DE2843124C2 - Windgeschwindigkeit- und Windrichtungsmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Windgeschwindigkeitsund Windrichtungsmeßvorrichtung mit einem Windgeschwindigkeitsmeßwertgeber an einer auf einem Drehrohr gelagerten Windfahne, bei dem das Drehrohr in einem auf einem Standrohr ortsfest gehaltenen Gehäuse gelagert ist, bei dem die beweglichen Teile einschließlich deren Lagerungen und die Windfahne mit Widerstandsheizelementen gegen Vereisung ausgerüstet sind und bei dem in dem Gehäuse eine Übertragungseinrichtung für die Übertragung des über ein Kabel zu- und abzufahrenden Wechselspannungs-Geschwindigkeitsmeßsignals vom Drehrohr auf das Standrohr bzw. das Gehäuse sowie für die Übertragung des über ein Kabel zu- und abzuführenden Wechselspannungs-Heizstroms vom Standrohr zum Drehrohr und ein ein Windrichtungssignal abgebender Stellungsgeber für die Windfahne vorgesehen sind. Die Meßsignale und der Heizstrom werden dabei über das ortsfeste Gehäuse kabelgebunden geleitet Alle beweglichen, die Messung beeinflussenden Teile, einschließlich der Lagerungen und dgl., sind zur Verhinderung einer Vereisung mit Widerstandsheizelementen ausgerüstet

Viele Windgeschwindigkeitssensoren s:nd richtungsabhängig. Die einfachste, meist billigste und sicher

is genaueste Möglichkeit mit den Geschwindigkeitssensoren trotzdem die Windgeschwindigkeit bei beliebiger Windrichtung korrekt zu messen, besteht darin, die Geschwindigkeitssensoren auf eine Windfahne zu setzen bzw. sie an dieser anzubringen, damit sie sich mit der Windfahne in den Wind stellen.

Die Windrichtung wird mit Potentiometern, Synchros oder optoelektronischen Drehstellungsgebern gemessen, deren Gehäuse fest mit dem Gehäuse des Windrichtungsgebers verbunden ist und deren drehbare Teile auf einer durchgehenden Hohlwelle, dem Drehrohr, sitzen, das von einem ortsfesten Standrohr mit dem Gehäuse für die Übertragungseinrichtung verbunden ist. Durch di£se Hohlwelle bzw. dieses Drehrohr wird auch das Geschwindigkeitsmeßsignal des Geschwindigkeitssensors kabelgebunden geführt

Bei den bekannten Windgeschwindigkeitsmeßvorrichtungen kanrr die Übertragung des Windgeschwindigkeits-Meßsignals mechanisch oder elektrisch erfolgen, je nachdem, ob der Geschwindigkeitsmeßwertgeber elektrisch arbeitet oder anders. Der Geschwindigkeitssensor kann ein Propeller sein, der über ein Kegelradgetriebe durch das Drehrohr einen im Gehäuse vorgesehenen feststehenden Tachogenerator antreibt Ferner ist es bekannt, den Geschwindigkeitsmeßwertgeber als Staudruckrohr auszubilden, das im Gehäuse in eine drehbare Kupplung für die Druckleitung führt an die ein feststehendes geschwindigkeitsgeeichtes Manometer angeschlossen ist Der Nachteil dieser mechanischen Übertragung ist der, daß die

Übertragungseinrichtung reibungsbehaftet ist einem

vergleichsweise hohen Verschleiß unterliegt, und, da sie sehr präzise und wartungsarm ausgebildet sein muß, kostspielig ist

Aus diesem Grunde werden Geschwindigkeitsmeß-

wertgeber 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 Geschwindigkeits-.ensoren, die als ein mit einem Tachogenerator verbundener Propeller oder als Staudruckrohr mit unmittelbar elektrischer Druckmessung oder als Wirbelanemometer mit Ultra= sichallsensoren oder Thermistoren oder schließlich als Schallanemometer ausgebildet sein können, dienen üchleifringübertrager, bei denen im allgemeinen zwei oder mehr am Umfang von auf einem Isolierkörper des Drehrohrs befestigten Schleifringen angeordnete BUrstensysteme 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.

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

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 Wittemngsbedingungen 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 jegen diese ausgeblasen, v/erden 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.

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 110384, Technical Note No. 135, Genf 1974.

Der ErHndung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windgeschwindigkeits- und Windrichtungsmeßvorrichtung anzugeben, die bei erhöhter Betriebssicherheit und weitgehenderer Wartungsfreihei: eine konstruktiv einfachere und damit preisgünstigere Konstruktion und eine erhöhte Langzeitgenauigkeit sowie erhöhte Genauigkeit bei niedrigen Windgeschwindigkeiten ermöglicht

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 Unteransprijchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist also die Übertragungseinrichtung für des Meßsignai und für die Heizenergie als zweiteiliger Topfmagnet-Drehübertrager ausgebildet, dessen beide Hälften berührungsfrei einander koaxial gegenüberstehen und von denen die eine am durch die Windfihne gedrehten Teil (Drehrohr) und die andere am ortsfesten Teil (Gehäuse und/oder Standrohr) befestigt ist. Die Meßsignal- und Heizstromübertragung fühit 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 b5 grundsätzlich ebenfalls anwendbar sind. Da der Topfmagnet als Hochfrequenz-Topfmagnet ausgebildet ist, kann er, sofern di? 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.

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

Wegen des mechanisch einfachen Aufbaus und der Reibungsfreiheit zwischen den beiden Topfmagnethälften sowie dessen vergleichsweise kleiner Ausbildung ist die Konstruktion und damit der Konstruktion- 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.

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

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.

Die Meßsignale können in modulierter oder gepulster, gegebenenfalls codierter Form, übertragen werden. Bei Trägerfrequenz-Meßsignalübertragung sollte die Trägerfrequenz der besonders guten Störsignalunterdrückung wegen ein primzahlvielfaches der Heizstromfrequenz sein.

Die Energie für den Betrieb der Elektronik, insbes. des Frequenzumsetzers und erfo^rderHcher Verstärker oder dgl. wird vom Heizstrom abgezweigt Der Betriebsstrom braucht also nicht gesondert über Schleifringe oder (¹JjI. übertragen zu werden.

Der Topfmagnet muß im allgemeinen in der Lage sein, eine Leistung von 100 bis 200 Watt Heizstrom zu

übertragen. Sein Außendurchmesscr beträgt in diesem Fall ca. 40 mm und seine Länge ca. 50 mm.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen WindgeschwindigkeitsmeBvorrichtung lassen steh dahin zusammenfassen, daß keine Reibung bei der Meßsignal- und Heizstromübertragung auftritt, was besonders wichtig für das dynamische Verhalten der Sensoren bei geringen Geschwindigkeiten ist, kein Verschleiß auftritt und der Platzbedarf ebenso wie die Kosten gering sind. 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 Energieübertragung (Stromstärke) genügen, konstruktiv besonders aufwendig und damit teuer sind und entsprechend viel Platz beanspruchen, während mit Ferritkern-Topfmagneten die kontaktlose Energie- und Signalübertragung ohne zusätzlichen mechanischen Aufwand möglich ist. Da daher das den Topfmagneten und die Lagerung aufnehmende Gehäuse klein ist, können die gegebenenfalls in ihm vorgesehenen Heizelemente klein und der Stromverbrauch niedrig sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung näher erläutert, deren

Fig. 1 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.

Der Windgeschwindigkeitsmesser weist auf einem Drehrohr 1, drehfest mit diesem verbunden, eine Windfahne 2 auf und mittig einen Geschwindigkeitsmeßwertgeber 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 VViuci siaiiuvHeizeiemenien 4 derart erwännbar, liau 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,

ic angeordnet ist. Jede der beiden Topfmagnethälften hat eine Wicklung bzw. Spule. An die Wicklung der drehbaren Hälfte 18desTopfmagneten 17 ist das Kabel 18 angeschlossen, während mit der feststehenden unteren Hälfte 19 des Topfmagneten 17 ein zweiadriges

ι⁵ Kabel 20 angeschlossen ist, welches zu einer Meßsignalauswertvorrichtung und Anzeigeeinrichtung führt. 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. Um die Übertragung sowohl des MeDsignals als auch

²"> des Heizstroms über die zweiadrigen Kabel 16 und 20 ermöglichen, sind unterschiedliche Übertragungsfrequenzen vorgesehen. Das Meßsignal wird aus dem Heizstrom juisgefiltert.
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.

Fig.2 zeigt den Ferrit-Topfmagnet-Drehübertrager in Schrägperspektive. Die beiden Haften 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 "wei5C uciafi duagcicgi, udu awrruni «LiiiC niCwSi^iiui übertragung 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.

Als Windgeschwindigkeitsmeßwertgeber kommen schalenkreuzgetriebe Tachogeber infrage. Vorzugsweise wird mit Hinblick auf die Hochfrequenzübertragung ein Ultraschall-Karmangeber eingesetzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   J. Windgeschwindigkeits- und Windrichtungsmeßvorrichtung mit einem Windgeschwindigkeitsmeßwertgeber an einer auf einem Drehrohr gelagerten Windfahne, bei dem das Drehrohr in einem auf einem Standrohr ortsfest gehaltenen Gehäuse gelagert ist, bei dem die beweglichen Teile einschließlich deren Lagerungen und die Windfahne mit Widerstandsheizelementen gegen Vereisung ausgerüstet sind und bei dem in dem Gehäuse eine Übertragungseinrichtung für die Übertragung des über ein Kabel zu- und abzuführenden Wechselspannungs-Geschwindigkeitsmeßsignals vom Drehrohr auf das Standrohr bzw. das Gehäuse sowie für die Übertragung des über ein Kabel zu- und abzuführenden Wechselspannungs-Heizstroms vom Standrohr zum Drehrohr und ein ein Windrichtungssignal abgebender Stellungsgeber für die Windfahne vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignalübertragung im Hochfrequenzbereich vor fl.l bis 1 MHz und die Heizstromübertragung im Frequenzbereich von 10 bis 25 kHz erfolgt und die Übertragungseinrichtung als Hochfrequenz-Topf magnet-Drehübertrager (17) aus zwei axial angeordneten Hälften (18,19) ausgebildet ist, dessen eine Hälfte (18) am Drehrohr (1) und dessen andere Hälfte (19) am Standrohr (6)i>efestigt ist

   Z Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Topfmagnet-Drehübertrager (17) als Ferrit-Topfmagnet-Drehübertrager ausgebildet ist

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beeren Hälften (18,19) des Drehübertragers (17J jeweils eine gemeinsame Wicklung (24, 25) für d^:.- Übertragung des Meßsignalsund des Heizstroms aufweisen.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hälften (18,19) des Drehübertragers (17) jeweils getrennte Wicklungen für die Übertragung des Meßsignals und des Heizstroms aufweisen.

   5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wind' geschwindigkeitsmeßwertgeber (3) und dem Drehübertrager (17) ein Frequenzumsetzer für die Frequenzerhöhung oder -erniedrigung des Wechselspannungs-Geschwindigkeitsmeßsignals geschaltet ist, dessen Stromversorgung mittels des Heizstroms erfolgt

   6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Trägerfrequenzübertragung des Meßsignals die Trägerfrequenz ein primzahlvielfaches der Heizstromfrequenz ist