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Geschwindigkeitssensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwin-
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digkeit von Strömungsmedien nach der Schallmitführungsmethode.
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Die Erfindung betrifft einen Geschwindigkeitssensor der im Oberbegriff-des
Anspruche-s 1 beschriebenen Art.
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Solche Geschwindigkeitssensoren bestimmen die Schal laufzeit zwischen
den Köpfen. Bei im wesentlichen beliebiger Führung der Schallstrecke zwischen den
Köpfen hat diese Anordnung ihre Meßrichtung, in der die maximale Strömungsempfindlichkeit
vorliegt, in der Richtung der Verbindungslinie der Köpfe.
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Die Schallstrecke muß dabei nicht unbedingt durchgehend in der Meßrichtung
liegen wie bei einigen bekannten Konstruktionen der Fall, sondern kann auch schräg
zur Meßrichtung verlaufen.
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Letzteres ist bei einer bekannten Konstruktion der Fall, bei der die
Köpfe in flachem Winkel zur Meßrichtung auf einen im Abstand zur Frontfläche etwa
parallel zu dieser angeordneten Reflektor ausgerichtet sind, der den vom Sendekopf
ausgehenden Schallstrahl auf den Empfangskopf richtet.
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Bei dieser bekannten Konstruktion sind die Sendeköpfe auf an der Frontfläche
befestigten Stielen im Abstand zu dieser angeordnet. Dadurch soll vermieden werden,
daß Strömungsablenkungen an dem großen Träger das Meßergebnis verfälschen.
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Nachteilig bei dieser bekannten Konstruktion ist die immer noch relativ
große Nähe wenigstens von Teilen der Meßstrecke zu der Frontfläche, wodurch Meßfehler
durch Strömungsablenkung an der Frontfläche auftreten Ferner liegen die Meßköpfe
im Strömungsweg, und zwar im wesentlichen in der Flucht der Meßstrecke, so daß sie
sehr klein gehalten werden müssen, um die Strömung nicht zu stark zu stören. Dadurch
werden sie erheblich verteuert. SchlicClich sind die teuren Meßköpfe auf ihrcn Stielen
sehr berührungsempfindlich und werden bei Fremdberührung der Sonde abgerissen oder
zumindest in ihrer Justierung verstellt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Geschwilldig'seitssensor
der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei robustem und billigem Aufbau genauere
Meßergebnisse liefert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichnungsteiles
des Anspruches 1 gelöst. Bei dieser Konstruktion gehen die zwischen den Köpfen und
den Winkelreflektorcn liegenden Teile der Meßstrecke nicht in das bleC.,crgehnis
cin, da sie in umgekehrt paralleler Richtung durchlaufen werden, so daß sich in
ihnen der Strömungseffekt aufhebt. Der allein stromungsempfindliche Schallstreckenteil
liegt zwischen den im Abstand zur Frontfläche angeordneten Winkelreflektoren, also
in einem größeren Abstand zur Frontflache, wo die von dieser verursachten Anströmungsstörungen
klein sind. Da der Schallstreckenteil unmittelbar vor den Meßköpfen in das Meßergebnis
nicht eingeht, können die Meßköpfe in der Fläche der Frontfläche sicher und berührungsunempfindlich
angeordnet und größer und daher billiger sein.
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Weiterhin vorteilhaft ist der erfindungsgemäPe Ceschwindigkeitssensor
durch die Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet.
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Auf diese Weise wird der strömungsempfindliche Teil der Schallstrecke
zwischen den Winkelreflektoren geknickt ausgeführt.
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in solcher Sensor ist bevorzugt für solche Fälle einsetzbar, in denen
die Anströmung parallel zur Frontfläche erfolgt, da dann der strömungsempfindliche
aktive Teil der Schallstrecke von Strömungsstörungen an den Reflektoren im wesentlichen
unbeeinflußt bleibt.
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Dieser Geschwindigkeitssensor ist vorteilhaft durch die Merkmale des
Anspruches 3 gekennzeichnet. Bei dieser im wesentlichen M-förmigen Schallstrecke
zwischen den Köpfen, deren zwischen den Winkelreflektoren liegender Teil V-förmig
einwärts zur Frontfläche hin geknickt verläuft, liegen die Winkelreflektoren mit
ihrer die Abmessungen im wesentlichen bestimmenden Reflektorfläche im flachen Anstellwinkel
zur parallel zur Frontfläche verlaufenden Strömung, so daß sie nur geringe Störungen
verursachen. Der in der Spitze des V,also unmittelbar vor dem Mittelreflektor und
somit relativ nahe an der Frontfläche liegende mittlere Teil der Schallstrecke liegt
zwar in einem Bereich, an dem sich bereits Störungen der Frontfläche auswirken,
jedoch heben sich diese Störungen, da sie in den beiden Schenkeln des V gegensinnig
durchlaufen werden, heraus. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist die Möglichkeit,
den Mittelreflektor unmittelbar an der Frontfläche zu befestigen, so aß für ihn
keine
die zu messenden Strömungsbereiche durchlaufende Stützen erforderlich
sind.
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Alternativ ist der Sensor vorteilhaft durch die Merkmale des anspruches
4 gekennzeichnet. Bei dieser Ausbildung liegt der strömungsempfindliche aktive Teil
der Schallstrecke genau in der Verbindungslinie der beiden Winkelspiegel. Diese
Ausführung ist besonders für sogenannte fierende SoGen geeignet, die mit ihrer Frontfläche
quer zur liauptstrsmurgs--' richtung bewegt werden. Die Hauptströmungsrichtung verläuft
dann quer zum aktiven Teil der Schallstrecke, so daß dieser wiederum unbceinfluß
von Strömungsstörungen an den Reflektoren blcibt.
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Weiterhin vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Geschwindigkeitssensor
durch die Merkmale des Anspruches 5 gekennzeichnct. Auf diese Weise sind die Köpfe
optimal geschützt im Inneren des Trägerkastens angeordnet.
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Schließlich ist der erfindungsgemäße Geschwindigkeitssensor durch
die Merkmale des Anspruches 6 gekennzeichnet. Diese Ausbildung der Köpfe wird erst
durch die vorliegende Erfindung ermöglicht, da bei der erfindungsgemäßen Verlegung
des
aktiven Teils der Schallstrecke weit von den Köpfen weg die
Kopfgröße keine Rolle mehr spielt. Die Vergrößerung der Schaliwandlerfläche von
den bisher üblichen wenigen Quadratmillimetern um mchrere Größenordnungen ergibt
bei den üblichen hohen Frequenzen einen außerordentlich scharf gebündelten Schallstrahl
mit im wesentlichen parallelen Wellenfronten. Daraus ergibt sich wiederum der Vorteil,
daß die Empfangsenergie nach Passieren längerer Strecken und mehrerer Reflektoren
sehr hoch ist. Ferner wird der abgestrahlte Schall fast restlos auf den Empfangskopf
gestrahlt, so daß störende Premdreflexe an Verstrebungsteilen u. dgl. vermieden
werden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Geschwindigkeitssensors
mit zwei Schallstrecken in x- und y-Richtung und Fig. 2 eine Ansicht gemäß Fig.
1 von unten, bei der zur Darstellung eines Sende- bzw. Empfangskopfes ein Winkelreflektor
fortgelassen ist.
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Der dargestellte Sensor besitzt einen Träger 1, in dem Sende- bzw.
Enpfangsköpfe 2, 2' in der unteren, im folgenden als Frontfläche bezeichneten Fläche
3 angeordnet sind. Am Träger 1 ist über einen Verstrebungskäfig 4 im Abstand zur
Frontfläche 3 dieser gegenüberliegend eine Reflektorhalterung 5 befestigt, an der
über Streben Winkelreflektoren 6, 6' befestigt sind. Ein Mittelreflektor 7 ist über
eine eigene Strebe in geringerem Abstand zur Frontfläche als die Winkelreflektoren
6 in der Mitte zwischen den Köpfen 2, 2t be- \ festigt. Sämtliche, die Reflektoren
tragenden Streben sind in üblicher Weise so dünn wie möglich ausgeführt, um möglichst
geringe Wirbelschleppen zu erzeugen.
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Der Träger 1 ist über ein Kabel 8 an geeignete Sende- und Erpfangsanlagen
sowie Stromerzeugungseinrichtungen, z. B. in einem Schiff, angeschlossen. In diesem
Falle kann der Träger in seinen Abmessungen quer zur Frontfläche 3 relativ flach
ausgebildet sein. Diese elektrischen und elektronischen Einrichtungen können jedoch
sämtlich auch in dem Träger 1 vorgesehen sein, womit der Sensor von Kabel zuleitungen
unabhängig wird.
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Arbeitet der Kopf 2 als Sender, so geht von ihm ein Schallstrahl
zunächst
über den Streckenabschnitt A zum Winkelreflektor 6, von diesem über den Abschnitt
B zum Mittelreflektor 7, von dort über C zum Winkelreflektor 6' und von dort über
D zum Empfangskopf 2'. Der Mittelreflektor 7 ist daher parallel zur Frontfläche
3 ausgerichtet, während die Winkelreflektoren 6 und 6' jeweils senkrecht zur Winkelhalbierenden
der Schallstrecken A, B bzw. C, D ausgerichtet sind. In üblicher Weise werden die
identisch ausgebildeten Köpfe 2 und 2 abwechselnd als Sende- und Empfangsköpfe betrieben,
so daß die Streckenführung A, B, C, D abwechselnd in der einen und anderen Richtung
durchlaufen wird. Auf diese Weise läßt sich eine Reihe von Meßfehlern eliminieren.
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In üblicher Weise ist der dargestellte Geschwindigkeitssensor mit
zwei unter 900 zueinanderstehenden Schalls trecken ausgerüstet. Die zweite Schallstrecke
verläuft um 900 gedreht zur dargestellten Schallstrecke A, B,.C, D zwischen weiteren
Köpfen 2" und 2"' (in der Zeichnung nicht ersichtlich)lUber die dargestellten Winkelreflektoren
6" und 6"' und über den beiden Schallstrecken gemeinsamen Mittelreflektor 7.
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Mit diesen beiden gekreuzten Meßstrecken kann die Geschwindigkeit
in einer Ebene in x- und y-Richtung ermittelt werden,
so daß über
entsprechende elektronische Verarbeitung der bleEowerte sowohl die Richtung als
auch die Geschwindigkeit der Strömung ermittelt werden kann. Im folgenden wird der
Einfachheit halber nur die dargestellte Meßstrecke A, B, C, 1) näher diskutiert.
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Die dargestellte Meßstrecke hat ihre maximale Empfindlichkeit, also
ihre Meßrichtung in der Verbindungslinie der Köpfe 2, 2' . Wie geometrische Überlegungen
z. B. unter Zuhilfenahme des Linienintegrales sehr einfach zeigen, liefern dic beiden
Abschnitte A und D keinen Bcitrag zum Meßwert, da sie antiparallel durchlaufen werden,
so daß sich ihre Beiträge aufheben. In den Abschnitten B und C heben sich wieder
die senkrecht zur Meßrichtung stehenden Anteile auf, und es verbleibt nur der in
Richtung der Verbindungslinie der Köpfe 2, 2' liegende Anteil dieser beiden Strecken.
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Der strömungsempfindliche Teil B, C der Meßstrecken liegt im Bereich
zwischen dem Mittelreflektor 7 und den Winkelreflektoren 6, also in gröPerem Abstand
zur Frontfläche 3.
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Daher wirken sich die Anströmungsstörungen, die von der Frontfläche
3 verursacht werden, auf das Meßergebnis weniger aus
als bei bekannten
Konstruktionen, bei denen der empfindliche Teil der Meßstrecke in unmittelbarer
Nähe der Frontfläche liegt.
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Strömungsstörungen ergeben sich hauptsächlich im Bereich des relativ
voluminösen Trägers 1 und können die erfindungsgemäß vom Träger wegverlegte Meßstrecke
wenig stören. Weitere Störungen ergeben sich z. B. an dem Reflektorhalter 5, wo
sie auch außerhalb des empfindlichen Meßbereiches ~ liegen. Von den Verstrebungen
4 verursachte Wirbelschleppen können zwar den empfindlichen Meßbereich durchlaufen,
jedoch sind zur Herabsetzung der dadurch verursachten Fehler, wie dics lig. 2 zeigt,
die vier Streben des Verstrebungskafigs 4 um 450 zu den Meßstrecken versetzt.
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Da die Köpfe 2 senkrecht zur Frontfläche 3 abstrahlen, können sie
wie im dargestellten Falle nur sehr wenig aus dieser herausragend angeordnet sein
oder im bevorzugten Falle sogar völlig in dieser verschwinden, so daß Strömungsstörungen
durch die Köpfe vollständig vermieden werden.
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Die Köpfe können, da sie die Strömung nicht stören, relativ groß,
vorzugsweise mit einer Schallwandlerfläche von mehreren
Quadratzentimetern
ausgebildet werden. Solche großen Köpfe sind zum einen erheblich billiger als nach
dem Stand der Technik verwendete sehr kleine Köpfe und haben zum anderen den Vorteil,
daß sie bei gleicher Frequenz eine erheblich bessere Bündelung des Schallstrahles
ergeben. Im Zusammenhang damit ergibt sich auch eine annähernd ebene Schaliwellenfront.
Ausgesandte Schallimpulse werden daher auch nach mehrmaliger, fast restloser Reflexion
mit hoher Energie und mit nur sehr kleiner Impulsverbreiterung empfangen, was sich
auf die Meßgenauigkeit außerordentlich günstig auswirkt. Da die scharf gebündelten
Schallstrahlen von den Reflektoren restlos erfaßt und reflektiert werden können,
werden an den Reflektoren vorbei laufende vagabundierende Schallstrahlen vermieden,
die zu Störsignalen führen können.
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Der dargestellte Geschwindigkeitssensor ergibt eine äußerst llolle
Geschwindigkeitsauflösung, die cs z. B. gestattot, huber Langzeitintegration des
Geschwindigkeitssignales sehr langc Strömungswege zu ermitteln. Typische Anwendungsfälle
für diesen Sensor sind wissenschaftliche Meeresströmungssonden und Schiffslogs.
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In nicht dargestellter Weise kann die dargestellte Ausführungsform
z. B. durch andere Ausbildungen des Verstrebungskäfigs 4 abgewandelt werden.
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Ferner kann der Mittelreflektor 7 von der Frontfläche 3 aus gesehen
jenseits der Winkelreflektoren 6 angeordnet sein, wobei sich zwischen den Schallstrecken
A und B bzw.
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C und D ein stumpfer Winkel ergibt. Diese Anordnung bietet im wesentlichen
dieselben Vorteile wie die dargestellte Anordnung, hat jedoch den Nachteil, daß
in diesem Falle die unter flachem Winkel angestrahlten Winkelreflektoren 6 größer
sein müssen und mit dieser größeren Fläche steiler zur im wesentlichen in der Meßrichtung
liegenden Hauptströmungsrichtung liegen, so daß sich größere Strömungsstörungen
ergeben.
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In der dargestellten Ausführungsform liegen die Schallstrecken A,
B, C und D in einer Ebene. In anderen Ausführungsformen kann der Mittelreflektor
auch außcrhalb der durch die Strecken A und D gebildeten Ebene mit leichter Neigung
angeordnet sein, was im wesentlichen zu demselben Ergebnis führt.
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Die Ausführungsformen des Ceschwindigkeitssensors mit über einen Mittelreflektor
7 verlaufendem abgeknicktem empfindlichem
Schallstreckenteil B,
C sind, wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, insbesondere dann von Vorteil, wenn
die Hauptströmungsrichtung etwa in der Meßrichtung, also parallel zur Front fläche
3 verläuft. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn der Sensor mit seiner Frontfläche
3 parallel zum Boden eines Schiffes cingebaut ist oder in fester Höhenlage eine
im wesentlichen waagerechte Strömung bestimmen soll.
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Für den Sonderfall ficrcnder Sonden, die an einem Kabel gef i e rt
wc rden und dabei quer zur Fierrichtung die @riftbewegung bestimmen sollen,wären
die beschriebenen Ausführungsformen ungünstig, da durch die dann quer zur Hauptströmung
stehenden Reflektoren starke Störungen im MePbereich verursacht würden. Für diesen
Anwendungsfall empfiehlt sich eine nicht dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Geschwindigkeitssensors, bei dem die Winkelreflektoren 6 unter 45° zu den Verbindungslinien
A, D mit den zugehörigen Köpfen 2, 2' geneigt sind und bei denen daher der mittlere
empfindliche Schallstreckenteil unmittelbar zwischen den Winkelreflektoren liegt.
Bei dieser Anordnung wird dieser mittlere Teil der Schallstrecke von den Reflektoren
nicht gestört.
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