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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Messung einer Anströmrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Auswerteeinrichtung für eine solche Sensoreinrichtung gemäß dem Anspruch 14.
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In verschiedenen Bereichen der Technik ist es erforderlich, eine Anströmrichtung zu bestimmen, mit der ein strömendes Medium einen Gegenstand anströmt. Hierfür sind Sensoreinrichtungen bekannt, mit denen die Anströmrichtung bzw. ein Anströmwinkel in Bezug zu einer Referenzrichtung gemessen werden kann. Anwendungsbereiche gibt es beispielsweise in der Luftfahrt, bei der Wettererfassung oder bei der Erfassung der Strömungsverhältnisse hydraulischer Medien. Im Bereich der Luftfahrt gibt es so genannte Anströmwinkelsensoren, die auch als Angle of Attack (AOA) Sensoren bezeichnet werden und beispielsweise zur Messung des Anstellwinkels eines Flugzeugs benötigt werden. Deren übliche Bauweise besteht darin, dass ein Drehgeber, z. B. ein Potentiometer, mit einer Windfahne versehen ist. Die Windfahne wird dabei außerhalb des Flugzeugs angeordnet. Durch den Verdrehwinkel der Windfahne wird das von dem Potentiometer abgegebene Signal beeinflusst, so dass hieraus die Anströmrichtung bestimmt werden kann.
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Der zuvor beschriebene Anströmwinkelsensor ist vom Aufbau her relativ aufwendig und teuer. Die Windfahne ist zudem empfindlich gegenüber Beschädigungen und zudem prinzipbedingt träge
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Sensoreinrichtung anzugeben, die robust realisierbar ist. Des Weiteren soll eine hierfür geeignete Auswerteeinrichtung angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 14 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass einfache und kostengünstige Sensorelemente eingesetzt werden können, wie z. B. auf dem Markt verfügbare miniaturisierte Drucksensoren oder Kraftsensoren. Als Sensorelemente kommen Drucksensoren oder Kraftsensoren nach allen hierfür bekannten physikalischen Prinzipien in Frage.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung eignet sich für alle Arten strömender Medien, wie z. B. Luft und andere Gase, hydraulische Medien, wie Wasser und Öl, sowie auch für aggressive und ätzende Medien.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung keine mechanisch durch das strömende Medium zu bewegenden Bauteile wie die Windfahne vorgesehen werden müssen. Hierdurch kann die Sensoreinrichtung sehr robust und beschädigungsunempfindlich ausgebildet werden. Zudem kann die Sensoreinrichtung kompakter und verschleißärmer als bekannte Sensoreinrichtungen ausgebildet werden. Die Messung findet zudem direkt an der Oberfläche statt.
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Hierbei weist die Sensoreinrichtung einen Strömungskörper auf, der zur Umströmung durch das strömende Medium vorgesehen ist. Entlang des vorgesehenen Umströmungsverlaufs des Strömungskörpers sind mehrere Sensorelemente vorgesehen, die entlang des Umströmungsverlaufs hintereinander angeordnet sind. Dies erlaubt eine Messung der Anströmrichtung des strömenden Mediums durch Auswertung der Sensordaten der mehreren Sensorelemente. Die Auflösung und Messgenauigkeit zur Messung der Anströmrichtung steigt grundsätzlich mit der Anzahl bzw. der Dichte der Sensorelemente pro Flächeneinheit. Eine zusätzliche Steigerung der Auflösung und Messgenauigkeit kann durch Interpolation von Sensordaten zweier benachbarter Sensorelemente erzielt werden. Auf diese Weise können auch Zwischenwerte der Anströmrichtung gemessen werden, die nicht genau der Lage der Sensorelemente auf dem Strömungskörper entsprechen.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Messung der Anströmrichtung auch zeitlich akkurater erfolgen kann als bei bekannten Windfahnen-Anströmwinkelmessern. Da die Windfahne massebehaftet ist, erfolgt die Erfassung der Strömungsrichtung mit einer gewissen massenbedingten Trägheit. Zudem kann es zu Oszillationsbewegungen je nach Dämpfung der Drehbewegung der Windfahne kommen. Auch solche Nachteile können mit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung überwunden werden.
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Die Mehrzahl der Sensorelemente erlaubt die Bestimmung einer Druckverteilung um den Strömungskörper in Richtung des Umströmungsverlaufs herum. Der Strömungskörper kann dabei entlang des vorgesehenen Umströmungsverlaufs vollständig oder nur teilweise mit den Sensorelementen belegt sein. Eine vollständige Belegung ermöglicht eine Erkennung beliebiger Anströmrichtungen, d. h. aus sämtlichen, den Strömungskörper umgebenden Richtungen. Je nach Anwendungsfall kann auch eine teilweise Belegung mit den Sensorelementen sinnvoll sein. Beispielsweise für Anwendungen in der Luftfahrt, in der mit der Sensoreinrichtung der Anstellwinkel eines Flugzeugs erfasst werden soll, reicht in der Regel ein Erfassungsbereich von +/–30° aus, so dass auch eine Belegung des Strömungskörpers über einen Winkelbereich von 60° oder 70° (+/–30° oder +/–35° gegenüber der Flugrichtung) ausreichend ist. Bei bestimmten Flugzeugen kann auch eine Belegung um 180° vorteilhaft sein, z. B. bei militärischen Flugzeugen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind eines, mehrere oder alle der Sensorelemente als piezoresistive Dünnschichtsensoren ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass solche Sensorelemente robust und wenig beschädigungsempfindlich sind und zudem sehr flach bauend sind, so dass sie ohne Weiteres an der Außenfläche des Strömungskörpers angeordnet werden können, ohne die Strömung spürbar zu beeinflussen. Piezoresistive Dünnschichtsensoren sind zudem hochsensitiv gegenüber auf sie einwirkenden Kräften bzw. Drücken. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass piezoresistive Dünnschichtsensoren sehr kostengünstig herstellbar sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Dünnschichtsensoren durch Beschichtung der Außenfläche des Strömungskörpers mit folgenden Schichten hergestellt:
- a) wenigstens eine mit dotiertem oder undotiertem Kohlenwasserstoff oder reinem Kohlenstoff gebildete piezoresistive Sensorschicht auf der Außenfläche des Strömungskörpers,
- b) wenigstens eine auf die piezoresistive Sensorschicht aufgebrachte Elektrode und
- c) wenigstens eine die piezoresistive Sensorschicht und die Elektrode abdeckende Isolations- und Verschleißschutzschicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Sensorelemente in wenigstens zwei Reihen angeordnet, die jeweils entlang des vorgesehenen Umströmungsverlaufs des Strömungskörpers zueinander versetzt sind. Hierdurch kann bei gegebener Längenausdehnung der Sensorelemente in Umströmungsrichtung die Messauflösung erhöht werden. So kann beispielsweise bei zwei Reihen von Sensorelementen jeweils ein Sensorelement auf Höhe eines Spaltes zwischen zwei Sensorelementen einer benachbarten Reihe von Sensorelementen angeordnet sein. Durch weitere Reihen von Sensorelementen kann die Messauflösung weiter gesteigert werden. Grundsätzlich kann die Sensoreinrichtung auch mit nur einer Reihe von Sensorelementen realisiert sein. Durch mehrere Reihen mit gegeneinander versetzten Sensorelementen kann jedoch die Auflösung erhöht werden.
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Als Strömungskörper kann grundsätzlich jeder beliebige dreidimensionale Körper verwendet werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden als Strömungskörper Bauteile eines Gegenstands, für den die Anströmrichtung des strömenden Mediums erfasst werden kann, verwendet. Bei Verwendung in der Luftfahrt kann z. B. der Nasenbereich einer Tragfläche als Strömungskörper verwendet werden. Insbesondere bei Verwendung von Sensorelementen in piezoresistiver Dünnschicht-Technologie können die Sensorelemente direkt auf die Tragfläche aufgebracht werden.
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Der Strömungskörper kann auch als zusätzliches Bauteil ausgebildet sein. Vorteilhaft sind insbesondere Formgebungen des Strömungskörpers, die einen günstigen Strömungsverlauf des strömenden Mediums ermöglichen, z. B. Strömungskörper mit einem kreisrunden Querschnitt, einem ovalen bzw. elliptischen Querschnitt oder sonstigem Querschnitt oder mit einem typischen Stromlinienquerschnitt. Bei Verwendung eines kreisrunden Querschnitts ist es vorteilhaft, den Strömungskörper in Form eines Zylinders auszubilden, der von der Seite, d. h. auf seine zylindrische Wandfläche, angeströmt wird.
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Vorteilhaft sind auch Formgebungen des Strömungskörpers, die eine Erfassung der Anströmrichtung aus unterschiedlichen bzw. beliebigen räumlichen Ebenen erlauben. Der Strömungskörper kann z. B. kugelförmig sein und an der Außenoberfläche umlaufend mit z. B. sechseck-förmigen Sensorelementen belegt sein, die z. B. nach Art eines Wabenmusters angeordnet sind. Hierdurch können gleichzeitig zwei verschiedene Komponenten der Anströmrichtung gemessen werden, z. B. in zwei Koordinatenrichtungen (z. B. x- und y-Richtung). Bei Anwendung der Sensoreinrichtung in einem Flugzeug kann z. B. gleichzeitig der Anstellwinkel sowie der Schiebewinkel des Flugzeuges bestimmt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Sensorelemente durch elektrische Verbindungsleitungen, die durch einen Dichtungsbereich der Sensoreinrichtung geführt sind, mit in einem Kontaktbereich der Sensoreinrichtung angeordneten elektrischen Kontaktstellen der Sensoreinrichtung verbunden. Der Kontaktbereich ist dazu eingerichtet, nicht mit dem strömenden Medium in Kontakt zu kommen. Dies hat den Vorteil, dass die Sensoreinrichtung in unterschiedlichen Anwendungsbereichen leicht montierbar ist. Durch den Dichtungsbereich, der einen gewissen Abstand zwischen einem Kontaktbereich und dem Strömungskörper erlaubt, kann die Sensoreinrichtung beispielsweise in die Rumpfwand eines Luftfahrzeugs oder in den Rumpfboden eines Schiffs eingebaut werden. Vorteilhaft kommt dabei der Kontaktbereich nicht mit dem strömenden Medium in Kontakt, so dass dieser geschützt angeordnet werden kann. Hierdurch kann der Kontaktbereich vor den im Aussenbereich vorherrschenden Umgebungsbedingungen geschützt werden. Hierdurch eignet sich die Sensoreinrichtung auch für strömende Medien, die für die elektrischen Kontaktstellen schädlich wären. Der Dichtungsbereich kann auch zugleich dafür verwendet werden, eine entsprechende Abdichtung des Kontaktbereichs gegenüber dem mit dem strömenden Medium in Kontakt kommenden Strömungskörper zu realisieren, z. B. durch eine Elastomer-Dichtung. Durch den durch den Dichtungsbereich ermöglichten Abstand des Strömungskörpers von dem Kontaktbereich kann die Sensoreinrichtung leichter derart montiert werden, dass der Strömungskörper möglichst unbeeinflusst von den Montagemitteln für die Sensoreinrichtung von dem strömenden Medium umströmt wird. Zudem kann sichergestellt werden, dass der Strömungskörper außerhalb der einen Flugkörper umgebenden Grenzschicht liegt. Dies wirkt sich positiv auf die Messgenauigkeit der Sensoreinrichtung aus.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Sensoreinrichtung ein oder mehrere Heizelemente in dem Strömungskörper auf, über das bzw. über die eine gewünschte Arbeitstemperatur der Sensoreinrichtung einstellbar ist. Dies hat den Vorteil, dass durch das vorbeiströmende Medium auftretende, ggf. lokal unterschiedlich wirkende Kühlungseffekte kompensiert werden können. Hierdurch kann die Sensoreinrichtung unabhängig von temperaturabhängigen Charakteristika der Sensorelemente mit gleich bleibender Messgenauigkeit betrieben werden. Sofern mehrere Heizelemente vorgesehen sind, können diese gemeinsam geregelt werden. Vorteilhaft ist auch eine individuelle Steuerung oder Regelung der Heizelemente, derart, dass bei ungleichmäßiger Temperaturverteilung in der Sensoreinrichtung eine Vergleichmäßigung durch entsprechende, individuelle Steuerung oder Regelung der Heizelemente herbeigeführt wird. Zudem kann durch die Heizelemente eine Eisbildung vermieden werden.
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Die Heizelemente können beispielsweise in Form von Heizspiralen oder Heizpatronen realisiert sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Heizelement bzw. sind die Heizelemente mit einem Temperaturregler verbunden, der dazu eingerichtet ist, die Arbeitstemperatur der Sensoreinrichtung konstant zu halten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Heizelement bzw. die Heizelemente mit einem Temperaturregler verbunden sind, der dazu eingerichtet ist, die Arbeitstemperatur der Sensoreinrichtung so hoch zu halten, dass sich am Strömungskörper kein Eis bilden kann. Hierdurch kann unter den jeweiligen Einsatzbedingungen der Sensoreinrichtung eine insbesondere im Bereich der Luftfahrt gefährliche Eisbildung vermieden werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Temperatursensor in oder an dem Strömungskörper vorgesehen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist pro Heizelement ein Temperatursensor vorgesehen, der in der Nähe des Heizelementes angeordnet ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Temperatursensoren dabei an der Außenfläche des Strömungskörpers oder zumindest nah an der Außenfläche angeordnet.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass durch Messung von Temperaturwerten durch die Temperatursensoren eine automatische Temperaturkompensation der durch die Sensorelemente erzeugten Sensordaten durchgeführt werden kann.
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Bei Verwendung der Sensoreinrichtung an einem Luftfahrzeug kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Solltemperatur der Temperaturregelung an die Flugsituation und/oder an die Umgebungsbedingungen angepasst ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Sensoreinrichtung als Anstellwinkelmessgerät für ein Luftfahrzeug ausgebildet. Die Sensoreinrichtung verfügt über eine genormte Schnittstelle, z. B. ARINC, die mit dem Bordrechner eines Luftfahrzeugs verbindbar ist. Über die Schnittstelle ist die aktuelle Anströmrichtung als Maß für den Anstellwinkel übertragbar. Hierdurch kann die aktuelle Anströmrichtung direkt an den Bordrechner des Luftfahrzeugs übermittelt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Sensoreinrichtung als Schiebewinkelmessgerät für ein Luftfahrzeug ausgebildet. Die Sensoreinrichtung verfügt über eine genormte Schnittstelle, z. B. ARINC, die mit dem Bordrechner eines Luftfahrzeugs verbindbar ist. Über die Schnittstelle ist die aktuelle Anströmrichtung als Maß für den Schiebewinkel übertragbar. Hierdurch kann die aktuelle Anströmrichtung direkt an den Bordrechner des Luftfahrzeugs übermittelt werden.
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Vorteilhaft kann die Sensoreinrichtung auch als kombiniertes Anstellwinkel/Schiebewinkelmessgerät ausgebildet sein. In diesem Fall werden zwei Komponenten der Anströmrichtung von der Sensoreinrichtung erfasst, und zwar die Anströmrichtung bezüglich der Querachse des Luftfahrzeugs (entsprechend dem Anstellwinkel) und die Anströmrichtung bezüglich der Hochachse des Luftfahrzeugs (entsprechend dem Schiebewinkel). Hierbei werden dann die zwei erfassten Komponenten der Anströmrichtung direkt an den Bordrechner des Luftfahrzeugs übermittelt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Sensoreinrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, aus den von den Sensorelementen erzeugten Sensordaten die Anströmrichtung zu bestimmen, mit der ein strömendes Medium die Sensoreinrichtung anströmt. Die Auswerteeinrichtung kann in Form einer Auswerteelektronik baulich in die Baueinheit, die den Strömungskörper aufweist, integriert sein oder als separate Auswerteelektronik ausgebildet sein. Vorteilhaft kann die Auswerteeinrichtung auch die Elemente des Temperaturreglers beinhalten, der zur Steuerung der Heizelemente vorgesehen ist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Auswerteeinrichtung für eine Sensoreinrichtung der zuvor beschriebenen Art. Die Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, aus den von den Sensorelementen erzeugten Sensordaten unter rechnerischer Einbeziehung der Strömungscharakteristika des Strömungskörpers die Anströmrichtung zu bestimmen, mit der ein strömendes Medium die Sensoreinrichtung anströmt. Dies hat den Vorteil, dass als Ausgangssignal die Auswerteeinrichtung bereinigte Werte für die Anströmrichtung zur Verfügung gestellt werden können, in denen die Eigenschaften des Strömungskörpers bereits berücksichtigt sind. So sind beispielsweise bei einem kreisrunden Querschnitt des Strömungskörpers andere Korrekturgrößen zu berücksichtigen als bei einer elliptischen Querschnittsform.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, aus den von den Sensorelementen erzeugten Sensordaten die Position von einem oder beiden Druckmaxima an der Außenfläche des Strömungskörpers zu bestimmen und als Wert für die Anströmrichtung eine Gerade durch die Positionen der zwei höchsten Druckmaxima und/oder als Wert für die Anströmrichtung eine Gerade durch die Position von einem der zwei höchsten Druckmaxima und dem Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Strömungskörpers in einem Schnitt entlang des vorgesehenen Umströmungsverlaufs des Strömungskörpers zu bestimmen. Die Anströmrichtung lässt sich zudem aus der Lage von zwei Druckminima bestimmen. Die Verbindungslinie der beiden Druckminima verläuft durch den Mittelpunk des Kreisquerschnitts und ist senkrecht zur Anströmrichtung. Hieraus wird als Wert für die Anströmrichtung eine Senkrechte zu einer Geraden durch die Positionen der zwei Druckminima bestimmt. Diese Senkrechte ist direkt ein Maß für die Anströmrichtung bei einem als Kreiszylinder ausgebildeten Strömungskörper. Die Druckminima oder -maxima werden durch Vergleich der Sensordaten der verschiedenen Sensorelemente bestimmt, wobei ggf. die Genauigkeit durch Interpolation zwischen Sensordaten zweier benachbarter Sensorelemente erhöht werden kann. Bei einem Kreiszylinder liegen die jeweiligen Druckminima oder -maxima normalerweise auf einander gegenüber liegenden Seiten des Zylinders. Die Bestimmung des Werts der Anströmrichtung kann daher auch durch Bestimmung von einem der zwei Druckminima oder -maxima erfolgen. Die Verbindungslinie vom Mittelpunkt des kreisförmigen Querschnitts des Strömungskörpers zum Druckmaximum weist in Richtung der Anströmung.
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Vorteilhafte Anwendungsgebiete der Sensoreinrichtung liegen im Bereich der Luftfahrt, z. B. als Anstellwinkelsensor, in der Meteorologie als Ersatz für klassische Windfahnen. Ein weiterer Anwendungsbereich liegt auf dem Gebiet von Windkraftanlagen. Durch Anordnung von Sensoreinrichtungen an den Blättern und Blattspitzen einer Windkraftanlage kann das Strömungsfeld, in dem die Windkraftanlage operiert, vermessen werden. Hierdurch kann der Anstellwinkel der Blätter in Abhängigkeit der Anströmung optimiert werden, sodass der Wirkungsgrad der Windkraftanlage gesteigert werden kann.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet der Sensoreinrichtung liegt darin, einen Schiebewinkel eines Luftfahrzeugs oder eines Schiffs zu messen.
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Ein weiteres Einsatzgebiet der Sensoreinrichtung besteht darin, die Luftfeuchte zu messen. Hierzu sind zusätzliche Informationen über den Luftdruck, die Anströmgeschwindigkeit des strömenden Mediums sowie die Umgebungstemperatur erforderlich. Aus diesen Informationen und der elektrischen Leistung, die den Heizelementen zur Konstanthaltung der Arbeitstemperatur der Sensoreinrichtung zugeführt werden muss, kann die Luftfeuchte bestimmt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Flugzeug in Seitenansicht und
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2 einen Strömungskörper in perspektivischer Darstellung und
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3 eine Ansicht des Strömungskörpers gemäß 2 in Schnittdarstellung und
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4 eine Sensoreinrichtung in perspektivischer Darstellung in einer ersten Ansicht und
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5 die Sensoreinrichtung gemäß 4 in perspektivischer Darstellung in einer zweiten Ansicht und
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6 eine Ausschnittsvergrößerung der äußeren Struktur der Sensoreinrichtung gemäß den 4 und 5 und
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7 einen Längsschnitt durch die Sensoreinrichtung gemäß den 4 bis 6 und
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8 eine schematische Darstellung des Aufbaus piezoresistiver Dünnschichtsensoren in Schnittdarstellung und
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9 und 10 Druckverteilungen und Strömungsbilder an Strömungskörpern und
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11 eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt ein Luftfahrzeug 10, z. B. ein Flugzeug, mit einem Rumpf 11, einem Flügel 12, einem Höhenleitwerk 13 und einem Seitenleitwerk 14. Das Luftfahrzeug 10 bewegt sich in einer Flugrichtung 15. Am Rumpf 11 des Luftfahrzeugs 1 ist eine Sensoreinrichtung zur Messung der Anströmrichtung 2 der umgebenden Luft angebracht. Die Sensoreinrichtung ist durch die Rumpfwand geführt, so dass in der 1 der außen angeordnete Teil erkennbar ist, der einen Strömungskörper 1 aufweist. Der Strömungskörper 1 wird von der umgebenden Luft in einer Anströmrichtung 2 angeströmt. Die Anströmrichtung 2 weist z. B. einen Winkel α zu der Flugrichtung 15 auf. Der Winkel α entspricht dabei dem Anstellwinkel.
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Die 2 zeigt beispielhaft einen zylindrischen Strömungskörper 1, der von einem strömenden Medium in einer Anströmrichtung 2 angeströmt wird. In der 2 ist eine Ebene 20, d. h. eine kreisrunde Querschnittsfläche des zylindrischen Strömungskörpers 1, markiert, die in der 3 in Draufsicht dargestellt ist. Anhand der 3 ist außerdem vereinfacht dargestellt, in welcher Weise das strömende Medium den Strömungskörper 1 entlang der Querschnittsfläche 20 umströmt. Dargestellt ist durch mehrere Pfeile ein Umströmungsverlauf 30, der sich aus der durch die Anströmrichtung 2 ergebenden Strömung des Mediums ergibt. Ferner sind in 3 beispielhaft druck- oder kraft-sensitive Sensorelemente 3 dargestellt. Wie erkennbar ist, sind die Sensorelemente 3 entlang des Umströmungsverlaufs 30 hintereinander angeordnet, so dass die einzelnen Partikel des strömenden Mediums die Sensorelemente 3 zeitlich nacheinander passieren. Hierdurch entsteht ein bestimmter Druckverlauf in Umströmungsrichtung 30, der von den Sensorelementen 3 erfasst werden kann.
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Die 4 zeigt einen Strömungskörper 1 der Sensoreinrichtung 4, der im Wesentlichen kreiszylindrisch ist. Der Strömungskörper 1 weist im in 4 oben dargestellten Bereich einen Abschlussabschnitt 40 auf, der den Strömungskörper an seinem einen Ende abschließt. An den Abschlussabschnitt 40 schließt sich eine erste Reihe von Sensorelementen an, von denen in der 4 außen liegende Elektroden 45 dargestellt sind. An die erste Reihe der Sensorelemente schließt sich eine zweite Reihe 42 von Sensorelementen an, die in der 4 wiederum durch Elektroden 45 dargestellt sind. An die zweite Reihe 42 der Sensorelemente schließt sich ein Dichtungsbereich 43 an. Durch den Dichtungsbereich 43 sind elektrische Verbindungsleitungen 46 von den Elektroden 45 zu weiter unten liegenden elektrischen Kontaktstellen 47 geführt. An den Dichtungsbereich 43 schließt sich ein Kontaktbereich 44 an, in dem die elektrischen Kontaktstellen 47 angeordnet sind. An die Kontaktstellen 47 wird eine in der 4 nicht dargestellte Auswerteeinrichtung, z. B. in Form einer elektronischen Schaltung, angeschlossen.
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Die Elektroden 45 sind als dünne Schichten aus einem elektrisch leitenden Material, z. B. Kupfer oder Silber, gebildet. Die Elektroden 45 können beispielsweise im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sein. Auch andere Formen können vorteilhaft realisiert werden. Wie erkennbar ist, sind die Elektroden 45 der ersten Reihe 41 der Sensorelemente gegenüber den Elektroden 45 der zweiten Reihe 42 der Sensorelemente versetzt angeordnet. Hierdurch kann eine Verdoppelung der Auflösung der Sensoreinrichtung erreicht werden.
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Die 5 zeigt die Sensoreinrichtung 4 gemäß 4 in umgedrehter Ansicht, d. h. der Abschlussabschnitt 40 ist hier unten angeordnet. Hieran schließen sich die bereits im Zusammenhang mit der 4 erläuterten Abschnitte an. Erkennbar ist in der 5, dass innerhalb eines Strömungskörpers 1 Heizelemente 50 vorgesehen sind, die über den Umfang des Strömungskörpers 1 verteilt angeordnet sind. Die Heizelemente 50 weisen elektrische Anschlüsse auf, die von der Unterseite des Strömungskörpers 1 hervorstehen. Die Heizelemente 50 werden nachfolgend noch im Zusammenhang mit der 7 erläutert.
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In der 5 ist ein Bereich 51 markiert. Der Bereich 51 ist zur Verdeutlichung der Anordnung der Elektroden 45 und der elektrischen Verbindungsleitungen 46 in der 6 vergrößert wiedergegeben. Wie in der 6 erkennbar ist, sind die Verbindungsleitungen 46 als feine Leitungen von den Elektroden 45 der ersten Reihe 41 zwischen den Elektroden 45 der zweiten Reihe 42 hindurchgeführt und dann im Kontaktbereich 44 mit den elektrischen Kontaktstellen 47 verbunden.
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Die Elektroden 45, die elektrischen Verbindungsleitungen 46 und die elektrischen Kontaktstellen 47 können in der Art von Leiterbahnen ausgebildet sein, wie sie bei elektrischen Leiterplatten verwendet werden.
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Die 7 zeigt den Strömungskörper 1 gemäß den 4 bis 6 in einem Schnitt in Längsrichtung. Erkennbar ist ein z. B. aus Metall gefertigtes Gehäuseteil 52, das Bohrungen aufweist, in die die Heizelemente 50 eingesetzt sind. Die elektrischen Anschlüsse der Heizelemente 50 enden in äußeren Anschlussstücken 71, 72. Die Heizelemente 50 können z. B. aus einem wendelförmig gebogenen Heizdraht 70 gebildet sein. Auf das Gehäuseteil 52 ist eine den Abschlussabschnitt 40 beinhaltende Abschlusskappe 75 aufgesetzt, z. B. mittels eines Gewindes 76 aufgeschraubt. Erkennbar ist zudem ein Dichtelement 77 zwischen der Abschlusskappe 75 und dem Gehäuseteil 52. Die Außenseite des Sensorkörpers 52 ist, wie zuvor anhand der 4 bis 6 beschrieben, mit den Sensorelementen 3 versehen. Für eine Temperaturregelung mittels der Heizelemente 50 erforderliche Temperatursensoren werden vorteilhaft in einem Bereich 74 des Gehäuseteils 52 platziert, d. h. innerhalb des metallischen Körpers, so dass die Temperatursensoren einerseits die lokalen Temperaturen präzise erfassen können, andererseits möglichst unbeeinflusst von Umwelteinflüssen sowie dem anströmenden Medium sind.
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Die 8 zeigt einen beispielhaften Aufbau von Sensorelementen in Dünnschichttechnik. Vorteilhaft können die Sensorelemente direkt auf ein metallisches Substrat durch Beschichtung aufgebracht werden. Als Substrat kann unmittelbar der Strömungskörper 1 verwendet werden, z. B. die Außenfläche des Gehäuseteils 52. Die 8 zeigt ausschnittsweise den Bereich 74 des Gehäuseteils 52. Auf dem Gehäuseteil 52 ist zunächst eine drucksensitive Beschichtung in Form einer mit dotiertem oder undotiertem Kohlenwasserstoff oder reinem Kohlenstoff gebildeten piezoresistiven Sensorschicht 80 angeordnet. Auf die piezoresistive Sensorschicht 80 sind die Elektroden 45 aufgebracht, wobei in der 8 beispielhaft fünf Elektroden 45 dargestellt sind. Auf die genannte Anordnung aus der piezoresistiven Sensorschicht 80 und den Elektroden 45 ist schließlich eine diese abdeckende Isolations- und Verschleißschutzschicht 81 aufgebracht.
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Als Dotierungsmaterialien für die Sensorschicht 80 in Form einer dotierten Kohlenwasserstoffschicht kommen beispielsweise Metalle wie Wolfram, Chrom, Silber, Titan, Gold, Platin etc. in Frage. Als Material für die Sensorschicht 80 sind auch reine oder amorphe Kohlenstoffschichten möglich.
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Die Elektroden 45 bestehen aus einer dünnen Metallschicht, wie z. B. Chrom, Titan, Chrom-Nickel-Verbindungen etc.
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Die Isolations- und Verschleißschutzschicht 81 kann z. B. aus einer Silizium-dotierten Kohlenwasserstoffschicht gebildet sein. Denkbar ist auch die Verwendung von Silizium-Sauerstoff-, Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrit-dotierten Kohlenwasserstoffschichten.
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Die 9 und 10 zeigen das Erfassungsverhalten der Sensoreinrichtung 4 in einem Strömungsfeld 6 eines strömenden Mediums. Mit dem Pfeil 2 sei wiederum die Anströmrichtung des strömenden Mediums gekennzeichnet. Die Linie 5 gibt eine Messreferenz der Sensoreinrichtung wieder, gegenüber der eine Winkelabweichung der Anströmrichtung 2 bestimmt wird. Die 9 zeigt ein Beispiel, bei dem die Anströmrichtung 2 genau in Richtung der Linie 5 verläuft. Die 10 zeigt ein Beispiel, bei dem die Anströmrichtung 2 um einen Winkel β von der Linie 5 abweicht. In der jeweils oberen Abbildung der 9 und 10 wird die Sensoreinrichtung 4 in dem Strömungsfeld 6 dargestellt. In der jeweils unteren Abbildung wird die Verteilung des auf die Sensoreinrichtung 4 einwirkenden Drucks durch das strömende Medium wiedergegeben.
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Wie in der 9 unten erkennbar ist, bildet sich an dem Strömungskörper 1 der Sensoreinrichtung 4 in Folge seines kreisrunden Querschnitts eine Druckverteilung 7 aus, die ihre Maxima auf der Linie 5 aufweist. Die Positionen 8 der Maxima sind mit einem „x” gekennzeichnet. Gemäß 9 sind außerdem sozusagen oberhalb und unterhalb der Linie 5 die Minima der Druckverteilung 7 wiederzufinden. Die Positionen 18 der Minima sind mit einem „x” gekennzeichnet. Die Positionen 8 der Maxima befinden sich auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Mittelpunkts 9 des kreisförmigen Querschnitts 20 des Strömungskörpers 1. Ebenso befinden sich die Positionen 18 der Minima auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Mittelpunkts 9 des kreisförmigen Querschnitts 20 des Strömungskörpers 1.
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In der 10 unten ist erkennbar, dass infolge der um den Winkel β geänderten Anströmrichtung 2 bei ansonsten gleicher Positionierung der Sensoreinrichtung 4 (gleiche Lage der Linie 5) die Positionen 8 der Maxima und die Positionen 18 der Minima ebenfalls um den Winkel β gedreht sind. Zur Bestimmung der Anströmrichtung 2 bzw. des Anströmwinkels β kann in einer Auswerteeinrichtung daher die Position 8 der Druckmaxima bestimmt werden, eine Verbindungslinie zwischen den Positionen 8 gebildet werden und schließlich der Winkel zwischen der Verbindungslinie und der Linie 5 gebildet werden. Wegen der symmetrischen Verteilung der Positionen 8 bezüglich des Mittelpunkts 9 reicht es auch, eine Position 8 zu bestimmen und unter Verwendung des Mittelpunkts 9 die Verbindungslinie zu bilden und hieraus den Anströmwinkel β zu bestimmen. Ebenso kann aus den Positionen 18 der Minima oder zumindest aus einer Position 18 und dem Mittelpunkt 9 die Anströmrichtung 2 bzw. der Anströmwinkel β bestimmt werden, in dem eine Senkrechte zur Verbindungslinie zwischen den Positionen 18 oder einer Position 18 und dem Mittelpunkt 9 gebildet wird und schließlich der Winkel zwischen der Senkrechten und der Linie 5 bestimmt wird.
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Die 11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung in schematischer Darstellung. Erkennbar sind ein Strömungskörper 1, eine Auswerteeinrichtung 100 sowie ein Schnittstellenmodul 101. Der Strömungskörper 1 ist über eine Mehrzahl elektrischer Leitungen 102 mit der Auswerteeinrichtung 100 verbunden. Über die elektrischen Leitungen 102 wird die elektrische Verbindung der Auswerteeinrichtung 100 mit den Elektroden 45 der Sensorelemente 3 sowie mit den elektrischen Anschlüssen 71, 72 der Heizelemente 50 hergestellt. Zudem werden über die elektrischen Leitungen 102 ggf. vorgesehene Temperatursensoren angeschlossen. Des Weiteren beinhalten die elektrischen Leitungen 102 eine Verbindungsleitung, mit der das als Substrat für die Dünnschichtsensoren verwendete Gehäuseteil 52 mit der Auswerteschaltung 100 verbunden wird. Das Substrat dient hierbei als gemeinsames Bezugspotential für alle Elektroden 45.
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Die Auswerteeinrichtung 100 weist z. B. einen ein Auswerteprogramm ausführenden Mikroprozessor auf. Die diversen Elektroden 45 sind, ggf. über Multiplexer, mit einem oder mehreren Analog/Digitalwandler-Eingängen des Mikroprozessors verbunden. Zur Bestimmung der Sensordaten der Sensorelemente 3 misst die Auswerteeinrichtung 100 periodisch den ohmschen Widerstand zwischen den einzelnen Elektroden 45 und dem Substrat, d. h. dem Gehäuseteil 52. Die Sensordaten werden ausgewertet, z. B. gemäß den anhand der 9 und 10 erläuterten Verfahren. Der hierdurch ermittelte Wert der Anströmrichtung 2 bzw. eines zugehörigen Anströmwinkels wird von der Auswerteeinrichtung 100 an ein an die Auswerteeinrichtung 100 angeschlossenes Schnittstellenmodul 101 übergeben. Das Schnittstellenmodul 101 konvertiert die Daten in ein von anderen Einrichtungen auswertbares, genormtes Format, z. B. ARINC. Die Schnittstelleneinrichtung 101 gibt die Daten dann an einer Ausgangsseite 103 aus.
