaft, Vorkehrun¬ gen gegen Kondenswasser, Spritzwasser, Staubpartikel und gegebenenfalls eindringende Insekten vorzusehen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist deshalb die Schnittlinie der unteren Kammerwand mit einer Seitenwand eine von unten nach oben aufsteigende Linie. Falls Wasser in die Kammer eindringt, läuft es auf der schrägen Fläche nach unten wieder ab.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Er¬ findung weist die obere Kammerwand einen sich von einer Seitenwand zur anderen erstreckenden Tropfwulst oder einen Tropfvorsprung auf. Weiterhin ist auch die obere Kamirierwand vorzugsweise schräg geneigt auszubilden. Falls sich dann Kondenswasser in der Kammer ansammelt, läuft es auch an der oberen Kammerwand nach unten und tropft von dem Tropfvorsprung oder Tropfwulst nach unten, trifft auf die untere schräge Kammerwand und fließt aus der Meßkammer aus.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die hinteren, spitzwinkligen Teile der Teilkammern mit Sack¬ öffnungen verbunden, die sich nach oben erstrecken und gegen Flugstaub geschützt sind. In diesen Sacköffnungen sind die Meßeinrichtungen vor Staub geschützt angeordnet.
Es ist weiterhin vorteilhaft, im vorderen Teil der Teil¬ kammern einen netz- oder gitterartigen Insektenschutz vorzusehen, falls die Meßsonde durch eindringende Insek¬ ten gestört werden könnte. Dieser netz- oder gitterartige Insektenschutz muß jedoch so weit von der Vorderkante der Meßkammer entfernt angebracht werden, daß sein Vorhanden¬ sein nicht die effektive Öffnungsgröße beeinflußt.
Da ein wesentliches Anwendungsgebiet der Meßsonde gemäß der Erfindung die Meteorologie ist, wird es nicht zu vermeiden sein, daß die Sonde auch bei tiefen Tempera¬ turen zur Vereisung neigen kann. Aus diesem Grunde wird es für bestimmte Anwendungsgebiete zweckmäßig sein, die Meßsonde mit einer elektrischen Heizeinrichtung zur Ent¬ eisung zu versehen. Die Heizeinrichtung selbst kann in herkömmlicher Weise ausgeführt sein, so lange sicherge¬ stellt ist, daß sie die Strömung um die Meßsonde nicht stört oder die gegebenenfalls elektronisch durchgeführte Druckmessung nicht beeinflußt.
Des weiteren ist es bei Meßsonden, die im Freien aufge¬ stellt sind, unerwünscht, daß sich Vögel auf ihnen nie¬ derlassen und sie durch ihr Gewicht dejustieren oder erschüttern. Dieses Problem stellt sich insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäße Meßsonde auf Schiffen zur Bestimmung der Windrichtung verwendet wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist deshalb der obere Teil der Meßsonde mit einer Spitze versehen, die nach oben aufragt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Teilkammern in ihrem vorderen Teil mit einer dünnen ela¬ stischen Membran verschlossen, die den Druck in das Innere der Kammer überträgt. Die Membran muß so dünn und so elastisch sein, daß der Druck fehlerfrei auf das sich im Inneren der Kammer befindende Medium übertragen wird. Dabei kann das Innere der Teilkammer mit einem inkompressib- len Druckmeßmedium wie z.B. Öl gefüllt sein. Diese Aus- führungsform der Erfindung gestattet, daß die Sonde zur Messung von Strömungen korrodierender, aggressiver, feuchter und anderer schädlicher Medien eingesetzt wird, ohne daß die eigentlichen Druckmeßeinrichtungen im Inne¬ ren der Teilkammern angegriffen werden. Mit einer Sonde dieser Art können somit auch bei geeigneter Wahl des Membranmaterials Strömungen aggressiver chemischer Sub¬ stanzen gemessen werden.
Zu bemerken ist, daß die Versuche gezeigt haben, daß die Größe der Meßkammer keinen Einfluß auf die Linearitäts- beziehung zwischen dem Anströmwinkel und der Druckdiffe¬ renz in den Teilkammern hat. Die Sonde kann deshalb sehr klein ausgebildet werden. Die Größe der Sonde, d.h. der Meßkammern, hat jedoch einen Einfluß auf die Empfind¬ lichkeit der Sonde , wenn nicht nur die Strömungsrichtung sondern auch der Druck selbst bestimmt werden soll. Für* genauere Messungen ist deshalb eine Sonde mit größeren Dimensionen erforderlich, um den Druck exakter messen zu können.
In der besonders bevorzugten Ausführungsform der Sonde gemäß der Erfindung sind vier gleiche Meßkammern vorge¬ sehen, die mit ihren Spitzen aneinanderstoßend, Seiten¬ fläche an Seitenfläche, so angeordnet sind, daß ihre Vorderflächen ein umlaufendes Band bilden, dessen Pro¬ jektion der Kontur der Vorderkante der Messkammern ent¬ spricht, d.h. vorzugsweise ein Kreis oder ein Achteck ist. Es ist auch möglich, vier gleiche Meßkammern auf diese Weise so anzuordnen, daß die Projektion ihrer Vorderkanten ein Quadrat ist. Die Wahl der Kontur der Vorderkante der Meßkammern hängt, wie bereits vorstehend ausgeführt wurde, von der gewünschten Charakteristik der Beziehung zwischen dem Anströmwinkel und der Druckdiffe¬ renz in den Teilkammern ab.
In dieser Ausführungsform mit vier Meßkammern werden Strömungsrichtungen über Richtungen von 360 erfaßt. Jeweils eine Meßkammer mit zwei Teilkammern erfaßt einen Winkelbereich von 90°. Die im mittleren Teil der Sonde angeordneten Druckmeßeinrichtungen sind zweckmäßigerweise so beschaffen, daß sie den Meßwert als elektrisches Sig¬ nal abgeben. Mit an sich bekannten Mitteln,wie z.B. Mikroprozessoren, können die Meßwerte der einzelnen Teilkammern abgefragt und ausgewertet werden. Die Diffe¬ renz der Druckwerte der zwei Teilkammern jeweils einer Meßkammer liefert dabei die Richtung der Strömung, wäh¬ rend durch Integration oder einfache Addition der gemessenen Druckwerte die Stärke der Strömung bestimmt werden.
Als Meßeinrichtungen zum Bestimmen der Drücke in den beiden Teilkammern und/oder des Differenzdruckes zwischen den beiden Teilkammern können alle an sich bekannten Druckmeßeinrichtun¬ gen verwendet werden. Wenn ihre Abmessungen klein genug sind, werden sie direkt im hinteren Teil der Teilkammern angeordnet. Deshalb können z.B. druckabhängige elektronische Bauteile (wie Halbleiter, Piezokristalle, Hallsonden) oder temperaturempfind¬ liche elektronische Bauteile (wie NTC- oder PTC-Widerstände, Halbleiter usw.), die zur indirekten Druckmessung verwendet werden, wie nachstehend noch näher erläutert wird, in den Teil¬ kammern selbst angebracht werden, wobei ihre Meßleitungen durch das Innere der Sonde und z.B. deren Halteschaft naph außen ge¬ führt werden. Wenn die Druckmeßeinrichtungen jedoch zu groß sind oder gegen schädliche TemperaturSchwankungen, Erschütte¬ rungen oder andere Störeinflüsse geschützt werden sollen, be¬ finden sich im hinteren Teil der Teilkammern nur die Meßöffnun¬ gen für die Druckmeßeinrichtungen und starre oder flexible Druckleitungen, die auch z.B. durch den Halteschaft der Sonde geführt sind, verbinden diese Meßöffnungen mit den eigentli- chen Druckmeßkammern der Meßeinrichtungen, die sich getrennt von und außerhalb der Sonde befinden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfassen die Meßeinrichtungen zwei offene Rohre, deren Meßöffnungen sich im hinteren Teil jeweils einer Teil¬ kammer befinden und deren anderes Ende mit jeweils einem Schenkel eines U- ohr-Manometers verbunden ist. Da es üblicherweise erwünscht ist, den Druck oder die Druck¬ differenz als elektrisches Signal zu erhalten, ist in einer bevorzugten Ausführungsform das ü- ohr-Manometer mit Queck¬ silber gefüllt und die Quecksilbersäulenhöhe ist elektrisch über die Verstimmung einer Induktionsspule oder zweier Induktionsspulen meßbar, wobei sich der bzw. die Schenkel des U-Rohres innerhalb der Spule bzw. Spulen befindet. D^ie Verstimmung der Induktionsspule kann in an sich bekannter Weise mit einer Brückensσhaltung gemessen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Meßeinrichtungen zwei offene Rohre, deren Meßöffnung sich im hinteren Teil jeweils einer Teilkammer befindet und deren anderes Ende mit jeweils einer Kammer einer barometrischen Druckmeßdose verbunden ist. Die somit direkt meßbare Druckdifferenz zwischen zwei Teilkammern einer Meßkammer kann am Barometer abgelesen werden oder in an sich bekannter Weise als elektrisches Signal ent¬ nommen und weiter verarbeitet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde sind die Meßeinrichtungen zur Druckmessung zwei Piezo- kristall-Drucksonden, die im hinteren Teil jeweils einer Teilkammer angeordnet sind. Diese Drucksonden liefern direkt ein elektrisches Signal, aus dem die Druckdifferenz leicht elektrisch ermittelt werden kann. Weiterhin kann durch Sum- ation oder Integration das piezo-elektrische Signal zu einem Meßwert für die Gesamtstärke der Strömung verarbeitet werden. In einer Vierkammer-Sonde werden dabei, wie be¬ reits vorstehend beschrieben wurde, die acht Druckmeßwerte aus den einzelnen Teilkammern nach Richtung analysiert und integriert.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfin¬ dungsgemäßen Sonde sind die Teilkammern vorn mit piezo- empfindlichen Streifen oder Dehnungsstreifen zur direkten Druckmessung verschlossen, deren drucksensible Fläche jeweils gleich der gesamten effektiven Öffnungsfläche der Teilkammer ist. Durch eine geeignete Formgebung des vorderen Teils der Meßkammer müssen bei dieser Anordnung nicht berechenbare Randeffekte ausgeschlossen werden, , oder es muß über eine Eichkurve die Charakteristik in Be¬ zug auf die Ab ängigkeit der Druckdifferenz von dem Anströmwinkel festgelegt werden.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde weist die Trennwand in ihrem hinteren Teil eine im Vergleich zu den Dimensionen der Meßkammer kleine Durchgangsöffnung auf, durch die sich unter dem Einfluß einer gegebenenfalls bestehenden Druck¬ differenz zwischen den beiden Teilkammern eine Druckaus¬ gleichströmung ausbildet, und es sind Meßeinrichtungen vorgesehen, mit denen die Druckausgleichströmung gemessen werden kann. Vorzugsweise umfassen die Einrichtungen zum Messen der Druckausgleichströmung temperaturabhängige elektronische Bauteile, wie beispielsweise temperaturab¬ hängige Widerstände, Halbleiterfühler oder Sperrschicht¬ elemente, deren Temperaturänderung elektronisch erfaßt und in Druckdifferenzwerte umgewandelt wird. Insbesondere vorteilhaft ist die Anordnung einer Kombination aus zwei Wideiiständen mit negativem Temperaturkoeffizienten in der Durchgangsöffnung, und zwar dergestalt, daß die zwei Widerstände in der Durchgangsrichtung der Durchgangs¬ öffnung durch die Trennwand ausgerichtet angeordnet sind, so daß der Widerstand auf der Seite mit dem höheren Druck stärker gekühlt wird als der andere Widerstand. Diese Widerstandskombination ist ein Teil einer Brückenschaltung, in der die zur Temperaturkompensation des stärker gekühl¬ ten Widerstandes erforderliche Energie gemessen wird, die ein Maß für die Druckdifferenz zwischen den Teilkammern ist. Hierbei wird die Energie vorzugsweise gepulst zuge¬ führt, so daß leicht digitale Meßwerte abgeleitet werden können. In diesem Falle ist es nicht nötig, den Energie¬ wert über einen Analog-Digital-Wandler umzuformen. Die Richtung der Druckausgleichströmung, d.h. die Analyse, in welcher der beiden Teilkammern der Druck höher ist, kann ebenfalls elektronisch festgestellt werden, indem er it- telt wird, welcher der beiden Widerstände stärker durch die Druckausgleichströmung abgekühlt wird.
In einer Sonde mit vier Meßkammern werden beispielsweise durch Mikroprozessoren die vier Meßkammern der Reihe nach abgefragt, um zu ermitteln, in welcher Richtung das zu messende Fluid strömt. Durch eine geeignete Eichung der temperaturabhängigen Widerstände kann auch die Strömungsstärke bestimmt werden.
Wenn Strömungsstärken gemessen werden sollen, können auch zusätzlich an sich bekannte Strömungsmeßgeräte, z.B. Staurohre eingesetzt werden, die von dem Meßergebnis der Richtungsmessun optimal in Strömungsrichtung ausgerichtet werden. •
In einer anderen Ausführungsform der Sonde gemäß der Erfindung, die zum Messen der Stärke der Strömung dient, weisen die acht Teilkammern einer Vierkammer-Sonde jeweils in ihrem hinteren Teil im Vergleich zu den Dimensionen der Teilkammer kleine Durchgangsöffnungen auf, die alle radial in einen zentral gelegenen Raum, der mit dem sta¬ tischen Druck in Verbindung steht, innerhalb der Sonde ge¬ führt und auf ein temperaturabhängiges elektronisches Bautei wie beispielweise einen temperaturabhängigen Widerstand, Halbleiterfühler oder Sperrschichtelement gerichtet sind, wobei dieses elektronische Bauteil durch die Druckausgleiσhströmung, die sich in den acht Durch¬ gangsöffnungen ausbildet, gekühlt wird, und eine Schaltung ist vorgesehen, die die zur Temperaturkompensation des elektronischen Bauteils erforderliche Energie liefert und mißt, die ihrerseits ein Maß für die Stärke der Strömung ist. In dieser Anordnung werden alle auf die Sonde gerichteten Strömungskomponenten im Bereich von 360 erfaßt und aufsummiert.
Eine Kombination der beiden zuletzt beschriebenen Ausfüh¬ rungsformen der-Sonde gemäß der Erfindung liefert somit ' Informationen über eine Strömung in Bezug auf Richtung und Stärke, wobei die die Information enthaltenden Signale sehr leicht rechnerisch, beispielsweise über Mikroprozes¬ soren, zu verarbeiten sind.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sonde mit vierM kammern sind weitere vier Meßkammern vorgesehen, von denen zwei mit ihren spitzen Winkeln aneinanderstoßend und Seitenfläche an Seitenfläche auf einer Seite und recht¬ winklig zu den ersten vier Meßkammern angeordnet sind und die anderen zwei in gleicher Weise auf der anderen Seite der ersten vier Meßkammern angeordnet sind, so daß die' vier weiteren Meßkammern im wesentlichen in einer Ebene liegen, die zu der Ebene der ersten vier Meßkammern recht¬ winklig verläuft. Durch eine derartige Anordnung sind Strömungen in zwei zueinander senkrechten Ebenen meßbar.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Sonde sind noch vier weitere Meßkammern vor¬ gesehen, die in einer dritten Ebene angeordnet sind, die zu den beiden anderen Ebenen rechtwinklig verläuft, wobei die spitzen Winkel dieser vier weiteren Meßkammern im wesentlichen auf den Schnittpunkt der drei Ebenen ausge¬ richtet sind. Durch eine derartige Anordnung kann jede Strömung im Raum nach Richtung und Stärke bestimmt werden.
Für die Sonde gemäß der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen besteht eine breite Vielfalt von Anwen¬ dungsmöglichkeiten. Im folgenden werden einige Einsatz- möglichkeiten der erfindungsgemäßen Sonde angegeben.
1. Windmesser
Mit der Sonde gemäß der Erfindung können Windströ¬ mungen nach Richtung und Stärke gemessen werden.' Die Sonde besitzt keine mechanisch bewegten Teile und kann ultraleicht ausgebildet werden. Sie ist. deshalb besonders vorteilhaft zur Windmessung auf Schiffen einsetzbar. In der Meteorologie kann die Sonde zur Windmessung insbesondere dann eingesetzt werden, wenn Feuchtigkeit, tiefe Temperaturen oder hohe Temperaturen den Einsatz von Sonden mit bewegten Teilen erschweren. Außerdem sind die elektronischen Meßsignale besonders einfach auszuwerten und weiter- zuverarbeiten.
2. Strömungs- und Driftmesser zum Beispiel für Schiffe im Wasser oder für Flugzeuge in der Luft. Mit der Sonde wird die Richtung der Drift in Bezug auf eine gewünschte Fahrtrichtung und/ oder Strömung bestimmt.
3. Trimmwinkelmesser für Flugzeuge
Zwei gekreuzte. Zweikammer-Sonden messen die Drehungen *um die Hochachse oder Querachse des Flugzeugs, d.h. Änderungen der Flugzeuglage während des Fluges. Es können der Trimmwinkel um die Querachse oder der Gierwinkel um die Hochachse gemessen werden. Die erhaltenen Signale geben dem Piloten wichtige In¬ formationen.
4. Signalgeber für Gierdämpfer bei Flugzeugen.
5. Staudüse für Flugzeugfahrtmesser mit großem Anström¬ winkel und ohne Abhängigkeit vom statischen Druck.
Staudüsen besitzen einen Arbeitswinkel von maximal 17 . Wenn jedoch beispielsweise Sportflugzeuge bei Manövern mit Schiebewinkeln, die größer als 15 sind, fliegen, funktionieren Staudruckmesser nicht mehr, da der Arbeitswinkel überschritten wird. Mit der Sonde gemäß der Erfindung können jedoch belie¬ bige Winkel erfaßt werden. Außerdem kann die Sonde gemäß der Erfindung Seitenwinde erfassen, was für Flugzeuge von Vorteil ist, die von dem Dirigieren durch einen Tower unabhängig sein müssen, wie beispielsweise Militärflugzeuge.
6. Sensor zur Kurskorrektur bei landwirtschaftlichen
Sprühflugzeugen führer Sprühflugzeug-?/müssen die Sprührichtung genau kennen, insbesondere da es sich bei den Sprühchemikalien um
Materialien handelt, die nur gezielt auf dem Boden auftreffen müssen. Sobald Seitenwinde entstehen, wird das Sprühgut abgetrieben. Eine Sonde gemäß der
Erfindung, die sich am Boden befindet, kann Meßwerte bezüglich auftretender Seitenwinde zum Sprühflugzeug hochsenden. 7. Seitenwindwarnung für Automobile
Ein Fahrer eines PKW oder eines LKW, insbesondere mit Anhänger, unterschätzt häufig das Vorhandensein von Seitenwinden. Eine Sonde gemäß der Erfindung gibt eine Seitenwindwarnung ab, wenn eine bestimmte Wind¬ stärke gemessen wird. Diese Seitenwindwarnung signa¬ lisiert dem Fahrer, daß eine bestimmte Geschwindig¬ keit nicht überschritten werden darf, um Versetzungen des Fahrzeugs auf der Fahrbahn zu vermeiden.
8. Meßsonde für Windkanäle
Mit einer Sonde gemäß der Erfindung kann die Lage eines Meßobjektes in einem Windkanal bezüglich der Strömung einfach gemessen werden. Die Meßsonde ist klein und kann an dem Meßobjekt an einer Stelle ange¬ bracht werden, an der sie die zu messende Strömung nicht stört.
9. Meßsonde für Windwarngeräte
Mit der Meßsonde gemäß der Erfindung sind selektive Richtungswarnungen auf einfache Weise über die ver¬ schiedensten Windwarngeräte möglich.
10. Sensor für Industrieroboter
In letzter Zeit werden Industrieroboter für die ver¬ schiedensten Anwendungsgebiete entwickelt. Ein Roboter soll möglichst viele ümweltparameter erkennen können. Hierzu ist die Erkennung einer Strömung im Raum ein äußerst vorteilhafter Parameter. Wenn z.B. ein Roboter zum Verspritzen von Farbe eingesetzt wird, kann die Erkennung von Seitenwinden die Spritz- düsenhalterung korrigieren, um Falschsprühen zu vermeiden. 11. Nachführsensor für windgetriebene Anlagen
In Windkraftwerken wird durch die erfindungsgemäße Sonde die Strömungsrichtung erkannt. Hierdurch können z.B. 'Blatteinstellwinkel, Windräder, Windturbinen usw. optimiert werden. Zu bemerken ist, daß die Sonde hysteresefrei arbeitet.
12. Signalgeber für Windkompensatoren für zivile und militärische Anwendungen
Bei ballistischen Aufgaben, wie z.B. dem Schießen von Rettungsleinen, Seilen, Raketen oder Granaten, müssen Seitenwindkomponenten exakt in die ballisti¬ schen Berechnungen miteinbezogen werden. Eine nach allen Richtungen messende" Sonde gemäß der Erfindung liefert die erforderlichen Strömungswerte.
13. Rundumsonde
Anordnungen der erfindungsgemäßen Sonde in zwei oder drei Ebenen sind empfindlich fürStrömungen in verti¬ kalen und horizontalen Richtungen. Derartige Messun¬ gen sind z.B. im Gebirge erforderlich, um aufsteigende oder fallende Luftströmungen zu erfassen. Dabei können auch örtliche Turbulenzen erfaßt werden. Weiterhin sind derartige Rundumsonden für Wetter¬ sonden von hohem Nutzen.
14. Kompensationsgeber in Strömungen von Fluiden
In Mischvorrichtungen müssen häufig Strömungen aus verschiedenen Rohren gesteuert werden. Mit der Sonde gemäß der Erfindung können Strömungen aus falschen Richtungen erkannt werden, wodurch Signale erzeugt werden, die zur Regelung von Kompensations¬ gebern verwendet werden. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde ireit durch Membranen verschlossenen Kammern kann die Sonde auch in Feuchträumen oder aggressiven Medien, z.B. in der Chemie, eingesetzt werden.
Im folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Sonde gemäß der Erfindung mit einer einzigen
Meßkammer, Fig. 2 eine Meßkurve, die an der Sonde gemäß Fig. 1 gemessen worden ist und die Abhängigkeit der Druckdifferenz in den Teilkammern von dem Anströmwinkel ß zeigt, Fig. 3 eine Sonde gemäß der Erfindung mit vier Meßkammern, Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der Druckdifferenz-Me߬ einrichtung in Fig. 3, Fig. 5 einen Schnitt durch eine Meßkammer in radialer Richtung, Fig. 6 einen Schnitt durch eine Meßkammer in radialer Richtung _ gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgerαä- ßen Sonde, Fig. 7 einen Schnitt durch eine Meßkammer, die mit einer dünnen
Membran verschlossen ist, Fig. 8 einen horizontalen Schnitt durch eine andere Sonde ent¬ sprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung, mit der die Stärke einer Strömung gemessen werden kann, Fig. 9 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde zur Messung von Strömungen in zwei Ebenen, Fig.10 eine Schaltung, die zur Druckmessung mit einem tempera¬ turempfindlichen Widerstand verwendet wird, und Fig.11 noch eine .andere Ausführungsform der Sonde. Fig. 1 zeigt eine Sonde gemäß der Erfindung, die/einzige offene Meßkammer enthält, deren obere Kammerwand 3 parallel zu ihrer unteren Kammerwand 4 verläuft, und zwei dazu rechtwinklige Sei¬ tenwände 5, die in einem Winkel von 90 aufeinanderstoßen und gleich lang sind, begrenzen die Meßkammer. Eine zu den ebenen obere« und unteren Kammerwänden rechtwinklige Trennwand 6, die durch die Schnittlinie der beiden Seitenwände 5 verläuft, trennt die Meßkammer in zwei sektorför ige Teilkammern 1 und mit gleichem öffnungswinkel von 45 . Im hinteren Teil der Tei kammern 1 und 2 sind Meßeinrichtungen zum Bestimmen des Diffe renzdruckes vorgesehen, der sich zwischen den beiden Teilkam¬ mern 1 und 2 aufbaut, wenn eine Strömung im Anströmwinkel ß in Bezug auf die Trennwand 6 auf die offene Meßkammer auftri Im dargestellten Beispiel sind die Meßeinrichtungen zwei offe Rohre 7 und 8, deren Meßöffnungen 9 bzw. 10 im hinteren Teil der Teilkammer 1 bzw. der Teilkammer 2 liegen. Die offenen Rohre 7 und 8 sind mit den beiden Schenkeln eines U-Rohr-Ma- nometers verbunden, mit dem die Druckdifferenz zwischen den Teilkammern 1 und 2 direkt gemessen werden kann.
Fig. 2 zeigt eine Meßkurve, die mit einem U-Rohr-Manometer an einer Meßkammer, wie sie in Fig. 1 dargestellt, ist, gemes¬ sen worden ist. Die Druckdifferenz ist in einem Bereich von etwa 105 innerhalb der Meßgenauigkeit eine lineare Funktion des Anströmwinkels ß. Durch diese einfache Beziehung zwischen der meßbaren Druckdifferenz und dem Anströmwinkel ß kann leic aus der Druckdifferenz die Richtung einer auf die Meßkammer auftreffenden Strömung bestimmt werden.
Das in Fig. 1 dargestellte U-Rohr-Manometer ist ein Quecksil¬ bermanometer, bei dem die Höhe der Quecksilbersäule mit Induk tionsspulen 11 und 12 gemessen wird, deren Verstimmung durch die Änderung der Quecksilbersäule beispielsweise in Brücken¬ schaltungen meßbar sind.
Fig. 3 zeigt eine Sonde gemäß der Erfindung, die vier Me߬ kammern 13, 14, 15 und 16 enthält, die zu einer kreisscheiben förmigen Sonde zum Erfassen von Strömungen über einen Bereich 360 zusammen angeordnet sind. Die Seitenwände 5 zweier benac barter Meßkammern berühren sich, und die Trennwände 6 der vie Meßkammern sind jeweils genau so lang wie die Seitenwände 5 und reichen bis zur Vorderkante 40 der Meßkammern. Der Aufbau einer derartigen Sonde ist einfach, und die Sonde ist leicht und billig herstellbar.
Bei diesem Ausführungsbeis'piel der Sonde gemäß der Erfindung ist jeweils im hinteren Teil einer Trennwand 6 eine Durchgangs¬ öffnung 17, 18, 19 bzw. 20 vorgesehen, in der eine Kombination aus zwei Subminiatur-NTC-Widerständen 21 angeordnet ist. Fig.4. zeigt vergrößert eine Ausschnitt aus der Trennwand 6 der Me߬ kammer 16, in dem sich die Durchgangsöffnung 20 zwischen den zwei Teilkammern 1 und 2 befindet. Das Widerstandselement mit negativer Teperaturcharakteristik 21 ist so in der Durchgangs¬ öffnung 20 angeordnet, daß die zwei Widerstände in der Durch¬ gangsrichtung der Durchgangsöffnung 20 ausgerichtet liegen. Die Durchgangsöffnung 20 ist klein im Vergleich zu den Dimen¬ sionen der Meßkammer 16, sodaß der Druckabfall in der Meßkam¬ mer mit «dem höheren Druck durch das Auftreten einer Druckaus¬ gleichströmung zu vernachlässigen ist.
Je nach Richtung der Druckausgleichströmung wird entweder der eine oder der andere Widerstand stärker abgekühlt. Diese Wi¬ derstände sind Teile einer Brückenschaltung, und in der Brük- kenschaltung wird die Energie gemessen, die zur Temperaturkom¬ pensation des Gekühlten Widerstandes erforderlich ist. Diese Energie ist ein Maß für die Druckdifferenz zwischen den beiden Teilkammern der Meßkammer 16.
In gleicher Weise wird die Druckdifferenz in den drei anderen Kammern 13, 14 und 15 bestimmt.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Teilkammer in radia¬ ler Richtung durch eine Sonde, die gegen Kondenswasser geschütz ist. Die untere Kammerwand ist schräg' abfallend ausgebildet, sodaß in die Meßkammer eingedrungenes Wasser auf der Schräge nach unten ausfließt. Die Schnittlinie 22 der unteren Kammer¬ wand mit der Seitenwand ist dementsprechen!eine Gerade. Ein Tropfvorsprung 27 schützt die Meßkammer gleichzeitig vor ein¬ dringenden Staubteilchen. Im hinteren Teil der Kammer ist ein Sacköffnung 28 vorgesehen, die sich nach oben erstreckt und eine Druckmeßvorrichtung, z.B. ein temperaturempfindliches elektronisches Bauteil 21, enthält, das somit gegen Feuchtig¬ keit und Staub geschützt ist.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Meßkammer einer anderen Ausführungsform der Sonde mit vier Meßkammern. Die Sonde ist rotationssymmetrisch und strömungsmäßig optimiert. Die untere Kammerwand fällt schräg nach unten ab, und obere Kammerwand weist einen Tropfwulst 29 auf, von dem Kondenswas¬ ser abtropfen kann und über die untere Kammerwand abfließt. Der obere Teil der Sonde ist spitz ausgebildet. Im Inneren der Sonde, nahe der Achse, werden die elektrischen Versor¬ gungsleitungen für die Druckmeßeinrichtung durch einen Schaft 30 aus der Druckmeßkammer herausgeführt.
Fig.7 zeigt ebenfalls einen radialen Schnitt durch eine Me߬ kammer. Diese Meßkammer ist mit einer dünnen elastischen Membran 31 verschlossen, die den von außen auf die Meßkammer wirkenden Druck auf ein anderes Medium, z. B. Öl, überträgt. Der Druck wird mit der Meßeinrichtung 21 gemessen.
Fig. 8 zeigt einen horizontalen Schnitt durch eine Sonde mit vier Meßkammern 13, 14, 15 und 16. In jeder Teilkammer 1, 2 der Meßkammern 13, 14, 15 und 16 ist im hinteren Teil eine Durchgangsöffnung 32 in einen zentral gelegenen Raum 37 vor¬ gesehen. Diese Durchgangsöffnungen 32 sind im Vergleich zu den Dimensionen der Teilkammer klein. Der Raum 37 steht z.B. über den Tragschaft der Sonde mit dem Außenraum in Verbindung. Wenn eine äußere Strömung auf die Sonde einwirkt, baut sich an dieser Seite der Sonde ein Druck in der Meßkammer auf, so- daß sich eine Strömung durch die entsprechenden Durchgangsöff¬ nungen 32 ausbildet. Im Inneren des Raumes 37 befindet sich ein temperaturempfindliches elektronisches Bauteil 38, das durch diese Druckausgleichströmung gekühlt wird. Mittels einer elektro nischen Schaltung wird die Energie gemessen, die nötig ist, um Temperaturkompensation durchzuführen. Auf diese Weise kann die Stärke einer Strömung gemessen werden.
Weiterhin können in der Sonde, die in Fig. 8 dargestellt ist, mit Meßeinrichtungen, die zur Vereinfachung der Zeichnung hier nicht dargestellt sind, die Differenzdrücke jeweils zwischen zwei Teilkammern 1 und 2 gemessen werden, um den Anströmwinkel der Strömung zu bestimmen.
Fig.' 9 zeigt eine Sonde zum Messen von Strömungen in zwei Ebe¬ nen. Über einer Sonde mit vier Meßkammern 13, 14, 15 und 16, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist', sind vier weitere Meßkam- mern 23, 24, 25 und 26 in einer zweiten Ebene angeordnet, die zur Ebene der ersten vier Meßkammern rechtwinklig ist.
Um den vollen Raum zu erfassen, d.h. Strömungen aus beliebigen Richtungen im Raum messen zu können, können noch vier weitere Meßkammern 33, 34, 35 und 36 in einer dritten Ebene, die zu den ersten beiden Ebenen rechtwinklig verläuft, angeordnet werden. In Fig. 9 ist die Lage dieser weiteren vier Meßkammern durch Pfeile angedeutet.
Fig. 10 zeigt eine Schaltung, mit der die Temperaturkompensa¬ tion eines zur Druckmessung verwendeten Widerstandes mit ne¬ gativem Temperaturkoeffizienten, z.B.eines Subminiatur-NTC- Widerstandes, der zur Druckmessung verwendet wird, durchge¬ führt und gemessen werden kann. Eine NTC-Perle wird auf eine bestimmte Temperatur geheizt. Durch Abkühlung des Widerstandes beim Anblasen einer Druckausgleichströmung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, wird die NTC-Perle abgekühlt. Im vorliegen- den Falle wird die Energie, die zum Wiedererwärmen auf die glei¬ che Temperatur erforderlich ist, gepulst zugeführt. Verwendet werden vorzugsweise niederfrequente Impulse von etwa 2 bis 400 Hz.
Der NTC-Widerstand ist ein Bestandteil eines Zeitgliedes t., , das einen Impulsgenerator taktmäßig steuert. In gleichen Tak¬ ten wird dem Widerstand impulsförmige Energie zugeführt, wobei längere Impulse eine höhere Energiezufuhr liefern. Mit anderen Worten, je größer die Impulslänge ist, desto größer ist die Energiezufuhr. Die Regelung erfolgt jeweils auf einen konstan¬ ten Widerstandswert, d.h. auf eine konstante Temperatur.
Der Zeitgeber t1 arbeitet astabil; er wird von einem zweiten Zeitgeber t2 angestoßen, der bistabil arbeitet. Ein Regel¬ widerstand R~ ermöglicht die Einstellung einer bestimmten Grundfreguenz. Der NTC-Widerstand bildet zusammen mit dem
Widerstand R1 einen Spannungsteiler, der mit einem der Aus¬ gänge des Zeitgebers t.. verbunden ist. Die Feedback-Spannung .aus der Spannungsteilung liefert das Signal, ob der NTC-Wider¬ stand den richtigen Wert besitzt. Entsprechend dem Signal wird dann vom Zeitgeber t.. die Länge der Heizimpulse gesteuert.
In dieser Schaltung ist die Länge der einzelnen Heizimpulse eine Meßgröße, die direkt digital weiterverarbeitet werden kann. Auf diese Weise wird die Auswertung einer Druckmessung mit einem NTC-Widerstand, z.B. über Mikroprozessoren, sehr vereinfacht.
Fig. 11 zeigt noch eine andere Ausführungsform einer Sonde gemäß der Erfindung. Bei dieser Sonde besteht eine Meßkammer 50 aus zwei Teilkammern 51 und 52, die jeweils einen Öffnungs¬ winkel von 90 besitzen, sodaß die Meßkammer 50 einen Öffnungs¬ winkel von 180 aufweist. Die Trennwand 56 besitzt die gleiche Länge wie die Seitenwände der Meßkammer 50 und stößt jeweils rechtwinklig auf diese Seitenwände. Der Meßkammer 50 gegen-, überliegend ist eine zweite Meßkammer 55 angeordnet, die aus zwei Teilkammern 53 und 54 besteht. Die beiden Meßkammern 50 und 55 erfassen somit den gesamten Winkel von 360 .
In den vier Teilkammern 51, 52, 53 und 54 sind jeweils Me߬ einrichtungen 21 zum Bestimmen der Drücke in den Teilkammern oder des Differenzdruckes jeweils zwischen zwei Teilkammern angeordnet, die den vorstehend in Verbindung mit den anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sonde beschriebenen Meßeinrichtungen entsprechen. Es können dementsprechend auch nur die Meßöffnungen in dem hinteren Teil der Meßkammer bzw. der Teilkammern angeordnet sein und starre oder flexible Druck¬ meßleitungen den Druck zur Messung an die eigentlichen Druck¬ meßeinrichtungen führen, die sich außerhalb der Sonde befinden.
Obgleich die in Fig. 11 gezeigte Sonde mit einem quadratischen Grundriß dargestellt ist, kann sie auch kreisrund ausgebildet sein. Die Form der Umrißkante der Sonde hat dabei einen Einfluß auf die Kennlinie, die die Abhängigkeit derDruckdifferenz zwischen zwei Teilkammern von dem Anströmwinkel ß angibt.
Bei der Messung über einen Bereich von 360° kann bei dieser Sonde jede der vier Wände 56 als Trennwand zwischen zwei Teil¬ kammern, d.h. 51, 52 oder 52, 53 oder 53, 54 oder 54, 51, ver¬ wendet werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Messen gasförmiger oder flüssiger 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 a) zwei Staudrücke gemessen werden, die sich unter dem Einfluß der Strömung in zwei Meßkammern bei einem bestimmten Anströmwinkel ausbilden, und die Differenz oder der Quotient dieser Staudrücke ermittelt wird und/oder die Differenz dieser Stau¬ drücke direkt gemessen wird und aus der Differenz oder dem Quotienten der Staudrücke die Richtung der Strömung bestimmt wird, wobei die Lage der bei¬ den Meßkammeröffnungen relativ zueinander fest ist, die"Meßkammeröffnungen rechteck- oder schlitzförmig ' sind und die mittleren Normalen zu den Meßkammeröff¬ nungen in einer Ebene liegen und die für die Strö¬ mung effektiven Staudruckmeßöffnungen der beiden Kammern nicht über den gesamten Meßbereich gleich sind, oder b) mehrere Staudrücke gemessen werden, die sich un¬ ter dem Einfluß der Strömung in mehreren Meßkam¬ mern bei einem bestimmten Anströmwinkel ausbil¬ den, und aus Differenzen oder Quotienten oder Quotienten von Differenzen von Staudrücken oder aus den absolut oder unter Berücksichtigung der relativen Lagen der Meßstellen zueinander vek¬ toriell summierten Meßwerten von Staudrücken oder Differenzen von Staudrücken die Richtung und/oder die Stärke der Strömung durch mathematische Ver¬ arbeitung der Meßwerte bestimmt wird, wobei die Lage der Meßkammeröffnungen relativ zueinander fest ist und die Meßkammeröffnungen rechteck- 6/04149 _. 30 _ P T/D 86/00005
oder schlitzförmig sind und jeweils in verschiede¬ ne Richtungen gerichtet sind.
2. Verfahren 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 im Falle a) die Meßkammeröffnungen unter einem Winkel zueinander stehen, der größer als etwa 40 ist und die Ausbil¬ dung der Funktion eines Stauraumes für die Meßkam¬ mern ermöglicht.
3. Verfahren 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 die Meßkammern mit einer ihrer Seitenwände an dem Rand der Meßkam¬ meröffnungen aneinanderstoßen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 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 Staudrücke und/oder die Differenzen von Stau¬ drücken in mehreren Meßkammerpaaren gemessen werden, die so angeordnet sind, daß sich ihre Meßöffnungen innerhalb einer Ebene nach verschiedenen Richtun - gen öffnen und wenigstens mehrere Teilbereiche des Gesamtwinkels von 360° in dieser Ebene erfassen.
5. Verfahren 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 Staudrücke in weiteren Meßkammern gemessen werden, die in einer zur ersten Ebene rechtwinkligen Ebene und gegebenen¬ falls noch einer dritten, zu den ersten beiden Ebe¬ nen rechtwinkligen Ebene angeordnet sind, und aus den Differenzen und/oder den Quotienten der gemes- senen Staudrücke die Richtung der Strömung über einen Raumwinkelbereich erfaßt und bestimmt wird.
6. Sonde zum Messen gasförmiger oder flüssiger Strö¬ mungen bezüglich Richtung und Stärke, d a - d u r c h gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei "* Meßkammern mit rechteck- oder schlitzförmigen Öff¬ nungen enthält, in denen sich unter dem Einfluß der Strömung jeweils Staudrücke ausbilden können und deren Staudruckmeßöffnungen unter einem festen Winkel zueinander angeordnet sind, wobei die Mittel¬ linien der Öffnungen in einer Ebene liegen und zwar so, daß wenigstens in einem Teilbereich des Anströmwinkels in beiden Kammern gleichzeitig Stau¬ drücke ausgebildet werden, und daß jeweils im hin¬ teren Bereich jeder Meßkammer Meßeinrichtungen zum Bestimmen der Drücke in den Meßkammern und/oder des Differenzdruckes zwischen den beiden Meßkammern vor¬ gesehen sind.
7. Sonde nach Anspruch 6 , d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß sie mindestens eine Meßkammer, die so durch zwei unter einem Winkel aufeinanderstoßende Seitenwände gleicher Länge und eine obere Kammerwand und eine untere Kammerwand, die sich jeweils mit den Seitenwänden entlang einer Linie schneiden, begrenzt wird, daß ein Stauraum entsteht, und eine von der oberen zu der unteren Kammerwand reichende Trennwand enthält, die durch die Schnittlinie oder den Schnittpunkt der beiden Seitenwände verläuft und die Meßkammer in zwei sektorförmige Teilkammern unterteilt, und Meßein¬ richtungen zum Bestimmen der Drücke in den beiden Teilkammern und/oder des Differenzdruckes zwischen den beiden Teilkammern in dem hinteren Teil der Meßkammer oder der Teilkammer umfaßt.
8. Sonde nach Anspruch 7, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß sie mindestens eine Meßkammer (16,..), die so durch zwei rechtwinklig aufeinanderstoßende Seitenwände (5) gleicher Länge *' und eine obere Kammerwand (3) und eine untere Kam¬ merwand (4) , die sich jeweils mit den Seitenwänden entlang einer Linie schneiden, begrenzt wird, daß ein Stauraura entsteht, und eine von der oberen zu der unteren Kammerwand reichende Trennwand (6) ent¬ hält, die durch die Schnittlinie oder den Schnitt¬ punkt der beiden Seitenwände verläuft und die Me߬ kammer in zwei sektorförmige Teilkammern (1,2) un¬ terteilt, und Meßeinrichtungen (7,8; 21) zum Bestimmen der Drücke in den beiden Teilkammern (1,2) und/oder des Differenzdruckes zwischen den beiden Teilkam¬ mern in dem hinteren Teil der Meßkammer umfaßt.
__.
9. Sonde nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Trennwand (6) mit jeder Seitenwand (5) einen Winkel von 45 ein¬ schließt.
10. Sonde nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Trennwand (6) die gleiche Länge wie die Seitenwände (5) be¬ sitzt und die Vorderkante (40) der oberen und der unteren Kammerwand jeweils ein Kreisbogen ist.
11. Sonde nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Trennwand (6) die gleiche Länge wie die Seitenwände (5) be¬ sitzt und die Vorderkante (40) der oberen und der unteren Kammerwand die Verbindungsgeraden zwischen jeweils einer Seitenwand und der Trennwand sind.
12. Sonde nach Anspruch 8 oder 9 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorderkante (40) der oberen und der unteren Kammerwand jeweils die Verbindungsgerade zwischen den Endpunkten der Sei- tenwände ( 5 ) ist und die Trennwand ( 6 ) bis zur Vorderkante der oberen bzw. der unte¬ ren Kammerwand reicht.
13. Sonde nach einem der Ansprüche 3 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie vier gleiche Meßkammern ( 13,14,15,16) ent¬ hält, die mit ihren Spitzen aneinanderstoßend, Seitenfläche an Seitenfläche, so angeordnet sind, daß ihre Vorderflächen ein umlaufendes Band bilden, dessen Projektion der Kontur der Vorderkante der Meßkammern entspricht, d.h. ein Kreis, Achteck, Quadrat usw. ist.
14. Sonde nach einem der Ansprüche 8 bis 13, d a d u r c g e k e n n z e i c n e t , daß die Schnittlinie ( 22 ) der unteren Kam- irrerwand mit einer Seitenwand eine von unten nach oben aufsteigende Linie ist.
15. Sonde nach Anspruch 14, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die obere Kammerwand einen sich von einer Seitenwand zur anderen erstreckenden Tropfwulst ( 29 ) oder einen Tropfvorsprung ( 27 ) aufweist.
16. Sonde nach einem der Ansprüche 8 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die hinteren, spitzwinkligen Teile der Teilkammern mit Sacköffnungen ( 28 ) verbun¬ den sind, die sich nach oben erstrecken und die Meßeinrichtungen (7,8;21 ) enthalten.
17. Sonde nach einem der Ansprüche 8 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im vorderen Teil der Teilkammern ein netz- oder gitterartiger Insektenschutz vorgesehen ist.
18. Sonde nach einem der Ansprüche 8 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Teilkammern ( 1,2 ) in ihrem vorderen Teil mit einer dünnen elastischen Membran (31 ) verschlossen sind, die den Druck in das Inne¬ re der Kammer überträgt.
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 das Innere der Teilkammern ( 1 , 2 ) mit einem inkompressib-
. len Druckmeßmedium wie z.B. Öl gefüllt ist.
20. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie mit einer elektrischen Heizeinrich¬ tung zur Enteisung versehen ist.
21. 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 der obere Teil über den Meßkammern (16,..) ein Rotations¬ körper mit hochgezogener Spitze ist.
22. Sonde nach Anspruch 3 , d a d u r c h «g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Meßeinrich¬ tungen zwei offene Rohre (7, 8 ) umfassen, deren Meßöffnungen (9,10 ) sich im hinteren Teil jeweils einer Teilkammer ( 1, 2) befinden und deren anderes Ende mit jeweils einem Schenkel eines U-Rohr-Manometers verbunden ist.
23. Sonde nach Anspruch 22 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das U-Rohr- Manometer mit Quecksilber gefüllt ist und die Quecksilbersäulenhöhe elektrisch über die Verstimmung einer oder zweier Induktionsspule(n) gemessen wird, wobei sich der bzw. die Schen¬ kel des U-Rohres innerhalb der Spule (n) befin¬ det bzw. befinden.
24. Sonde nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Me߬ einrichtungen zwei offene Rohre umfassen, deren Meßöffnungen sich im hinteren Teil je¬ weils einer Teilkammer befinden und deren anderes Ende mit jeweils einer Kammer einer barometrischen Meßdose verbunden sind.
25. Sonde nach Anspruch 8 , a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß die Meßeinrichtungen zwei offene Druckleitungen umfassen, deren Meßöff¬ nungen im hinteren Teil jeweils einer Teilkammer (1,2 angeordnet sind und deren andere Enden mit Piezokri- stall-Drucksonden verbunden sind.
26. Sonde nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Teilkam¬ mern vorn mit piezoempfindlichen Streifen oder Dehnungsstreifen zur direkten Druckmes¬ sung verschlossen sind, deren drucksensible Fläche jeweils gleich der gesamten effektiven Öffnungsfläche der Teilkammer ist.
27. Sonde nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Trennwand ( 6 ) in ihrem hinteren Teil eine im Ver¬ gleich zu den Dimensionen der Meßkammer kleine Durchgangsöffnung ( 20 ) aufweist, durch die sich unter dem Einfluß einer Druckdifferenz zwischen den beiden Teilkammern ( 1, 2 ) eine Druckausgleichströmung ausbildet, und Meßein¬ richtungen vorgesehen sind, mit denen die
Druckausgleichströmung meßbar ist.
28. Sonde nach Anspruch 27 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ein¬ richtungen zum Messen der Druckausgleichströ¬ mung temperaturabhängige elektronische Bautei¬ le ( 21 ) wie temperaturabhängige Widerstände, Halbleiterfühler oder Sperrschichtelemente um¬ fassen, deren Temperaturänderung elektronisch erfaßt und in Druckdifferenzwerte umgewandelt wird.
29. Sonde nach Anspruch 28 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in Durch¬ gangsrichtung der Durchgangsöffnung ( 20) eine Kombination aus zwei Widerständen ( 21 ) mit negativem Temperaturkoeffizienten (Submi- niatur-NTC) ausgerichtet angeordnet ist, "die einen Teil einer BrückenSchaltung bildet, in der die zur Temperaturkompensation des stärker gekühlten Widerstandes auf der Seite mit dem höheren Druck erforderliche Energie gepulst zugeführt wird, wobei die gepulst zugeführte Energie ein Maß für die Druckdifferenz zwi¬ schen den Teilkammern ( 1, 2 ) ist.
30. 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 in jeder der acht Teilkammern eine Meßeinrichtung zum Be¬ stimmen des Druckes in der Teilkammer vorge¬ sehen ist, die elektrische Meßsignale an eine Integrationsschaltung abgibt, wobei diese Sig¬ nale dort richtungsmäßig analysiert und zur Gesamtstärke der Strömung integriert werden.
31. 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 die acht Teil- kammern ( 1, 2 ) jeweils in ihrem hinteren Teil im Vergleich zu den Dimensionen der Teilkammer kleine Durchgangsöffnungen ( 32 ) aufweisen, die alle radial in einen zentral gelegenen Raum ( 37 ) innerhalb der Sonde geführt und auf ein temperaturabhängiges elektronisches Bauteil ( 38 ) wie einen temperaturabhängigen Widerstand, Halbleiterfühler oder Sperrschicht¬ element, gerichtet sind, wobei dieses elektro¬ nische Bauteil durch die Druckausgleichströ¬ mung, die sich in den acht Durchgangsöffnungen
( 32 ) ausbildet, gekühlt wird, und eine Schal¬ tung vorgesehen ist, die die zur Tem¬ peraturkompensation des elektronischen Bauteils erforderliche Energie liefert und mißt, welche ein Maß für die Stärke der Strömung ist.
32. 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 vier wei¬ tere Meßkammern (23,24,25,26 ) enthält, von de¬ nen zwei mit ihren spitzen Winkeln aneinander¬ stoßend und Seitenfläche an Seitenfläche auf einer Seite und rechtwinklig zu den ersten vier Meßkammern (13,14,15,16 ) angeordnet sind und die anderen zwei in gleicher Weise auf der anderen Seite der erste vier Meßkammern angeordnet sind, so daß vier Meßkammern im wesentlichen in einer Ebene liegen, die zu der Ebene der anderen vier Meßkammern rechtwinklig verläuft.
33. Sonde nach Anspruch 32 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie noch vier weitere Meßkammern (33,34,35,36 ) enthält, die .in einer dritten Ebene angeordnet sind, die zu den beiden anderen Ebenen rechtwinklig verläuft, wobe-i ihre spitzen Winkel im wesent¬ lichen auf den Schnittpunkt der drei Ebenen ausgerichtet sind.
34. Sonde nach Anspruch 8, d a d u r c h g e- k e n n z e i c h n e t, daß die Meßein¬ richtungen zum Bestimmen der Drücke in den beiden Teilkammern (1,2) und/oder des Dif¬ ferenzdruckes zwischen den beiden Teilkam¬ mern außerhalb der Sonde angeordnet sind1und über starre oder flexible Druckleitungen (7,8) mit den Teilkammern (1,2) verbunden sind, wo¬ bei sich die Meßöffnungen (9,10) der Druck¬ leitungen (7,8) im hinteren Teil jeweils einer Teilkammer (1,2) befinden.
35. Sonde zum Messen gasförmiger oder flüssiger Strömun¬ gen 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 sie mindestens eine Meßkam mer (50, 55) enthält, die einen Öffnungswinkel von 180 aufweist und eine Trennwand (56) besitzt, deren Länge gleich der Länge der Seitenwände der Meßkammer ist und die Meßkammer in zwei Teilkammern (51, 52) unterteilt, wobei Meßeinrichtungen (7,8; 21) zum Bestimmen der Drücke in den beiden Teilkammern (51, 52) und/oder des Differenzdruckes zwischen den beiden Teilkammern in dem hinteren Teil der Meßkammer vorgesehen sind.
36. Sonde nach Anspruch 35 , d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß zwei Meßkammern (50, 55) mit jeweils zwei Teilkammern (51, 52 und 53, 54) , deren Öffnungswinkel 90 ist, aneinanderstoßend zu einer Sonde mit einem Meßbereich von 360 zusammengesetzt
• sind.
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37. Sonde 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 die äußere Begrenzungskante der Sonde quadratisch ist.
38. Sonde 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 die äußere Begrenzungskante der Sonde kreisförmig ist.
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