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Aus diesem Grunde werden Geschwindigkeitsmeßwertgeber bevorzugt,
die ein elektrisches Meßwertsignal erzeugen und dazu gegebenenfalls ein zunächst
gewonnenes mechanisches Signal auf dem mit der Windfahne verbundenen drehbaren Teil
bereits in ein elektrisches Signal umwandeln, um dieses elektrische Signal mit Hilfe
der Übertragungseinrichtung auf das ortsfeste Gehäuse zu übertragen, von wo dieses
Signal in eine Wetterstation elektrisch übertragen und da ausgewertet werden kann.
Zur Übertragung elektrischer Meßsignale von Geschwindigkeitssensoren, die als ein
mit einem Tachogenerator verbundener Propeller oder als Staudruckrohr mit unmittelbar
elektrischer Druckmessung oder als Wirbelanemometer mit Ultraschallsensoren oder
Thermistoren oder schließlich als Schallanemometer ausgebildet sein können, dienen
Schleifringübertrager, bei denen im allgemeinen zwei oder mehr am Umfang von auf
einem Isolierkörper des Drehrohrs befestigten Schleifringen angeordnete Bürstensysteme
zur Übertragung dienen. Schleifringsyste-
me können bis zu Dauerbetriebsdrehzahlen
von ca. 6000 Umdrehungen pro Minute eingesetzt werden. Da die Anforderungen an die
Schleifringe sehr hoch sind, sind Schleifringübertrager relativ teuer und konstruktiv
aufwendig. Dies auch deshalb, weil geschirmte Schleifringe für die Übertragung hochfrequenter
geschwindigkeitsproportionaler Meßsignale erforderlich sind.
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Die Verwendung eines zum Drehrohr koaxialen und zur Wetterfahne rechtwinkeligen,
oberhalb letzter angebrachten Schalenkreuzes erfordert eine mehrfache Drehlagerung
bis ins Rohr der Wetterfahne, die mit dem Drehrohr drehfest verbunden ist Am Drehrohr
ist der Geschwindigkeitstachometergeber angebracht.
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Sowohl bei den zuvor geschilderten Geschwindigkeitsmeßvorrichtungen
wie auch bei getrennten Sensoren für Windrichtung und Windgeschwindigkeit (Windfahne
und Schalenstern) ist in fast allen Einsatzfällen eine einwandfreie Messung unter
allen vorkommenden Witterungsbedingungen nur möglich, wenn auch die drehbaren Teile
der Sensoren einschließlich der Wetterfahne geheizt werden. Mit einer Reihe von
verschiedenen Maßnahmen versucht man die Sensoren eisfrei zu halten. So wird vorgewärmte
Luft gegen diese ausgeblasen, werden diese in geheizte Käfige eingebaut, werden
die Sensoren flexibel ausgebildet und teilweise einer künstlichen Vibration unterworfen,
werden spezielle haftungsarme Oberfläche aus PTFE, Silikon usw. angewendet, werden
die Sensoren in geheizten Behältern untergebracht und vorgewärmt und wird schließlich
eine elektrische Heizung in Form einer Widerstandsheizung an allen gefährdeten Teilen
vorgesehen.
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Eine umfangreiche Literaturstudie, die sich auf 29 Literaturstellen
und eine Umfrage in 15 Ländern stützt, kommt zu dem Ergebnis, daß es bis heute keine
Ausbildung einer Windgeschwindigkeitsmeßvorrichtung gibt, die in allen Punkten unter
allen Bedingungen befriedigt, sh. Instrument and Observing Problems in Cold Dlimates,
WMO 110.384, Technical Note No. 135, Genf 1974.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windgeschwindigkeits-
und Windrichtungsmeßvorrichtung anzugeben, die bei erhöhter Betriebssicherheit und
weitgehenderer Wartungsfreiheit eine konstruktiv einfachere und damit preisgünstigere
Konstruktion und eine erhöhte Langzeitgenauigkeit sowie erhöhte Genauigkeit bei
niedrigen Windgeschwindigkeiten ermöglicht.
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Diese Aufgabe ist bei der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen
Meßvorrichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist also die Übertragungseinrichtung für das Meßsignal
und für die Heizenergie als zweiteiliger Topfmagnet-Drehübertrager ausgebildet.
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dessen beide Hälften berührungsfrei einander koaxial gegenüberstehen
und von denen die eine am durch die Windfahne gedrehten Teil (Drehrohr) und die
andere am ortsfesten Teil (Gehäuse und/oder Standrohr) befestigt ist. Die Meßsignal-
und Heizstromübertragung führt zu keinen mechanischen Verschleißerscheinungen am
Drehübertrager. Bevorzugt werden Topfmagnete aus Ferrit, da sie leichter und billiger
als Cobalt-Nickel-Magnete oder lamellierte Magnete sind, die alle grundsätzlich
ebenfalls anwendbar sind. Da der Topfmagnet als Hochfrequenz-Topfmagnet ausgebildet
ist, kann er, sofern die Wechselspannungs-Meßsignal-und -Heizstrom-Übertragung mit
unterschiedlichen Frequenzen, wie angegeben, erfolgt, diese gleichzeitig über jeweils
eine einzige Wicklung übertragen. Zur Entkopplung kann es unter Umständen zweckmäßig
sein, jeweils getrennte Wicklungen vorzusehen. Die Verwendung jeweils einer einzigen
Wicklung, also die gemeinsame Übertragung des Meßsignals und des Heizstroms hat
jedoch den Vorteil, daß für die Fortleitung bis zu den Sensoren und den Heizelementen
einerseits sowie der Heizstromquelle und der Meßwertauswertung andererseits jeweils
nur ein einziges Leiterpaar erforderlich ist. Im anderen Fall sind zwei Leiterpaare
vorzusehen.
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Die Anwendung der vergleichsweise hohen Wechselstromfrequenz für
die Widerstandsheizung ermöglicht es, einen verhältnismäßig kleinen Ferrit-Topfmagneten
zu verwenden, da die Übertragungsenergiedichte hoch ist Die Verwendung üblichen
50-Hz-Wechselstroms würde einen sehr voluminösen Topfkern erforderlich machen. Für
die Meßsignalübertragung ist von Haus aus kein voluminöser Topfmagnet erforderlich,
da die zu übertragende Leistung gering ist.
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Wegen des mechanisch einfachen Aufbaus und der Reibungsfreiheit zwischen
den beiden Topfmagnethälften sowie dessen vergleichsweise kleiner Ausbildung ist
die Konstruktion und damit der Konstruktions- und Bauaufwand gering, so daß eine
weitgehende Wartungsfreiheit und Wetterunempfindlichkeit erreicht sind. Die Meßsignalübertragung
erfolgt bei geringen Windgeschwindigkeiten ebenso genau wie bei hohen Windgeschwindigkeiten.
Der Übergangswiderstand von der drehbaren Hälfte auf die ortsfeste Hälfte der Übertragungseinrichtung
ändert sich nicht, insbes. ist er nicht durch Korrosion und Verschleiß beeinflußbar.
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Der Geschwindigkeitsmeßwertgeber kann, insbes. bei niedrigen Windgeschwindigkeiten,
je nach Konstruktion, ein vergleichsweise niedrigfrequentes Wechselspannungs-Meßsignal
abgeben. Um dieses mit hoher Frequenz übertragen zu können, ist vorgesehen, dieses
frequenzabhängige Ausgangssignal hinsichtlich der Frequenz und gegebenenfalls Spannung
elektronisch umzusetzen, damit die Ausgangsfrequenz im vorgesehenen Übertragungsfrequenzbereich
liegt und ein Mehrfaches der Heizstromfrequenz ist.
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Der Geschwindigkeitssensor kann als Tachogenerator mit einer Lochscheibe
ausgebildet sein, deren Drehung photoelektrisch abgetastet wird, wodurch unmittelbar
ein Wechselspannungssignal erzeugt wird, dessen Frequenz der Windgeschwindigkeit
proportional ist. Die Übertragung des Meßsignals nach Frequenzumsetzung erfolgt
dann im angegebenen Frequenzbereich, der jedoch zu niederen und höheren Frequenzen,
je nach Verhältnis von höchster zu niedrigster auszumessender Windgeschwindigkeit,
erweitert sein kann.
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Die Meßsignale können in modulierter oder gepulster, gegebenenfalls
codierter Form, übertragen werden.
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Bei Trägerfrequenz-Meßsignalübertragung sollte die Trägerfrequenz
der besonders guten Störsignalunterdrückung wegen ein primzahlvielfaches der Heizstromfrequenz
sein.
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Die Energie für den Betrieb der Elektronik, insbes.
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des Frequenzumsetzers und erforderlicher Verstärker oder dgl. wird
vom Heizstrom abgezweigt. Der Betriebsstrom braucht also nicht gesondert über Schleifringe
oder dgl. übertragen zu werden.
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Der Topfmagnet muß im allgemeinen in der Lage sein, eine Leistung
von 100 bis 200 Watt Heizstrom zu
übertragen. Sein Auß.endurchmesser-beträgt
iri diesem Fall ca. 40mm und seine Länge-ca.50 mm.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Windgeschwindigkeitsmeßvorrichtung
lassen sich dahin zusammenfas- -sen; daß keine Reibung- bei oder Meßsignal und Heizstromübertragung
auftritt; was besonders wichtig für das dynamische Verhalten--der Sensoren beigeringen
Geschwindigkeiten ist, kein:Verschleiß auftritt und der Platzbedarf ebenso wie die
Kosten gering sind.
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Auch die -kontaktfreie Heizenergieübertragung hat gegenüber der Übertragung
durch Schleifringe die gleichen Vorteile wie die der kontaktfreien Meßsignalübertragung.
Hinzu kommt aber, daß Schleifringe, die sowohl den Ansprüchen der Signalübertragung
(Abschirmung usw.) wie denen. der En'ergieübertragung (Stromstärke)'genügen, konstruktiv
besonders aufwendig und - damit teuer-sínd und~entsprechend viel Platz beanspruchen,-währénd
mit Ferritkern-Topfmagneten die kontakdose Energi - ünd Signalübertragung ohne zusätzlichen
nieChanischen -Aufwand möglich ist. Da daher das den Tópfmagneten und - die, Lagerung
aufnehmende Gehäuse klein ist, können die gegebenenfalls in ihm vbrgesei-eneh--Heizelementt:
klein und der Stromverbrauch niedrig sein.
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Ein- Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung
näher erläutert, deren Eq i g. I eine Prinzipskizze im Längsschnitt einer Windgeschwindigkeits-
und Windrichtungsmeßvorrichtung, und deren Fig.2 in perspektivischer-Ansicht- einen
Hochfrequenz-Ferrit-Topfmagnet-Drehübertrager mit einer Wicklung je Hälfte zeigt.
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Der Windgeschwindigkeitsmesser - weist auf einem Drehrohr 1, drehfest
mit diesem verbunden, eine Windfahne 2 auf und mittig einen Gèschwindigkeitsmeßwertgeber
3, welcher ein nicht dargestelltes Schalenkreuz haben kann, welches einen Tachogenerator
oder eine Lochscheibe aufweist, deren Lochkranz photoelektrisch abgetastet'wird,
um ein Wechselspannungssignal abzugeben, dessen Frequenz von der Drehzahl abhängt.
Der Geschwindigkeitsmeßwertgeber 3 ist ebenso wie die Windfahne 2 mittels Widerstands-Heizelementen
4 derart erwärmbar, daß es nicht zu einer Vereisung kommen kann. Die Heizelemente
sind am Außenbereich des Geschwindigkeitsmeßwertgebers -3 und der Windfahne 2 schematisch
angedeutet. Das Drehrohr 1 ist in einem auf einem ortsfesten Standrohr 6 montierten
feststehenden Gehäuse 7 mittels zweier Lager 8 und 9 drehbar gelagert und wirkt
mit einem Stellungsgeber 10 zusammen, in dessen Abtastelement 11 eine auf dem Drehrohr
befindliche Scheibe 12 eingreift. Derartige Stellungsgeber sind bekannt. Zur Ableitung
des Richtungssignals dient ein Leiterpaar 13. Die Ableitung des vom Geschwindigkeitsmeßwertgeber
3 erzeugten Meßsignals erfolgt über ein zweiadriges Kabel 16 zu einem im Gehäuse
7 untergebrachten zweiteiligen Hochfrequenz-Ferrit-Topfmagnet-Drehübertrager 17.
Dessen eine drehbare Hälfte 18 ist mit dem unteren Ende des Drehrohrs 1 verbunden,
während die andere, zu diesem koaxial und fluchtend vorgesehene Hälfte 19 im Gehäuse
feststehend, d. h. mit diesem verbunden, angeordnet ist. Jede der beiden Topfmagnethälften
hat eine Wicklung bzw. Spule. An die Wicklung der drehbaren Hälfte 18 des Topfmagneten
17 ist das Kabel 18 angeschlossen, während mit der feststehenden unteren Hälfte
19 des Topfmagneten 17 ein zweiadriges Kabel 20 angeschlossen ist, welches zu einer
Meßsignalauswertvorrichtung und Anzeigeeinrichtung führt.
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Während am Kabel 13 das Richtungssignal für die Windrichtung ansteht,
liegt am Kabel 20 das Geschwindigkeitssignal in Form eines Hochfrequenzsignals für
die Windgeschwindigkeit an. Die Heizstromzufuhr erfolgt bei der dargestellten Ausführungsform
über das Kabel 20, den Topfmagnet-Drehübertrager 17 und das Kabel 16 im Drehrohr
1 zu den Heizelementen 4.
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Um die Übertragung sowohl des Meßsignals als auch des Heizstroms
über die zweiadrigen Kabel 16 und 20 ermöglichen, sind unterschiedliche Übertragungsfrequenzen
vorgesehen. Das Meßsignal wird aus dem Heizstrom ausgefiltert.
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Die beiden Topfmagnethälften können auch jeweils mit zwei Wicklungen
ausgerüstet sein, so daß über galvanisch getrennte Strompfade über die Kabel 16
und 20 sowie gestrichelt angedeutete Kabel 16' und 20' die Meßsignal- und Heizstromübertragung
erfolgen kann und nur die Übersprechsignale ausgefiltert werden müssen.
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F i g. 2 zeigt den Ferrit-Topfmagnet-Drehübertrager in Schrägperspektive.
Die beiden Häften haben jeweils einen äußeren Pol in jeweils einem Quadranten. Die
Hälften sind durch einen Luftspalt 23 voneinander getrennt. Die Topfmagnetkerne
und die Wicklungen 24 und 25 der feststehenden Topfmagnethälfte 19 und der drehbaren
Topfmagnethälfte 18 sind in bekannter Weise derart ausgelegt, daß sowohl eine Meßsignalübertragung
im angegebenen Frequenzbereich von 0,1-1 MHz als auch eine ausreichende Heizenergieübertragung
im Frequenzbereich von 10 bis 25 kHz, insbesondere 15-25 kHz, möglich ist, um einen
hohen Wirkungsgrad in Abstimmung auf die Auslegung des Magneten zu erreichen.
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Als Windgeschwindigkeitsmeßwertgeber kommen schalenkreuzgetriebe
Tachogeber infrage. Vorzugsweise wird mit Hinblick auf die Hochfrequenzübertragung
ein Ultraschall-Karmangeber eingesetzt.