DE2021497A1 - Messsonde - Google Patents
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- 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
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- Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
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Description
Dipl. Ing. R. Merteris . V-
Patentanwalt
.6'Frankfurt/MainI1 Ammeiburgstr.34 ..-'.., ' ·ν':; 2021497
.6'Frankfurt/MainI1 Ammeiburgstr.34 ..-'.., ' ·ν':; 2021497
Prankfurt am Main, den 3Ο.4.197Ο
H 31 P 199
.HONEYWELL INC. /;
27OI Fourth Avenue South
Minneapolis, Man. USA
Meßsonde
Gegenstand der Erfindung ist eine Sonde zum Messen des statischen
Druckes in einem Mediumstrom, relativ zu welchem sich '■
die Sonde bewegt. Solche Sonden werden beispielsv/eise in Flug-.,
zeugen zur Messung des statischen Druckes in der Atmosphäre ■
bot der jeweiligen Flughöhe des Flugzeuges verwendet. Solche
Meßsonden werden bekanntlich auch zur Messung des gesamten :
oder Staudruckes verwendet, wobei der Gesamtdruck und der statische
Drück zur Ableitung von Signalen herangezogen werden, .
welche beispielsweise der Plughöhe, der angezeigten Eigengeschwindigkeit
und der Machzahl entsprechen. Zum Messen des
statischen Druckes hat die Sonde üblicherweise eine oder mehrere
öffnungen in einer glatten Außenfläche, welche sich parallel
zur beabsichtigten Relativbewegung gegenüber dem Mediumstrom
erstreckt. Diese Anordnung führt jedoch zu Schwierigkeiten bei
Relativbewegungen .sowohl im Überschall-als auch im Unterschall-T
bereich, weil verschiedene Paktoren,, wie beispielsweise eine
Druckrückkopplung durch die Grenzschicht und die Anwesenheit
von Stoßwellen, deren Lage von der Form der Sonde und des die
Sonde tragenden Fahrzeugs abhängt, den gemessenen statischen
Druck stark beeinflussen kann» und zwar in Abhängigkeit, von
ihrer Nähe und Lage zum Meßfühler für den statischen Druck*
Man hat bisher die Sonde an dem Fahrzeug bzw.Plugzeug oder an
einem Modell desselben befestigt und Versuchs im Windkanal
durchgeführt und dabei den gemessenen und den tatsächlichen
bador,gINai
202ΊΑ97
statischen Druck für eine Vielzahl unterschiedlicher Relativ-'
geschwindigkeiten aufgezeichnet. Diese Windkanalversuche sind,
nötig, weil die Form des Fahrzeugs zu Änderungen- des gemessenen Druckes in Abhängigkeit von den Strömungsverhältnissen um das
Fahrzeug Anlaß gibt. Die durch diese Versuche gewonnenen Ergebnisse
werden dann in irgendeiner Weise zur Kompensation von Ungenauigkeiten bei der Druckmessung in Betrieb verwendet. Diese
Ergebnisse sind jedoch nur dann verwertbar, wenn die Sonde an einer bestimmten Stelle eines bestimmten Fahrzeugs angebracht
™ ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßsonde zu,schaffen,
bei welcher der Aufwand für die Eichmessungen und die Kompensation entsprechend der Art des Fahrzeugs und der Lage der„Meßsonde am Fahrzeug verringert ist. . - , ,
Gemäß der Erfindung weist eine Meßsonde der eingangs genannten
Art ein Rohr auf, dessen Längsachse sich im Betrieb in der
Richtung der Relativbewegung erstreckt, wobei das Rohr an seinem
vorderen Ende offen ist und in seiner Innenfläche eine mit einem
Druckmesser in Verbindung stehende öffnung aufweist. Die Sonde
enthält ferner eine Vorrichtung zum Steuern des Mediumstrones
durch das Rohr sowie Steuer- und Antriebsmittel, welche den . k Mediumstrom derart steuern, daß bei einer Relativbewegung mit
Überschallgeschwindigkeit eine innerhalb des Rohres auftretende
senkrecht zur Rohrachse stehende Stoßwellenfront in einer Lage
in Strömungsrichtung gesehen im Abstand entweder vor oder hinter
der öffnung gehalten wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer in den Zeichnungen
schematisch dargestellter Ausfi^hrungsbeispiele beschrieben;. Dabei
zeigt
Figur 1 den Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform
der Sonde in einer ersten Betriebsart und
Figur 2 eine der Figur 1 ähnliche Darstellung der gleichen
Sohdie bei einer· andieren Betriebsart..
46/1316"
BAD
■ ·■-.■- 2Ö2H97
Figur 3 zeigt den Längsschnitt einer zweiten Sonde in
der einen Betriebsart und
Figur lJ die gleiche Sonde in einer anderen Betriebsart.
Figur 5 zeigt die Außenansicht der in den Figuren 3 und
Ί ini Schnitt gezeigten.Sonde mit einer schematischen Darstellung
der Vorrichtungen zum Steuern des Luftstromes durch die Sonde.
In Figur 1 ist eine Meßsonde mit einem hohlzylindrischen
Gehäuse 10 dargestellt, dessen Stirnseite 12 auf der Außenseite abgeschrägt ist. Unmittelbar hinter der Vorderkante
ist innerhalb der Sonde 10 durch eine Wellenlinie eine Stößwellenfront
l*i angedeutet. Durch entsprechende Linien sind
sich von der Vorderkante aus erstreckende Stoßwellen 16 dargestellt.
Während bei einem normalen stumpfen Flugkörper die Stoßwellenfront bei Überschallgeschwindigkeiten vom Flugkörper
absteht und um dessen Vorderseite herumgebogen ist, tritt bei
einem rohrförmigen Körper, wie der Meßsonde 10, sofern Luft
durch das Rohr hindurchströmen kann, eine sich rechtwinklig
zur Rohrachse erstreckende Wellenfront 1Ί innerhalb des Rohres
10 auf.
Hinter der Wellenfront IH mündet in Figur 1 ein Kanal 18 in
die Innenwand des Rohres 10, welcher mit einem Druckmesser 20
in Verbindung' steht, beispielsweise einem statischen Druckfühler, ,welcher ein dem gemessenen Druck entsprechendes Signal
liefert. Dieses Signal kann ein elektrisches oder ein Fluidsignal sein, es kann ein Analogsignal oder ein Digitalsignal
sein. In Strönungsrichtung hinter der Einnündung des Kanals 18
in das Rohrinnere ist die Rohrwand 10 mit einer Anzahl von Durchlässen 22 versehen, welche sowohl in Urafangsrichtung als
auch in Axialrichtung im Abstand von einander angeordnet sind.
Ein Kolben 21J läßt sich mit Hilfe eines Motors 26 oder sonstigen
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Antriebs innerhalb des Rohres 10 verschieben, derart, daß er
je nach seiner Lage im Rohr eine kleinere oder größere Anzahl der Durchlässe 22 für den Austritt des Luftstromes aus dem
Rohr IO freigibt. Die mechanische Verbindung zwischen dem Motor
26 und dem Kolben 2k ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
Ein weiterer Fühler 28 zur Messung des Gesamt- oder Staudrucks befindet sich außerhalb der Sonde 10 und liefert
ein Signal, welches beispielsweise in einem an den Fühler angeschlossenen
und mit in dessen Gehäuse untergebrachten Servoverstärker 28 ein Steuersignal für den Motor 26 und damit für
die Verstellung des Kolbens 2k in Abhängigkeit von dem gemessenen
Gesamtdruck erzeugt. Mit Hilfe dieses Signals wird der Kolben 21 derart verstellt, daß durch Beeinflussung des durch das
Rohr 10 und die Durchlässe 22 fließenden Luftstromes die Stoßwellenfront Ik an einer bestimmten Stelle in Strömungsrichtung
vor dem Einlaß 18 für den Fühler 20 gehalten wird.
In Figur 2 ist die gleiche Sonde dargestellt, jedoch in einer Betriebsweise, bei welcher die Viellenfront Ik1 nunmehr in Strömungsrichtung
gesehen hinter der Mündung des Kanals 18 für den statischen Druckfühler liegt und wiederum mit Hilfe des Staudruckfühlers
28 und des Motors 26 sowie des Kolbens 2h in dieser
Lage gehalten wird.
Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Sonde, welche
außen wiederum zylindrisch gestaltet ist und von deren Vorderkante 39 ausgehend sich wiederum Schockwellen 37 nach außen
erstrecken. Weiterhin befindet sich unmittelbar am vorderen Ende des Rohres 35 eine Stoßwellenfront kl im Inneren des Rohres.
über einen ersten Teilabschnitt ist das Rohrinnere hohlzylindrisch
gestaltet, hat also einen gleichmäßigen Querschnitt längs der Achse, geht aber dann in eine halsförmige Verengung
43 über, welche auch eine andere als die dargestellte Form
haben kann. Hinter der Verengung kl ist eine Drosselklappe 1J5
angeordnet, mit deren Hilfe der Luftstrom durch die Sonde 35
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verändert werden kann. ·
Ein ,Gesamtdruckfühler 47 befindet sich innerhalb des Rohres 35 "
vor der Verengung ^jUnd der zum statischen Druckfühler führende
Kanal 49 mündet im Bereich zwischen der Vorderkante 39 und
dem Fühler #7 in die Innenwand des Rohres 35- Zur Messung des
statischen Druckes innerhalb der Sonde braucht nur der Kanal 1J9
in die Innenwand zu münden, während der Druckfühler selbst außerhalb
der Sonde angeordnet sein kann. Im Betrieb liefert der Staudruckmesser
47 ein annähernd der Geschwindigkeit des die Sonde 35 tragenden Fahrzeugs entsprechendes Signal, welches zur
Steuerung des Ventils 45 und damit zur Steuerung der Lage der
Stoßwellenfront 4l dient. In Figur 3 liegt die Stoßwellenfront
4l in Strömungsrichtung vor der Einlaßöffnung zum Kanal 49 für
den Druckmesser. ......
Figur 4 zeigt die gleiche Sonde 35j aber in einer anderen Betriebsart,
bei welcher die Stoßwellenfront 1111 in Strömungsrichtung
hinter der Verengung 43 liegt und damit auch hinter der Einlaßöffnung
49 für den statischen Druckmesser. In Figur 4 befindet
sich die Drosselklappe 45 in einer Lage, in welcher der Durchfluß der Luft durch die Sonde 35 weniger gedrosselt ist, so daß
die sich rechtwinklig zur Sondenachse erstreckende Stoßwellenfront gewissermaßen in das Innere der Sonde 35 hineingesaugt
wird. Zweck der Verengung 43 ist es, stabilere Verhältnisse zu
erreichen und damit eine bessere Steuerung der Lage der "eingesaugten"
Stoßwellenfront zu ermöglichen. Dies ist ein bekanntes Merkmal zur Stabilisierung von Stoßwellenfronten innerhalb einer
Leitung. Da die Stoßwellenfront 4lr jetzt in Strömungsrichtung
hinter dem Staudruckfühler 47 liegt, entsteht an dessen Vorderseite eine BugstoßweHe 51. Die auf diese Weise entstehenden
reflektierten Stoßwellen 53 erzeugen zusammen die in einer Normalebene
zur Rohrlängsachse liegende Stoßwellenfront 41'. Der
Einlaßkanal 49 zum statischen Druckfühler liegt in Strömungsrichtung gesehen vor der Stoßwellenfrorit 4l' und mißt deshalb
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, - . 202H97
-■ 6 - ■
den tatsächlichen statischen Druck der freien Strömung bei entsprechend ausgebildetem Einlaß. Bei einigen Formen der
Sonde können geringfügige Grenzschichteffekte auftreten, wie sie durch die Linien 55 angedeutet sind und Fehler im genossenen
statischen Druck hervorrufen. Diese Effekte können jedoch für eine bestimmte Form der Sonde berechnet oder ein
einziges Mal gemessen v/erden und behalten dann ihre Größe bei, unabhängig von der Form des Fahrzeuges,an welchem die
Sonde befestigt ist. Diese Fehler lassen sich also leicht kompensieren.
Bei manchen Anwendungen der Sonde kann der Druckabfall innerhalb der Sonde, wenn sie ausgangsseitig mit der Atmosphäre
in Verbin dang steht, unter Umständen nicht groß genug sein, um eine Stoßwellenfront in Strömungsrichtung gesehen hinter
der Einlaßöffnung zum statischen Druckfühler aufrechtzuerhalten. In diesen Fällen kann man eine Pumpe oder dgl. verwenden,
beispielsweise in Strömungsrichtung hinter der Drosselklappe 45 anordnen, um den Druckabfall in der gewünschten V/eise
zu erhöhen.
In Figur 5 ist die in den Figuren 3 und 4 im Schnitt dargestellte
Sonde als Ansicht wiedergegeben zusammen mit einem Meßumformer 60, welcher an den Gesamtdruckmesser 47 angeschlossen
ist und ein Steuersignal für die Betätigung des die Drosselklappe 45 steuernden Motors 62 liefert. Die Stellung der
Drosselklappe wird in Abhängigkeit von der tatsächlichen Bewegungsgeschwindigkeit
der Sonde 35 geregelt. Eine noch genauere Regelung erhält man, wenn der gemessene statische Druck
ebenso dem Umformer 60 zugeführt wird, so daß dessen Ausgangssignal genau der tatsächlichen Geschwindigkeit der Sonde 35
entspricht. Der Meßfühler 47 liefert ein Signal, welches nur angenähert der Sondengeschwindigkeit entspricht.
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. 7 „ · · -202U97.
Aus der Beschreibung ergibt sich, daß die Meßsonde gemäß der
Erfindung einen Servomechanismus zur Steuerung der Lage der
Stoßwellenfront innerhalb der Sonde bei Überschallgeschwindigkeiten
enthält. Bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 und 3 wird die Geschwindigkeit der Sonde in Bezug auf das
Medium, in welchem sie sich bewegt, gemessen und die Stellung des KoIbUnS-SiI oder .der Drosselklappe 25 wird derart geregelt,
daß die Stoßwellenfront lH bzw. ^l sich gewissermaßen stromaufwärts
vom Einlaß des statischen Druckfühlers befindet. In
der anderen Betriebsweise, entsprechend den Figuren 2 und 1J
nimmt der Kolben 2*4 bzw. die Drosselklappe Ö5 eine Lage ein»
durch welche die Stoßwellenfront 14· bzw. Al1 an einer Stelle
stromabwärts vom statischen Druckfühler gehalten wird.
Befindet sich die Stoßwellenfront in Strömungsrichtung gesehen
vor dem Einlaß zum statischen Druckfühler (Fig. 1 und 3)»so
können bekannte Umrechnungsfaktoren, wie sie beispielsweise von der NASA (National Aeronautics and Space Agency) veröffentlicht
wurden, zur Umwandlung des dem gemessenen statischen Druck entsprechenden
Signals in ein dem statischen Druck einer freien.
Strömung entsprechendes Signal bei gegebener Relativgeschwindigkeit
der Sonde in Bezug auf das Medium verwendet werden. Diese Faktoren hängen nur von der Sonde und nicht von der Form des
die Sonde tragenden Flugkörpers ab. Befindet sich die Stoßwellenfront in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Einlaß, zum statischen Druckfühler, so entspricht der gemessene statische Druck
dem statischen Druck in der freien Strömung, sofern er nicht
durch Grenzschichtströmungen störend beeinflußt wird, welche .
jedoch, wie bereits erwähnt, durch Messungen bei verschiedenen
Geschwindigkeiten in einem Windkanal oder unter anderen bekannten und steuerbaren Bedingungen leicht kompensiert werden können.
Da diese Wirkungen im Inneren der Sonde auftreten, kann die gleiche Konpensation für alle Anwendungsfälle benutzt werden,
unabhängig von der Art und Form des Fahrzeuges, an welchem die
die Sonde befestigt ist. Es ist nicht notwendig, wie bei bekann-
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ten Sonden, diese für jeden Anwendungsfall·, d.h. in Verbindung
mit jedem Fahrzeug, besonders zu eichen und schon gar.nicht in Abhängigkeit von der Lage der Sonde am Fahrzeug. Es ist ersichtlich,
daß nicht nur die dargestellten und beschriebenen, sondern auch andere Ausführungsformen der Sonde gemäß der Erfindung möglich
sind. Wichtig ist lediglich, daß die Sonde die Form eines hohlen Rohres hat und Vorrichtungen zur Steuerung des Mediumstroms
durch das Rohr vorgesehen sind, so daß bei Überschallgeschwindigkeiten die Stoßwellenfront innerhalb des Rohres in
eine Lage gebracht wird, die entv/eder vor oder hinter der in das Innere des Rohres mündenden Einlaßöffnung für den statischen
Druckfühler liegt. Die Art des Fühlers selbst und der Steuer- und Regelvorrichtungen ist dabei von untergeordneter Bedeutung.
Selbstverständlich kann die Sonde nicht nur bei Flugzeugen, sondern
auch bei anderen sich in einem Medium bewegenden Körpern
eingesetzt werden.
o o 9 8 /♦ ρ /1 :m '■'
BAD ORIGINAL
Claims (1)
- Patent ansprtlche1. Sonde■·■ sam Messen des statischen Druckes in einem Mediumstrom, relativ zu welchem sich -die Sonde bewegt, d a d u r e h g e k en η -ζ e ie h η e t, daß die Sonde ein Rohr {1O;35) aufweist, dessen Längsachse sich im Betrieb in der Richtung der Relativbewegung erstreckt, daß das Rohr an seinem vorderen Ende offen ist und in seiner Innenfläche eine mit einem Druckmesser (20) in Verbindung stehende öffnung (1'8;-119) aufweist, daß die Sonde eine Vorrichtung {2\\§5) zum Steuern des Mediumstromes durch das Rohr enthält sowie Steuer- und Antriebsmittel (26,28;6O,62), welche den Mediumstrom derart steuern, daß bei einer Relativbewegung mit Überschallgeschwindigkeit eine innerhalb des Rohres auftretende \ senkrecht zur Rohrachse stehende Stoßwellenfront (lJl,4l) in einer Lage in Strömungsrichtung gesehen im Abstand entweder vor oder hinter der öffnung (l8;i}9) gehalten wird.2. Meßsonde nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e η η -ζ e i c h/n e:t, daß die Steuer- und Antriebsmittel einen Gesamtdruckmesser -(28;4?) und eine ein der Relativbewegung zwischen Sonde und Mediumstrom entsprechendes Signal liefernde Vorrichtung (28;6O). aufweist.3. Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e kennzeichnet, daß das Rohr (10) in Strömungsrichtung hinter der öffnung (18) mit nach außen führenden Durchlässen (22) versehen ist und ein als Steuervorrichtung dienender Kolben (24) je nach seiner Lage im Rohr eine kleinere oder größere Anzahl dieser Durchlässe für den Austritt des Mediumstroms aus dem Rohr freigibt (Pig.l und 2).0098 46/13.16i|. Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzei chnet, daß im Rohr (35)· als Steuervorrichtung ein Ventil oder eine Drosselklappe (*I5) in Strömungsrichtung hinter der öffnung (Ί9) angeordnet ist (Fig. 3 und H)-5· Meßsonde nach Anspruch 1I, d. adurch gekennz e i chnet, daß zwischen dem Einlaß (39) des Rohres (35) und der Drosselklappe (^5) eine vorzugsweise halsförmige Querschnittsverengung (*J3) vorgesehen ist.6. Meßsonde nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mediumstrom in Abhängigkeit von der Größe eines aus dom Gesamtdruck abgeleiteten, der Relativgeschwindigkeit zwischen Sonde und Mediumstrom entsprechenden Signal gesteuert wird.7. Meßsonde nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß der das Steuersignal erzeugenden Vorrichtung (28j6O) zusätzlich ein dem gemessenen statischen Druck entsprechendes Signal zugeführt wird.8. Meßsonde nach Anspruch 6 oder 7,dadurch gekennzei chnet, daß der Gesamtdruckmesser (^7) innerhalb des Rohres (45) in Strömungsrichtung hinter der öffnung (Jl9) ,angeordnet ist.0098A6/1316BAD ORIGINAL
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US82182169A | 1969-05-05 | 1969-05-05 |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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FR (1) | FR2042408A1 (de) |
GB (1) | GB1248385A (de) |
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Cited By (1)
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- 1969-05-05 US US821821A patent/US3618388A/en not_active Expired - Lifetime
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- 1970-05-04 FR FR7016243A patent/FR2042408A1/fr not_active Withdrawn
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