DE1698277B2

DE1698277B2 - Luftgeschwindigkeitsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE1698277B2
Application number: DE19681698277
Authority: DE
Inventors: John Leon Lancaster N.Y. Beilman (V.StA.)
Original assignee: Cornell Aeronautical Laboratory Inc
Current assignee: Calspan Corp
Priority date: 1967-05-25
Filing date: 1968-03-19
Publication date: 1973-03-01
Also published as: FR1556815A; US3400584A; DE1698277A1; SE329035B; DE1698277C3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Luftgeschwindigkeitsmeßvorrichtung, bestehend aus wenigstens einem drehbaren Arm, einem an dem drehbaren Arm befestigten, auf die Geschwindigkeit der Luftströmung ansprechenden Druckfühler und einem den drehbaren Arm im wesentlichen mit konstanter Geschwindigkeit antreibenden Antriebsmotor.

Es sind bereits Luftgeschwindigkeitsmeßvorrichtungen für Helikopter bekannt (s. beispielsweise die deutsche Auslegeschrift 1 087 384 und USA.-Patentschrift 2 986 933 und 3 070 999), bei welchem mit Hilfe von an den Rotorflügeln befestigten Pitotrohren Druckdifferenzsignale gewonnen werden, aus welchen die Helikoptergeschwindigkeit gegenüber dem Luftstrom abgeleitet werden kann. Da jedoch die Rotordrehzahl eines Helikopters nicht konstant ist müssen naturgemäß Kompensationskreise vorgesehen sein, um eine entsprechende Drehzahlkompensation des abgeleiteten Druckdifferenzsignals vorzunehmen.

Es ist demzufolge bereits eine Luftgcschwindigkeitsmeßvorrichtung bekannt (s. USA.-Patentschrift 846 878), bei welcher die Pitotrohrc unabhängig von der Drehzahl des Rotors des Helikopters mit konstanter Drehzahl angetrieben werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß wegen der konstanten Drehzahl auf zusätzliche Drehzahlkompcnsationskreise verzichtet werden kann. Zusätzlich ergibt

sich die Möglichkeit zur Erzielung einer größeren Empfindlichkeit, die Drehzahl der Pitotrohre der Luftgeschwindigkeitsmeßvorrichtung relativ hoch zu wählen, so daß die Amplitude der von den rotierenden Pitotrohren gemessenen zyklischen Drucks Veränderungen relativ hoch ist.

Es zeigt sich jedoch, daß die bisher bekannten Luftgeschwindigkeitsmeßvorrichtungen dieser Art bei Luhgeschwindigkeiten höher als etwa 8 km/h zufriedenstellende Meßresultate liefern. Der Grund für diese Empfindlichkeitsschwelle bei etwa 8 km/h liegt wahrscheinlich darin, daß durch die Meßvorrichtung selbst die mit den Pitotrohren versehenen radialen Arme ein radialer Luftstrom bzw. Wirbel, ähnlich wie bei einer Zentrifugalpumpe, gebildet wird. Durch die die Pitotrohre umgebenden radialen Luftströmungen ergeben sich Fehlersignale, welche von dem zu messenden Drucksignal überlagert werden. Dies wiederum führt zu Fehlmessungen, so daß die oben erwähnte Empfindlichkeit des Schwellwerts auftritt.

Demzufolge ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Luftgeschwindigkeitsmeßvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche dann noch zufriedenstellende Meßresultate liefert, wenn die relative Strömungsgeschwindigkeit fast auf Null abgesunken ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß an dem Arm ein starres Element befestigt ist, welches einen im wesentlichen senkrecht zu der Drehachse des Armes verlaufenden, bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten die Zentrifugalwirkung in der Ebene des Armes kompensierenden Luftstrom erzeugt, und daß ein auf das Ausgangssignal des Druckfühlers ansprechender Wandler vorgesehen ist, welcher ein Wechselstromsignal mit der Frequenz der Drehzahl des Druckfühlers erzeugt, das einer eine Anzeige der Größe und Richtung der relativen Luftgeschwindigkeit abgebenden Anzeigeeinrichtung zugeführt ist.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform der Luftgeschwindigkeitsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 und 3 Schnittansichten entlang der Linien 2-2 und 3-3 von F i g. 1,

F i g. 4 ein Blockdiagramm der in Verbindung mit der Luftgeschwindigkeitsmeßvorrichtung von F i g. 1 verwendeten elektrischen Meßkreise und

F i g. 5 eine Teilschnittansicht — ähnlich der F i g. 2 — einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß F i g. 1 und 2 besitzt die Luftgeschwindigkeitsmeßvorrichtung eine scheibenförmige Nabe 10, in welcher zwei kniefönnige Kanäle 11 und 12, eingebohrt sind. An der Nabe 10 ist ein länglicher rohrförmiger Arm 13 befestigt, welcher mit dem horizontalen Teil des Kanals 11 in Verbindung steht. Am freien Ende des Armes 13 ist ein im rechten Winkel hierzu angeordnetes horizontal verlaufendes Pitotrohr 14 befestigt, an dessen äußerem Ende eine Ö1T nung 14' vorgesehen ist. Das Pitotrohr 14 kann gegebenenfalls vom Arm 13 getrennt und damit in geeigneter Weise verbunden sein.

An der Nabe 10 ist ein zweiter länglicher rohrförmiger Arm 15 befestigt, welche mil dem Kanal 12 in Verbindung steht. Der Arm 15 ist ebenfalls horizontal, aber in bezug auf den Arm 13 unter einem Winkel von 180° angeordnet. Die Arme 13 und 15 sind fest mit der Nabe 10 verbunden, so daß eine Relativbewegung zwischen denselben unmöglich ist. Am äußeren Ende des Arms 15 ist ein zweites Pitotrohr 16 befestigt, das eine Öffnung 16' aufweist, welche gegenüber der öffnung 14' des Pitotrohrs 14 unter einem Winkel von 180° angeordnet ist.

An den Armen 13 und 15 sind ein Paar Luftflügel 17 bzw. 18 befestigt. Die Luftflügel 17 und 18, welche sich in Längsrichtung zu den Armen 13 bzw.

ίο 15 verlaufen und in der Mitte derselben angeordnet sind, weisen eine Längsöffnung 19 für die Aufnahme der entsprechenden Arme 13 bzw. 15 auf. Die Luftflügel 17, 18 können aus einem geeigneten Material, beispielsweise einem gepreßten Kunststoff, hergestellt sein. Gemäß F i g. 3, ist der Luftflügel 17 um einen Winkel von etwa 5° gegenüber der Horizontalen angeordnet. Der andere Luftflügel 18 ist um einen ähnlichen Winkel, aber in bezug auf den Luftflügel 17 entgegengesetzt geneigt, so daß gewisserma-

ao ßen ein Propeller entsteht. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung spielt es dabei keine Rolle, ob die Luftflügel 17 und 18 bei ihrer Drehung um eine vertikale Achse einen Luftstrom nach oben oder nach unten erzeugen.

An dem unteren Ende 20 der Nabe 10 ist in geeigneter Weise ein Wandler 21 befestigt, dessen Eingangsseite in F i g. 2 aufgeschnitten gezeigt ist. Der Wandler 21 besitzt ein Paar Kammern 22 und 23, die durch eine Membran 24 voneinander getrennt sind. Die Kammern 22 und 23 stehen jeweils mit den unteren vertikalen Enden der Kanäle 11 und 12 in Verbindung und sind mit Hilfe von mehreren 0-Ringen 25 abgedichtet. Das Vorhandensein eines Druckunterschieds in den Kammern 22 und 23 bewirkt eine Verformung der Membran 24, welche proportional zu der Größe des Druckunterschieds ist. Der Wandler 21 ist mit einem Übertragungselement versehen, welches die Verformung der Membran 24 in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses Übertragungselement kann beispielsweise ein Abnehmer mit einem veränderlichen elektrischen Widerstand oder ein Dehnungsmesser sein.

Unterhalb der Nabe 10 und dem Wandler 21 ist eine Motoreinheit 26 vorgesehen, welche den Wandler 21, die Nabe 10 und die Arme 13 und 15 in der Richtung des Pfeils 27 von F i g. 1 mit im wesentlichen konstanter Drehzahl um eine vertikale Achse antreibt. Zusätzlich ist eine Schleifring- und Bürstenanordnung 30 vorgesehen, über welche das elektri-

So sehe Ausgangssignal des Wandlers 21 der elektronischen Anzeigeeinrichtung 29 der Geschwindigkeitsmeßvorrichtung zugeführt wird.

In F i g. 1 zeigt der Pfeil 31 die Horizontalrichtung des Windes relativ zu einem Flugzeug an, welches mit der erfindungsgemäßen Luftgeschwindigkeitsmeßvorrichtung versehen ist. Der an der Membran gemessene Druckunterschied ist durch die folgende Formel festgelegt:

Ap = 2Q VV, sin ot

wobei

η die Luftgeschwindigkeit,
V die relative Luftgeschwindigkeit,
K, die lineare Geschwindigkeit der mit konstanter Drehgeschwindigkeit, <», rotierenden Armspitzen, und

in t der Winkel der Arme gegenüber der Richtung der relativen Luftgeschwindigkeit ist.

Wenn man zunächst die Luftdichtenänderungen vernachlässigt, ist ersichtlich, daß der gemessene Druckunterschied zwischen dem Pitotrohr 14 und dem Pitotrohr 16 eine Funktion der relativen Luftgeseliwindigkcit V ist. Um jedoch Luftdichtenabweichungen zu kompensieren ist gemäß F i g. 4 ein Übertrager 50 vorgesehen, welcher mit Hilfe eines statischen Druckkompensators 51, beispielsweise einem 1-at-Druckübertrager, durch eine Spannung erregt wird, die die statischen Druckabweichungen kompensiert. Diese Spannung wird in geeigneter Weise in einem Verstärker 52 verstärkt. Da die Dichte sowohl eine Funktion der Temperatur als auch des Drucks ist, müssen zusätzlich auch Temperaturänderungen berücksichtigt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Verstärkungsgrad eines am Ausgang des Übertragers 50 angeordneten Ausgangsverstärkers 53, beispielsweise mit Hilfe eines Temperaturfühlers 54 verändert wird. Das am Punkt z in F i g. 4 auftretende Signal ist ein unterdrücktes Trägersignal mit einer der Luftgeschwindigkeit V proportional modulierten Amplitude. Die Trägerfrequenz ist dabei diejenige der Übertragererregungsspannung. Die Modulationsfrequenz ist hingegen die Rotationsfrequenz der von der Motoreinheit 26 getriebenen Pitotrohre 14, 16. Um die Größe der Luftgeschwindigkeit zu erhalten wird das Signal einer Schaltanordnung zugeführt, welche aus einer Absolutwertschaltung 55, einem Niederfrequenzfilter 56 und einem Modulator 57 besteht. Das Ausgangssignal des Modulators 57 kann einem Anzeiger 58 zugeführt und/oder für Kontrollzwecke verwendet werden.

Um eine Direktanzeige zu ermöglichen, kann das elektrische Signal der relativen Luftgeschwindigkeit von dem in F i g. 4 dargestellten Punkt z einem mit zwei Rotorwicklungen versehenen Auflöser 59 zugeführt werden, welcher durch einen Motor 60 angetrieben wird. Die von dem Auflöser 59 abgegebenen beiden Signale X und Y sind Funktionen der Geschwindigkeilskomponenten der Längsachse bzw. der hierzu rechtwinklig verlaufenden Querachse des Flugzeugs. Diese beiden Signale X und Y werden entsprechenden Schaltanordnungen zugeführt, welche Demodulatoren 61. 62, Nicderfrequenzfüter 63. 64. Modulatoren 65. 66 und Anzeiger 67, 68 aufweisen. Es ist klar, daß das Verhältnis der seitlichen Geschwindigkeit zur Vorwärts- und Rückwärtsgeschwindigkeit ein Maß für den Seitenleitwinkel des Flugzeugs ergibt.

In dem folgenden sei nunmehr die Art und Weise erläutert, wie mit der Luftgeschwindigkeitsmeßvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine genaue Messung von sehr niedrigen Luftgeschwindigkeiten herunter bis zu einer Größe von Null möglich ist. Wenn sich die Pitotrohre 14 und 16 in Richtung des Pfeiles 27 von F i g. 1 drehen, dann wird auf Grund der Neigung der Luftflügel 17 und 18 ein Luftstrom erzeugt, der im wesentlichen senkrecht zur Rotationsebene der Pitotrohre verläuft. Dieser Luftstrom ist im wesentlichen rechtwinklig zur Meßebene und stört daher nicht die in dieser Ebene erzeugten Signale. Ohne die Luftflügel 17 und 18 gemäß der Erfindung würde hingegen die Rotation der Arme 13 und 15 einen zentrifugal verlaufenden Luftstrom in der Rotaüonsebene erzeugen, welcher die Pitotrohre 14, 16 daran hindern würde, Signale bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten zu messen. Die Luftflügel 17, 18 ermöglichen somit Geschwindigkeitsmessungen bis herunter auf Null während bei Abwesenheit dieser Luftflügel der untere Empfindlichkeitsgrenzwert bei ungefähr 8 km/h liegt. Der im wesentlichen senkrecht zur Rotationsebene der Arme 17 und 18 verlaufende Luftstrom wirkt somit dem Effekt des bei niedrigen relativen Luftgeschwindigkeiten in der Ebene dieser Arme gebildeten Zentrifugalwirbels auf die Pitotrohre 14 und 16 entgegen.

Die oben beschriebene Ausführungsform arbeitet im Bereich niedriger Luftgeschwindigkeiten sehr genau. Wenn jedoch die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs die Lineargeschwindigkeit der Fühlerspitze überschreitet, arbeitet die Meßvorrichtung nicht mehr zufriedenstellend, weil eine der Pilotöffnungen relativ zur Luflgeschwindigkeit rückwärtsbewegt wird. Bei strengen Winterbedingungen entsteht ferner Eis im Bereich der Pitotöffnungen 14' und 16', wodurch die Strömung gestört wird.

Diese obengenannten Schwierigkeiten treten bei der in Fig.5 dargestellten Ausführungsform nicht auf. Diese Figur zeigt eine Teilschnittansicht ähnlich F i g. 2 mit dem Unterschied, daß die Pitolrohre 14, 16 durch eine modifizierte Form eines Druckfühlers 140 ersetzt worden sind.

Der Druckfühler 140 besitzt ein mit einem Kanal 142 versehenes Rohrstück 141, welches das Ende des rohrförmigen Armes 13 bildet. Dieses Rohrstück 141, welches mit einem Paar den statischen druckmessenden Öffnungen 143 und 144 verschen ist, wird von einer zylindrischen Hülle 145 umschlossen. Die Hülle 145 besitzt einen konstanten Innendurchmesser und erstreckt sich über das Rohrstück 141 in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Die gemeinsame Achse der beiden Öffnungen 143, 144 verläuft parallel zur Drehachse der Arme 13 und 15, wobei die Luft tangential zu den Öffnungen 143. 144 strömt. Ein identischer Druckfühlcr 140 ist ebenfalls am Ende des Arms 15 vorgesehen. Eine Seitenol'fnung 146 in der Hülle 145 erlaubt den Eintritt des Rohrstücks 141, während das äußere L-nde des Rohrstücks 141 dichtend an der gegenüberliegenden Wandung 147 der Hülle 145 anliegt und durch dieselbe vollständig verschlossen wird. Das Rohrstück ist durch Schwcißung oder eine Silb^/hartlölunu bei 146 und 147 mit der Hülle 145 verbunden.

Die Arbeitsweise der Ausführungsform von F i g. 5 ist die gleiche wie diejenige der vorher beschriebenen Ausführungsform, mit dem Unterschied, daß der durch die Öffnungen 143 und 144 gemessene Druck nunmehr ein statischer Druck ist, weil der Luftstrom nunmehr tangential zu den Öffnungen 143. 144 strömt. Die Hülle 145 dient dazu, den Luftstrom auszurichten und dabei den Angriffswinkel gegenüber den Öffnungen 143,144 möglichst klein zu halten.

Auf Grund der Symmetrie des Druckfühlers 140 in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ist es unwesentlich, wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit de; Flugzeugs größer ist als die Lineargeschwindigkeii der Spitze des Druckfühlers 140. Die tangential zun Luftstrom angeordneten Öffnungen 143, 144 führer nämlich einen Druck, dessen maximaler Wert ai einer Seite eine Funktion der Spilzengeschwindigkei plus Vorwärtsgeschwindigkeit ist, während der maxi male Wert an der anderen Seite der Vorwärtsgc schwindigkeit minus der Spitzengeschwindigkeit ent spricht. Aus diesem Grund spricht die Ausführungs form von F i g. 5 sowohl auf hohe als auch auf nie

drige Luftgeschwindigkeiten an. Zusätzlich wurde gefunden, daß auch bei strengen V/interbedingungen nur eine geringe bzw. gar keine Vereisung der Öffnungen 143 und 144 auftritt. Dies hat seinen Grund in der Tatsache, daß der Druck nicht an einem Stagnationspunkt gemessen wird, wie dies bei den Pitotrohren 14, 16 der vorhergehenden Ausführungsform der Fall ist.

Die erhöhte Empfindlichkeit der Geschwindigkeitsmeßvorrichtung der vorliegenden Erfindung macht dasselbe besonders für die; Verwendung bei Helikoptern und anderen VTOL-Luftfahrzeugen geeignet, bei welchen Geschwindigkeiten von Null auftreten können. In diesem Fall wird die Meßvorrich-

tung an einer Stelle angebracht, welche nicht mit dem Antriebssystem verbunden ist. Weiterhin kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Messung von Oberflächenwindgeschwindigkeiten verwendet werden. Der hier verwendete Ausdruck »Luftgeschwindigkeit« soll sonst sowohl die Geschwindigkeit von Luft wie auch die Geschwindigkeit eines in der Luft bewegten Objektes umfassen.

An Stelle der Pitotrohre von F i g. 1 können auch ίο Schaufeln bzw. Flügel verwendet werden, weil derartige Elemente ebenfalls auf Luftgeschwindigkeiten ansprechen. Bei der Ausführungsform von F i g. 5 könnten auch symmetrische Venturirohre an Stelle der zylindrischen Hülle 145 verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Luftgeschwindigkeitsmeßvorrichtung, bestehend aus wenigstens einem drehbaren Arm einem an dem drehbaren Arm befestigten, auf die Geschwindigkeit der Luftströmung ansprechenden Druckfühler und einem den drehbaren Arm im wesentlichen mit konstanter Geschwindigkeit antreibenden Antriebsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Arm (13), ein starres Element (17) befestigt ist, welches einen im wesentlichen senkrecht zu der Drehachse des Armes (13) verlaufenden, bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten die Zentrifugalwirkung in der Ebene des Armes (13) kompensierenden Luftstrom erzeugt, und daß ein auf das Ausgangssignal des Druckfühlers (14, 140) ansprechender Wandler (21) vorgesehen ist, welcher ein Wechselstromsignal mit der Frequenz der Drehzahl des Druckfühlen» (14) erzeugt, das einer eine Anzeige der Größe und Richtung der relativen Luftgeschwindigkeit abgebenden Anzeigeeinrichtung (29, 50 bis 68) zugeführt ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber dem ersten drehbaren Arm (13) ein um 180° versetzter zweiter Arm (15) vorgesehen ist, an welchem ebenfalls ein auf die Geschwindigkeit der Luftströmung ansprechender Druckfühler (16, 140) befestigt ist, ferner daß an diesem zweiten Arm (15) ebenfalls ein starres Element (18) befestigt ist, welches einen im wesentlichen senkrecht zu der Drehachse des zweiten Armes (15) strömenden Luftstrom erzeugt, und daß das Ausgangssignal des zweiten Druckfühlers (16) ebenfalls dem Wandler (21) zugeführt ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfühler an den Enden der Arme (13, 15) befestigte Pitotrohre (14, 16) sind, während die an den Armen (13, 15) befestigten starren Elemente Luftflügel (17, 18) sind.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die beiden Arme (13, 15) als auch die zentrale Nabe (10) mit Kanälen (11, 12) versehen sind, und daß die an den Armen (13, 15) befestigten Luftflügel (17, 18) in entgegengesetzter Richtung geneigt sind.

5. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfühler (140) mit tangential zum Luftstrom orientierten Öffnungen (143, 144) versehen sind, und daß eine Hülle (145) vorgesehen ist, welche die öffnungen (143, 144) der Druckfühler (140) umgibt.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Arme (15, 13) durch Enclwandungen (147) verschlossen sind, und daß die Öffnungen der Druckfühler (143, 144) parallel zur Drehachse in den Scilcnwandungcn der Arme (13, 15) angeordnet sind.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Öffnungen (143, 144) umgebende Hülle (145) gegenüberliegende offene Enden aufweist.

8. Meßvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der

Wandler (21) direkt unterhalb der die Arme (13, 14) tragenden Nabe (10) angeordnet ist und zwei durch eine Membran (24) voneinander getrennte Kammern (22, 23) aufweist, welche über in der Nabe (10) angeordnete Kanäle (11, 12) mit den Armen (13, 15) verbunden sind, und daß ein Übertragungselement vorgesehen ist, welches entsprechend der Verformung der Membran (24) ein elektrisches Signal erzeugt, das über eine Schleifring-Bürstenanordnung (30) der Anzeigeeinrichtung (29) zugeführt ist.

9. Meßvorrichtung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (29) aus einer Absolutwertschaltung (55) einem Niederfrequenzfilter (56), einem Modulator (57) und einem Anzeiger (58) besteht.

10. Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (29) zur Druck- und Temperaturkompensation zusätzlich einen Übertrager (50) aufweist, dem das über einen Verstärker (52) geführte Ausgangssignal eines Druckkompensators (51) zugeführt ist. während im Ausgangskreis des Übertragers (50) ein Ausgangsverstärker (53) vorgesehen ist, dessen Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit eines Temperaturfühlers (54) gesteuert ist.

11. Meßvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (29) zur Direktanzeige zusätzlich einen von einem Motor (60) angetriebenen Auflöser (59) mit zwei Rotorwicklungen aufweist, dessen Ausgangssignale über entsprechende Demodulatoren (61, 62), Niederfrequenzfilter (63, 64), Modulatoren (65, 66), Anzeigern (67, 68) zugeführt sind.