DE1523168C - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten. Insbesondere soll die wahre Geschwindigkeit von strömenden Gasen oder Flüssigkeiten bestimmt werden. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. ' . '■■■■.

Es wird ausgegangen von bekannten Anordnungen zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, bei denen ein Propeller schlupffrei im Medium von einem Elektromotor angetrieben wird und eine der Betriebsgrößen des Motors zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird. Dabei wird die Drehzahl des Propellers mit Hilfe des Elektromotors so eingestellt, daß der Schlupf des Propellers in der Strömung für jede zu messende Strömungsgeschwindigkeit Null ist. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit ν der Umfangsgeschwindigkeit u z. B. eines Flügelradblattes für jedes ν streng proportional; denn im Falle Schlupf s = O gilt ν =' u · tg cc, wenn α ζ. Β.

den Anstellwinkel des Flügelradblattes bedeutet.

Mit Hilfe dieses bekannten Meßprinzips kann man

die Geschwindigkeit einer Strömung unabhängig von den physikalischen Größen, Druck (Dichte) und Temperatur messen. Diese Unabhängigkeit der Meßgröße von zusätzlichen Parametern ist von besonderer Bedeutung für die Geschwindigkeitsmessung von Luftfahrzeugen, aber auch für die Bestimmung der Geschwindigkeit von in Röhren strömenden Medien, insbesondere von Gasen zeitlich veränderlicher Dichte oder/und Temperatur. Nach diesem Prinzip arbeitet z. B. der Strömungsmesser von G. Frenze! (deutsche Patentschrift 477 072).

Die auf dieser Grundlage arbeitenden Meßanordnungen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf: Auf den Propeller wirkt erfahrungsgemäß eine zur Strömungsrichtung senkrechte Querkraft, die das pendelartig aufgehängte Meßsystem seitlich auslenkt.

Ferner kann durch Resonanzerscheinungen das Pendelsystem in unerwünschte Schwingungen geraten. Die exakte Messung des Zustandes der Schlupffreiheit ist nicht möglich, weil zur Überwindung der Haftreibungskräfte in der Pendelaufhängung und der Wellen- kupplung eine zusätzliche Schubkraft und damit eine überhöhte Drehgeschwindigkeit erforderlich ist, so daß die Drehgeschwindigkeit im Augenblick des Ausschaltens der Motorspannung größer ist als im Zustand Schlupf gleich Null. Dieser Effekt wird noch verstärkt durch die auf den Propeller wirkende Flüssigkeitsreibung, die einen zusätzlichen Axialschub erzeugt.

Es ist auch eine Anordnung bekanntgeworden (USA.-Patent 2 493 931), die es gestattet, Strömungsgeschwindigkeifeirim Zustand der Schlupffreiheit zu messen. Diese Anordnung weist ebenfalls wesentliche Mängel auf: Das mit dem Propeller rotierende Differenzdruck-Meßsystem und die zur pneumatischen Steuerung erforderlichen Bohrungen und Kanäle im Propellerblatt sind nicht nur technisch schwer zu verwirklichen, sondern auch störanfällig, z. B. durch Verschmutzung und Verstopfung infolge der unvermeidbaren Beimengungen von Fremdstoffen in der Strömung. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die an den beiden Blattseiten auftretenden Druckdifferenzen sehr klein sind, so daß das Regelsystem für den Motor infolge der Steifigkeit der Druckmeßmembrane und der Reibung des Kontaktstiftes erst bei erheblichen Geschwindigkeitsänderungen anspricht.

Die Steuerung des Motors durch Schließen oder Öffnen eines Kontaktes führt während des Schaltvorganges auf instationäre Zustände, die eine erhebliche Unsicherheit in der Meßwerterfassung bedingen.

Der Zustand der Schlupffreiheit kann mit den bisher bekannten Meßanordnungen exakt nicht bestimmt werden, sondern nur mit einer positiven oder negativen endlichen Abweichung.

Es wurde außerdem ein Rotationsströmungsmesser mit Haftreibungskompensation mittels eines an die Propellerwelle angekuppelten elektrischen Motors, durch den der Propeller auf einer von Null verschiedenen Rotationsgeschwindigkeit gehalten wird, vorgeschlagen (deutsche Patentschrift 1 241 650), bei dem die elektrischen Größen des Motors ein differentielles Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellen. Das Ziel dieser Anordnung ist, im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung, die Messung sehr kleiner Strömungsgeschwindigkeiten durch Beseitigung der Haftreibung bei beliebiger Größe des Schlupfes. Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist nicht die Messung sehr kleiner Geschwindigkeiten, sondern die Messung der Strömungsgeschwindigkeit im Zustand Schlupf gleich Null, so daß sich eine parameterfreie Proportionalität zwischen Rotationsgeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit ergibt.

Ausgehend von einem Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, bei dem ein Propeller schlupffrei im Medium von einem Elektromotor angetrieben wird und eine der Betriebsgrößen des Motors zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird, besteht die Erfindung darin, daß von den elektrischen Betriebsgrößen des Motors eine so verändert wird, daß die anderen Betriebsgrößen Werte annehmen, die einer Rotation des Propellers im Vakuum bzw. einer Rotation des Motors ohne Propeller entsprechen.

Als elektrische Betriebsgrößen des Motors sind Klemmenspannung U, Strom /, Widerstand und Leistung zu verstehen. Da leicht meßbar und veränderbar, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt mit Klemmenspannung U und Strom / gearbeitet.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß ein Meßinstrument vorgesehen ist, das über einen Umschalter entweder die Klemmenspannung oder den Motorstrom zu messen gestattet und das je eine Skala für die Klemmenspannung, den Motorstrom und die Strömungsgeschwindigkeit besitzt.

Der Grundgedanke der Erfindung ist also der, daß auf einen in einer Strömung rotierenden Propeller im Zustand der Schlupffreiheit weder von der Strömung auf den Propeller noch umgekehrt eine Kraft ausgeübt wird, er also kräftefrei rotiert. Dieser Zustand kann allerdings wegen der unvermeidlichen Energieverluste durch Reibung nur erzielt werden durch einen zusätzlichen Antrieb des Propellers durch einen Elektromotor.

Ein Elektromotor, dessen angeschlossener Propeller im Vakuum rotiert, hat bezüglich seiner Betriebsgrößen, z. B. der Drehzahl ν des Propellers und der Klemmenspannung U, eine bestimmte Charakteristik, wie in A b b. 1 als Beispiel durch die strichpunktierte Kurve gezeigt ist. Diese Kurve ist ersichtlich identisch mit der Charakteristik des Motors, wenn dessen Welle ohne Propeller rotiert. Diesem Zustand äquivalent ist, weil auf den Propeller keinerlei Kräfte wirken, der Zustand der Schlupffreiheit, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Somit ist also die Vakuumcharakteristik identisch mit der Charakteristik im Zustand Schlupf s = 0.

Für jede Strömungsgeschwindigkeit ν > 0 gibt es genau eine Charakteristik des Motors mit Propeller, die von der Vakuumcharakteristik verschieden sein muß und die einen und nur einen Punkt mit dieser gemeinsam hat. In diesem Schnittpunkt der beiden Charakteristiken ist der Schlupf s = 0, d. h., die Strömungsgeschwindigkeit ν ist gleich der »Schraubengeschwindigkeit« des Propellers, in Zeichen:

ν = 2 π ν ■ R ■ tg κ

wobei ν die Drehzahl des Propellers, R sein wirksamer Radius und oc der Anstellwinkel des Blattes gegen die Strömungsrichtung bedeutet. Mißt man also die Drehzahl ν im Zustand j = 0, so ist die Strömungsgeschwindigkeit ν dieser streng proportional; der Proportionalitätsfaktor enthält lediglich zwei durch die Konstruktion festgelegte Konstanten. Wenn also bei einer beliebigen Strömungsgeschwindigkeit ν das

ao Wertepaar (v, U) auf der Vakuumcharakteristik liegt, so befindet sich der Propeller im Zustand der Schlupffreiheit.

A b b. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Der Elektromotor M wird durch die Stromquelle B über den Regelwiderstand P angetrieben und die Spannung U an den Motorklemmen mit einem Instrument gemessen. Auf der Welle des Motors befindet sich der Rotationskörper R, z. B. ein Propeller. Die Welle treibt außerdem einen Drehzahlgeber G an. Ein angeschlossenes Instrument zeigt die Drehzahl ν an. Bei einer beliebigen Strömungsgeschwindikeit ν und einer beliebig eingestellten Spannung U am Motor wird der Propeller mit einer Drehzahl ν rotieren, der im allgemeinen ein Schlupf s> 0 zugeordnet ist (vgl. hierzu Abb. 1), was dadurch zum Ausdruck kommt, daß das an den Anzeigeinstrumenten abgelesene Wertepaar (v, U) nicht auf der Vakuumcharakteristik 5 = 0 liegt. Durch Änderung der Spannung U mit Hilfe des Regelwiderstandes P kann jedoch ein entsprechendes Wertepaar der Vakuumcharakteristik eingestellt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit ν ist mit der so angezeigten Drehzahl ν aus Gleichung (1) zu entnehmen.

Eine Fortbildung der Anordnung zeigt Abb. 3.

Der Frequenzgeber kann entfallen, wenn neben der Spannung U auch der Motorstrom / gemessen wird und sowohl die (/, C/)-Charakteristik als auch die (v, [^-Charakteristik des Vakuums bekannt ist. In diesem Falle kann entweder der Strom / oder die Spannung U als Maß für die Drehzahl ν und damit auch für die Strömungsgeschwindigkeit ν gemäß Gleichung (1) genommen werden. Es wird ferner erfindungsgemäß vorgeschlagen, die beiden Meßinstrumente für Strom und Spannung aus A b b. 3 zu einem Doppelinstrument mit gemeinsamer geometrischer Drehachse ihrer Zeiger zu vereinen. Der Innenwiderstand der Instrumente ist so zu wählen, daß jedem Wertepaar (/, U) der (/, t/)-Charakteristik des Vakuums der gleiche Zeigerausschlag an beiden Instrumenten entspricht, wobei eine der Skalen in Einheiten der Strömungsgeschwindigkeit ν geeicht sein kann. Zur Erzielung des Zustandes der Schlupffreiheit bei vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit ist die Spannung so einzuregeln, daß die Instrumentenzeiger »in Deckung« liegen, genau dann kann die Strömungsgeschwindigkeit abgelesen werden.

Gemäß A b b. 4 wird in Weiterbildung der Erfindung der Motor M₁ zum Vergleich des Strömungs-

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zustandes am Propeller mit der Vakuumcharakteristik wendung als Geschwindigkeitsmesser für Luftfahr-

in eine elektrische Widerstands-Meßbrücke geschaltet. zeuge von Bedeutung ist.

In den entsprechenden Zweig der Meßbrücke ist als Das verwendete elektrische Prinzip zur Messung des Vergleichswiderstand ein zweiter Motor M₂ mit glei- Schlupfes hat den Vorteil einer hohen Empfindlichkeit eher Vakuumcharakteristik wie M₁ geschaltet. Wäh- 5 gegenüber kleinen Änderungen der Strömungsgerend der Propeller R des Motors M₁ in der zu messen- schwindigkeit im Gegensatz zu den bisher bekanntden Strömung rotiert, rotiert der Propeller des Mo- gewordenen Meßanordnungen, die erst bei endlichen tors M₂ im Vakuum, oder die Motorwelle rotiert Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit anspreohne Propeller. Die Brückenwiderstände .R₁ und R₂ chen können. Infolgedessen werden bei automatischer sind einander gleich. Der Zustand der Schlupffreiheit io Regelung wegen des Fortfalls von Ein- bzw. Ausist bei dieser Anordnung ersichtlich gekennzeichnet schaltvorgängen, wie sie bei schon bekannten Geräten durch den Zeigerausschlag Null am Brückeninstrument auftreten, instationäre Zustände vermieden.
A. Dieser wird mittels Spannungsänderung am Regel- Bekanntlich hat eine Meßanordnung für Strömungswiderstand P erzielt. Dann kann die Strömungs- geschwindigkeiten nach dem Prinzip der Schlupfgeschwindigkeit ν an einem Instrument abgelesen 15 freiheit den Vorteil, daß eine Eichung für die Ströwerden, welches vorher über die (V, E/)-Beziehung und mungsgeschwindigkeit entfällt. Sie läßt sich einfach vermöge Gleichung (1) geeicht wurde. nach Gleichung (1) berechnen. Es entfällt auch die

Für zeitlich veränderliche Strömungsgeschwindig- Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeitsanzeige

keiten wird gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken von den thermodynamischen Zustandsgrößen Dichte

vorgeschlagen, mittels Brückenstrom über eine an sich 20 und Temperatur. Letzteres ist besonders wichtig für

bekannte Regeleinrichtung deie Brückenspeisespan- die Messung der Geschwindigkeit von Luftfahrzeugen,

nung so einzustellen, daß der Brückenstrom dauernd weil bei den bisher gebräuchlichen Verfahren wegen

gleich Null, d. h. daß auch der Schlupf gleich Null ist. der erheblichen Schwankungen der genannten Para-

Der erfindungsgemäße Rotationsströmungsmesser meter beim Flugbetrieb umständliche Auswerteverzeichnet sich durch folgende Vorteile aus: 25 fahren für die Bestimmung der Fluggeschwindigkeit

Die Erzielung und Ermittlung der Schlupffreiheit notwendig sind (Pitotrohr).

des Rotationskörpers auf elektrisch einfachem Wege, Die Erfindung hat gegenüber den üblichen Rota-

nämlich über einen Regelwiderstand und einen ge- tionsströmungsmessern den weiteren und nicht weniger

bräuchlichen Strom- und Spannungsmesser. Dabei bedeutenden Vorteil, daß gewisse »Apparatekonstan-

entfallen die bei schon bekannten Meßanordnungen 30 ten«, wie z. B. die Reibungskoeffizienten, welche im

verwendeten mechanischen und hydromechanischen allgemeinen Funktionen sowohl der Temperatur als

Meßeinrichtungen. Das erfindungsgemäße Gerät zeich- auch der Zeit (Verschleiß) sind, in die erfindungsgemäße

net sich wegen seines einfachen Aufbaus durch geringe Messung nicht eingehen. Das Gerät ist damit weit-

Störanfälligkeit aus, was besonders bei seiner Ver- gehend wartungsfrei und Nacheichungen entfallen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1.. Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, bei dem ein Propeller schlupffrei im Medium von einem Elektromotor angetrieben wird und eine der Betriebsgrößen des Motors zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß von den elektrischen Betriebsgrößen (Klemmenspannung [U], Strom [/], Widerstand, Leistung) des Motors eine so verändert wird, daß die anderen Betriebsgrößen Werte annehmen, die einer Rotation des Propellers im Vakuum bzw. einer Rotation des Motors ohne Propeller entsprechen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl (v) des Propellers bei der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit (v) durch ein Potentiometer oder eine ähnliche Einrichtung so verändert wird, bis das Wertepaar aus Drehzahl (v) und einer der gewählten elektrischen Betriebsgrößen mit dem entsprechenden Wertepaar für Vakuumbetrieb bzw. für Betrieb des Motors ohne Propeller übereinstimmt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Betriebsgrößen die Klemmenspannung (U) und der Motorsfrom (/) gewählt werden, wobei eine dieser Größen als Maß' für die Drehzahl (v) dient.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßinstrument vorgesehen ist, das über einen Umschalter entweder die Klemmenspannung (U) oder den Motorstrom (/) zu messen gestattet und das je eine Skala für die Klemmenspannung (U), den Motorstrom (/) und die Strömungsgeschwindigkeit (v) besitzt.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von Klemmenspannung (U) und Motorstrom (/) ein Doppelzeigerinstrument vorgesehen ist, dessen zwei Meßsysteme so ausgelegt sind, daß die Übereinstimmung der Wertepaare bei Deckung der Zeiger gegeben ist und das eine Skala die Strömungsgeschwindigkeit (v) besitzt.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor und ein stromabhängiger Widerstand von gleicher Charakteristik (vorzugsweise ein zweiter identischer Motor, der einen im Vakuum rotierenden Propeller bzw. keinen Propeller besitzt) in je einen Zweig einer elektrischen Meßbrücke geschaltet sind und daß zur Erzielung des Brückengleichgewichts Spannungsregler für manuelle oder automatische Regelung vorgesehen sind.