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Verfahren und Einrichtung zum Messen der Sink- oder bzw. und Steiggeschwindigkeiten
o. dgl. von in Gasräumen bewegten Körpern Die Erfindung betrifft ein Verfahren und
eine Einrichtung zum Messen der Geschwindigkeiten von in Gasräumen bewegten Körpern
in Richtungen, in denen Änderungen des Gasdrucks stattfinden; sie ist von besonderer
Bedeutung für das Anzeigen der Sink- und Steiggeschwindigkeiten von Luftfahrzeugen.
Hauptsächlich beim sog. Fliegen ohne Sicht ist das Vorhandensein eines Instruments
wichtig, an dem man die senkrechte Sink- und Steiggeschwindigkeit ablesen kann und
man hat als Meßprinzip für solche Instrumente die Änderung des Luftdrucks mit der
Höhe herangezogen, also die relative Änderung gemessen, etwa durch empfindliche
Aneroidbarometer.
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Die Erfindung macht auch von der Änderung des Gasdrucks in der Bewegungsrichtung
Gebrauch. Es wird also auch die der kenntlich zu machenden Geschwindigkeit entsprechende
Druckänderung j e Zeiteinheit gemessen; bei Flugzeugen ist dies die mit einer Änderung
der Höhe vom Meeresniveau einhergehende Luftdruckänderung. Dabei strömt das Gas
entsprechend. den Änderungsgeschwindigkeiten seines Drucks durch eine Öffnung in
Gefäße .ein oder aus diesen Gefäßen aus. Das Verfahren nach der Erfindung kennzeichnet
sich dadurch, daß das Gas nur in einer Richtung in bezug auf in der Nähe der öffnung
angebrachte Heizfäden die Eigenschaft einer gerichteten Strömung hat und in an sich
bekannter Weise deren Temperatur ändert, die elektrisch, z. B. mittels einer Widerstandsmeßbrücke,
gemessen wird. Sollen zugleich Sink- und Steiggeschwindigkeiten gemessen werden,
dann wird das Verfahren nach der Erfindung so ausgeübt, daß Gefäße einander paarweise
zugeordnet werden, derart, daß bei einem Gefäß nur der austretende, beim anderen
Gefäß dagegen nur der eintretende Gasstrom gerichtet auf die Heizfäden trifft.
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Zum Ausüben des Verfahrens nach der Erfindung dient eine Einrichtung,
die sich dadurch kennzeichnet, daß die bzw. jede Gefäßöffnung eine Leitdüse mit
einseitiger Richtwirkung enthält und der bzw. die stromdurchflossenen Feindrahtleiter
auf der dem kleinsten Düsenquerschnitt nächstgelegenen Seite angeordnet ist bzw.
sind. Weitere Eigenheiten der von der Erfindung umfaßten Einrichtung ergeben sich
an Hand der näheren Erläuterung eines Ausführungsbeispiels, das auf Erfordernisse
für die Nutzbarmachung der Erfindung bei Luftfahrzeugen Bezug nimmt, ohne hierdurch
etwa anzudeuten, daß die Erfindung auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt sei. Die
Erläuterung der Erfindung bezieht sich auf die Abbildungen: Abb. z zeigt schematisch
im Schnitt eine Anordnung zweier mit Leitdüsen gleicher Richtwirkung ausgerüsteter
und in entgegengesetzter
Relativlage zu ihren Leitdüsen befindlicher
Gefäße; Abb. 2 veranschaulicht eins der Gefäße mit dem ihm zugeordneten Heizfaden
im Grulaj-
| riß ; |
| Abb. 3 ist ein im größeren Maßstab gelr@ |
| tener Teilschnitt durch eins der Gefäße tiA@; |
seiner Düse der Anordnung nach Abb. i, und Abb. :4 stellt das Schaltschema der Heizfäden
einer Anordnung nach Abb. i als Zubehör einer Wheatstoneschen Brücke dar.
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Die ein Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulichende Anordnung
nach der Erfindung enthält zwei Gefäße i i i und 112, deren jedes nur eine dem Luftraum
zugekehrte Öffnung besitzt. Diese Gefäße mögen Flaschenform haben und formbeständig
sein. Im Hals i21 bzw. 122 sitzt je eine Leitdüse 13 mit einem Kanal 14., dem man
im Regelfall einen rechteckigen Querschnitt geben wird. Dieser Kanal 14. verjüngt
sich, wie dies näher aus Abb.3 zu ersehen ist, vom einen Düsenende zum anderen,
so daß die Leitdüse mir eine Richtwirkung .auf einen Luftstrom auszuüben vermag.
Auf der dem geringsten Düsenquerschnitt nächstgelegenen Seite und in einigem Abstand-
von der Stirnfläche der Leitdüse 13 ist ein Heizfaden 151 bzw. 152 angeordnet, der
insbesondere auch aus einer Vielzahl ganz besonders dünner Drähte aus einem stromleitenden
Werkstoff zusammengesetzt sein kann. Nahe dem.Düsenende, das dem Heizfaden zugekehrt
ist, liegt die Stelle 13i geringsten Kanalquerschnitts, -und dieser ist nach dem
erwähnten Ende zu bei 132 ein wenig erweitert, nämlich um so viel, daß innerhalb
der auf dieses Ende folgenden Austrittszone des Düsenstroms die Parallelität der
Strömungslinien nach bekannten Regeln gewährleistet ist. Eine Änderung der Höhe
der Gefäße über dem Meeresspiegel hat infolge der dadurch entstehenden Druckunterschiede
zwischen dem Gefäßinnern und der Außenluft zur Folge, daß je nach dem Vorzeichen
der Änderung Lift entweder vom Außenraum ins Gefäßinnere oder aber umgekehrt vom
Gefäßinnern in den Außenraum strömt. Die Luftmenge, die in der Zeiteinheit durch
die Leitdüse strömt, ist dem Druckunterschied proportional. Nach-der Erfindung wird
nun die Geschwindigkeit der erwähnten Luftströmung dadurch gemessen, daß man diesen
Luftstrom auf einen erhitzten Feindraht wirken läßt und dessen Temperaturänderungen
elektrisch mißt. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die; formbeständigen, Gefäße i i
i und 112 mit einer Wärmeisolation ausgerüstet sind.
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Damit nün eindeutig Sinkgeschwindigkeiten und Steiggeschwindigkeiten
gemessen werden können,. damit man also die beiden Gegenfälle des Einströmens bzw.
Ausströmens von Luft in die Gefäße bzw. aus den Gefäßen von einander getrennt hält,
sind zwei in entgegengesetzter Relativlage zu ihren Leitdüsen gleicher Richtwirkung
befindliche Gefäße einander in der aus Abb. i ersichtlichen Art zti-._geor dnet,
und weiterhin sind die beiden gleichsinnig beeinflußten Feindrahtleiter 151 und
152 in je einen von zwei benachbarten Zweigen einer im Schema der Abb. ¢ angedeuteten
Widerstandsmeßbrücke eingeordnet. Bei dem betrachteten Sonderfall des Messens von
Sink- und Steiggeschwindigkeiten eines Luftfahrzeugs erstreckt sich die Richtwirkung
aller Leitdüsen senkrecht nach, oben.
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Beim Sinken eines mit der betrachteten Anordnung ausgerüsteten Luftfahrzeugs
nimmt der Druck im Außenraum zu, und infolgedessen strömt Luft von außen in die
Gefäße i i i und 112 ein. Die Heizfäden 1 5 1 und 152 werden von dieser Luftströmung
ganz verschieden beeinflußt. Vor der Leitdüse des Gefäßes i i i ist nämlich die
Strömung so-gut wie ungerichtet. Das deuten die ausgezogenen Pfeile in Abb.3 an,
aus der man auch ersehen kann, wie eine praktisch parallele Strömung ohne Einschnürung
erreicht wird. Die einströmende Luft ändert die Temperatur des Heizfadens 151 nur
unerheblich. Dagegen wird die Temperatur des Heizfadens 152, der dem Gefäß i 12
zugeordnet ist, ganz erheblich durch die ins Gefäßinnere strebende Luftströmung
geändert, weil hier ein wohlgerichteter Luftstrom auf den Heizfadere auftrifft.
Hier gelten sinngemäß die gestrichelten Strömungslinien und ihre Pfeile nach Abb.
3. Beim Steigen des mit der Anordnung nach Abb. i ausgerüsteten Luftfahrzeugs liegen
die Verhältnisse umgekehrt: hier wird die Temperatur des Heizfadens 151 beträchtlich,
dagegen die Temperatur des Heizfadens 152 nur unerheblich von der aus dem Gefäßinnern
in den Außenraum strebenden Luftströmung geändert.
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Die Heizfäden i51 und 152 bilden benachbarte Zweige einer Wheatstoneschen
Brücke, wie aus Abb. q. ersichtlich. Die anderen Zweige bestehen aus den Widerständen
16 und 17, und im letztgenannten Widerstand ist zur Feinabgleichung noch ein einstellbarer
Parallelwiderstand 18 zugeordnet. Z-,vischen den Gabelpunkten i9 und 2o der beiden
Arten von Brückenzweigen ist ein Zeigergalvanometer 2.i geschaltet. An den Punkten
22 und 23 liegt die Stromquelle über einen Regelwiderstand 25, der in einfachster
Weis;. eine Einstellung des Heizstroms ermöglicht. Man hat es durch diese Einstellung
in der Hand, auch bei einem vergleichsweise wenig empfindlichen Zeigerinstrument
21 eine große Empfindlichkeit der Einrichtung nach der Erfindung
zu
bewirken, und auf alle Fälle kann man jederzeit die Empfindlichkeit beeinflussen.
Als Batterie genügt meistens ein einfaches Trockenelement. Beim Sinken des mit der
beschriebenen Anordnung ausgerüsteten Luftfahrzeugs bleibt die durch den eingestellten
Heizstrom bestimmte Temperatur des Fadens 151 praktisch konstant, aber die Temperatur
des Heizfadens 152 erniedrigt sich. Während der Widerstand des zwischen den Punkten
1g und 22 gelegenen Zweigs der Brücke praktisch ungeändert bleibt, nimmt der Widerstand
des zwischen den Punkten 1g und o-3 gelegenen Brückenzweigs ab, und das hat zur
Folge, daß das Zeigerinstrument 2i nach der einen Seite ausschlägt. Steigt das Fahrzeug,
dann kehren sich, wie dargelegt, die Verhältnisse um, und das Zeigerinstrument 21
wird jetzt nach der entgegengesetzten Seite ausschlagen.
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Trotzdem, die Druclcänderutigsgeschwindigkeit, die beispielsweise
bei einer Vertikalgeschwindigkeit von einem Sekundenmeter auftritt, sehr gering
ist, in der Nähe des Erdbodens etwa die Größenordnung 0,03 bis o,a4 mm Ouecksilbersäule
je Sekunde hat, ist es doch möglich, mit einem nicht sehr empfindlichen Galvanometer
genügend große Ausschläge zu erzielen. Vor allem gelingt dies bei der Verwendung
von Heizfäden aus Eisen. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands solcher Fäden
ist sehr groß, besonders bei einer Ausgangstemperatur von etwa 5oo bis 6o0° C. Man
macht den Querschnitt des Fadens sehr klein; um dessen Wärmekapazität klein zu halten,
und heizt den Faden in der Brücke auf eine Temperatur von mehreren ioo° C.
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Praktische Versuche haben gezeigt, daß die Konvektion der Luft infolge
des erhitzten Drahts eine ziemliche Rolle beim Abkühlungsvorgang zu spielen vermag.
Diese Konvektiorisströme überlagern. sich den Düsenströmen. Deshalb kann es vorteilhaft
sein, beiden Düsen die gleiche Lage des Fadens zur Düse in bezug auf die Schwerkraft
zu geben. Aus diesem Grund ist in Abb. i das Gefäß 112 gleichsam auf dem Kopf gestellt
gezeigt, so daß beide Male die Konvektionsströme in der Richtung der gerichteten
Düsenströme verlaufen.
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Um irgendwelche ungewollten Druck- oder Temperaturwirkungen verläßlich
auszuschalten, empfiehlt es sich, die Gefäße widerstandsfähig gegen Durchbiegung
zu machen und wärmeisoliert einzupacken; man kann z. B. mit Vorteil kräftige thermosflaschenartige
Gefäße verwenden. Auch sind Vorkehrungzn zu treffen, daß abrupte Luftströme, die
etwa von Windstößen usw. herrühren mögen, die Temperatur der Heizfäden nicht ändern
können; man wird also- die Fäden abdecken. Die Leitdiisenkanäle brauchen nur einen
vergleichsweise kleinen Querschnitt zu erhalten.
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Das Verfahren nach der. Erfindung zeichnet sich durch seine Einfachheit
aus, und dementsprechend ist auch jede Einrichtung zum Ausüben dieses Verfahrens
äußerst einfach, bequem zu bedienen und zuverlässig in der Wirkung. Auch bei robuster
Behandlung ist das ungeminderte Aufrechterhalten der zu verlangenden Betriebssicherheit
über lange Zeitspannen verläßlich gewährleistet, und zu den geringen Gestehungskosten
der Einrichtung treten als weiterer Vorteil nur sehr niedrige Wartungskosten.