Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten. Insbesondere soll die wahre Geschwindigkeit von strömenden Gasen oder Flüssigkeiten bestimmt werden. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. ' . '■■■■.The invention relates to a method for measuring flow velocities. In particular, should the true speed of flowing gases or liquids can be determined. The invention also relates to an arrangement for carrying out the method. '. '■■■■.

Es wird ausgegangen von bekannten Anordnungen zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, bei denen ein Propeller schlupffrei im Medium von einem Elektromotor angetrieben wird und eine der Betriebsgrößen des Motors zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird. Dabei wird die Drehzahl des Propellers mit Hilfe des Elektromotors so eingestellt, daß der Schlupf des Propellers in der Strömung für jede zu messende Strömungsgeschwindigkeit Null ist. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit ν der Umfangsgeschwindigkeit u z. B. eines Flügelradblattes für jedes ν streng proportional; denn im Falle Schlupf s = O gilt ν =' u · tg cc, wenn α ζ. Β.It is based on known arrangements for measuring flow velocities, in which a propeller is driven by an electric motor without slipping in the medium and one of the operating variables of the motor is measured to determine the flow velocity. The speed of the propeller is set with the help of the electric motor so that the slip of the propeller in the flow is zero for each flow velocity to be measured. As a result, the flow speed ν of the peripheral speed u z. B. an impeller blade for each ν strictly proportional; because in the case of slip s = O, ν = ' u · tg cc, if α ζ. Β.

den Anstellwinkel des Flügelradblattes bedeutet.means the angle of attack of the impeller blade.

Mit Hilfe dieses bekannten Meßprinzips kann manWith the help of this well-known measuring principle one can

die Geschwindigkeit einer Strömung unabhängig von den physikalischen Größen, Druck (Dichte) und Temperatur messen. Diese Unabhängigkeit der Meßgröße von zusätzlichen Parametern ist von besonderer Bedeutung für die Geschwindigkeitsmessung von Luftfahrzeugen, aber auch für die Bestimmung der Geschwindigkeit von in Röhren strömenden Medien, insbesondere von Gasen zeitlich veränderlicher Dichte oder/und Temperatur. Nach diesem Prinzip arbeitet z. B. der Strömungsmesser von G. Frenze! (deutsche Patentschrift 477 072).the speed of a flow independent of the physical quantities, pressure (density) and Measure temperature. This independence of the measured variable from additional parameters is of particular importance Significance for the speed measurement of aircraft, but also for the determination of the Velocity of media flowing in tubes, especially gases with a density that changes over time or / and temperature. According to this principle z. B. the flow meter from G. Frenze! (German patent specification 477 072).

Die auf dieser Grundlage arbeitenden Meßanordnungen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf: Auf den Propeller wirkt erfahrungsgemäß eine zur Strömungsrichtung senkrechte Querkraft, die das pendelartig aufgehängte Meßsystem seitlich auslenkt.However, the measuring arrangements working on this basis have a number of disadvantages: Experience has shown that a transverse force perpendicular to the direction of flow acts on the propeller pendulum-like suspended measuring system deflects laterally.

Ferner kann durch Resonanzerscheinungen das Pendelsystem in unerwünschte Schwingungen geraten. Die exakte Messung des Zustandes der Schlupffreiheit ist nicht möglich, weil zur Überwindung der Haftreibungskräfte in der Pendelaufhängung und der Wellen- kupplung eine zusätzliche Schubkraft und damit eine überhöhte Drehgeschwindigkeit erforderlich ist, so daß die Drehgeschwindigkeit im Augenblick des Ausschaltens der Motorspannung größer ist als im Zustand Schlupf gleich Null. Dieser Effekt wird noch verstärkt durch die auf den Propeller wirkende Flüssigkeitsreibung, die einen zusätzlichen Axialschub erzeugt. Furthermore, the pendulum system can vibrate undesirably due to resonance phenomena. the exact measurement of the state of the slip resistance is not possible because to overcome the static friction forces in the pendulum suspension and the shaft coupling an additional thrust and thus an excessive rotational speed is required, so that the speed of rotation at the moment the motor voltage is switched off is greater than in State of slip equals zero. This effect is intensified by the fluid friction acting on the propeller, which generates an additional axial thrust.

Es ist auch eine Anordnung bekanntgeworden (USA.-Patent 2 493 931), die es gestattet, Strömungsgeschwindigkeifeirim Zustand der Schlupffreiheit zu messen. Diese Anordnung weist ebenfalls wesentliche Mängel auf: Das mit dem Propeller rotierende Differenzdruck-Meßsystem und die zur pneumatischen Steuerung erforderlichen Bohrungen und Kanäle im Propellerblatt sind nicht nur technisch schwer zu verwirklichen, sondern auch störanfällig, z. B. durch Verschmutzung und Verstopfung infolge der unvermeidbaren Beimengungen von Fremdstoffen in der Strömung. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die an den beiden Blattseiten auftretenden Druckdifferenzen sehr klein sind, so daß das Regelsystem für den Motor infolge der Steifigkeit der Druckmeßmembrane und der Reibung des Kontaktstiftes erst bei erheblichen Geschwindigkeitsänderungen anspricht.An arrangement has also become known (U.S. Patent 2,493,931) which allows flow velocities to be measured Measure the state of the slip resistance. This arrangement also has essential Deficiencies: The differential pressure measuring system rotating with the propeller and the one for the pneumatic one Control required bores and channels in the propeller blade are not only technically difficult to realize, but also prone to failure, z. B. from pollution and clogging due to the inevitable Admixtures of foreign substances in the flow. Another disadvantage is that that the pressure differences occurring on the two sides of the sheet are very small, so that the control system for the motor due to the stiffness of the pressure measuring membrane and the friction of the contact pin responding to significant changes in speed.

Die Steuerung des Motors durch Schließen oder Öffnen eines Kontaktes führt während des Schaltvorganges auf instationäre Zustände, die eine erhebliche Unsicherheit in der Meßwerterfassung bedingen.The control of the motor by closing or opening a contact leads during the switching process to unsteady states, which cause considerable uncertainty in the acquisition of measured values.

Der Zustand der Schlupffreiheit kann mit den bisher bekannten Meßanordnungen exakt nicht bestimmt werden, sondern nur mit einer positiven oder negativen endlichen Abweichung.The state of freedom from slippage can be compared to the previous known measuring arrangements are not exactly determined, but only with a positive or negative finite deviation.

Es wurde außerdem ein Rotationsströmungsmesser mit Haftreibungskompensation mittels eines an die Propellerwelle angekuppelten elektrischen Motors, durch den der Propeller auf einer von Null verschiedenen Rotationsgeschwindigkeit gehalten wird, vorgeschlagen (deutsche Patentschrift 1 241 650), bei dem die elektrischen Größen des Motors ein differentielles Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellen. Das Ziel dieser Anordnung ist, im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung, die Messung sehr kleiner Strömungsgeschwindigkeiten durch Beseitigung der Haftreibung bei beliebiger Größe des Schlupfes. Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist nicht die Messung sehr kleiner Geschwindigkeiten, sondern die Messung der Strömungsgeschwindigkeit im Zustand Schlupf gleich Null, so daß sich eine parameterfreie Proportionalität zwischen Rotationsgeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit ergibt.A rotary flow meter with static friction compensation by means of a to the Propeller shaft coupled electric motor, through which the propeller on a non-zero Rotation speed is maintained, proposed (German Patent 1 241 650), in which the electrical parameters of the motor represent a differential measure for the flow velocity. In contrast to the present invention, the aim of this arrangement is to make the measurement very small Flow velocities by eliminating static friction with any size of slip. the The purpose of the present invention is not to measure very low speeds, but to measure Measurement of the flow velocity in the state slip equal to zero, so that a parameter-free Proportionality between the speed of rotation and the speed of flow results.

Ausgehend von einem Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, bei dem ein Propeller schlupffrei im Medium von einem Elektromotor angetrieben wird und eine der Betriebsgrößen des Motors zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird, besteht die Erfindung darin, daß von den elektrischen Betriebsgrößen des Motors eine so verändert wird, daß die anderen Betriebsgrößen Werte annehmen, die einer Rotation des Propellers im Vakuum bzw. einer Rotation des Motors ohne Propeller entsprechen.Based on a method for measuring flow velocities in which a propeller is driven by an electric motor with no slip in the medium and is one of the operating variables of the Motor is measured to determine the flow rate, the invention consists in that one of the electrical operating variables of the motor is changed in such a way that the other operating variables Assume values that a rotation of the propeller in a vacuum or a rotation of the motor without Propeller match.

Als elektrische Betriebsgrößen des Motors sind Klemmenspannung U, Strom /, Widerstand und Leistung zu verstehen. Da leicht meßbar und veränderbar, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt mit Klemmenspannung U und Strom / gearbeitet. Terminal voltage U, current /, resistance and power are to be understood as electrical operating variables of the motor. Since it is easy to measure and change, the method according to the invention preferably works with terminal voltage U and current /.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß ein Meßinstrument vorgesehen ist, das über einen Umschalter entweder die Klemmenspannung oder den Motorstrom zu messen gestattet und das je eine Skala für die Klemmenspannung, den Motorstrom und die Strömungsgeschwindigkeit besitzt.One arrangement for carrying out the method according to the invention is that a measuring instrument is provided that either the terminal voltage or the motor current via a changeover switch to measure and one scale each for the terminal voltage, the motor current and the flow velocity owns.

Der Grundgedanke der Erfindung ist also der, daß auf einen in einer Strömung rotierenden Propeller im Zustand der Schlupffreiheit weder von der Strömung auf den Propeller noch umgekehrt eine Kraft ausgeübt wird, er also kräftefrei rotiert. Dieser Zustand kann allerdings wegen der unvermeidlichen Energieverluste durch Reibung nur erzielt werden durch einen zusätzlichen Antrieb des Propellers durch einen Elektromotor.The basic idea of the invention is therefore that on a propeller rotating in a current in the state of no slip, neither from the current on the propeller nor vice versa is exercised, so it rotates without force. This condition can, however, because of the inevitable energy losses can only be achieved by friction by an additional drive of the propeller by a Electric motor.

Ein Elektromotor, dessen angeschlossener Propeller im Vakuum rotiert, hat bezüglich seiner Betriebsgrößen, z. B. der Drehzahl ν des Propellers und der Klemmenspannung U, eine bestimmte Charakteristik, wie in A b b. 1 als Beispiel durch die strichpunktierte Kurve gezeigt ist. Diese Kurve ist ersichtlich identisch mit der Charakteristik des Motors, wenn dessen Welle ohne Propeller rotiert. Diesem Zustand äquivalent ist, weil auf den Propeller keinerlei Kräfte wirken, der Zustand der Schlupffreiheit, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Somit ist also die Vakuumcharakteristik identisch mit der Charakteristik im Zustand Schlupf s = 0.An electric motor, whose attached propeller rotates in a vacuum, has with regard to its operating parameters, e.g. B. the speed ν of the propeller and the terminal voltage U, a certain characteristic, as in A b b. 1 is shown as an example by the dash-dotted curve. This curve is clearly identical to the characteristics of the motor when its shaft rotates without a propeller. Equivalent to this state, because no forces are acting on the propeller, the state of freedom from slippage, regardless of the flow velocity. The vacuum characteristic is therefore identical to the characteristic in the slip state s = 0.

Für jede Strömungsgeschwindigkeit ν > 0 gibt es genau eine Charakteristik des Motors mit Propeller, die von der Vakuumcharakteristik verschieden sein muß und die einen und nur einen Punkt mit dieser gemeinsam hat. In diesem Schnittpunkt der beiden Charakteristiken ist der Schlupf s = 0, d. h., die Strömungsgeschwindigkeit ν ist gleich der »Schraubengeschwindigkeit« des Propellers, in Zeichen:For every flow velocity ν> 0 there is exactly one characteristic of the motor with propeller, which must be different from the vacuum characteristic and which has one and only one point in common with it. At this point of intersection of the two characteristics, the slip is s = 0, that is, the flow velocity ν is equal to the "screw velocity" of the propeller, in symbols:

ν = 2 π ν ■ R ■ tg κ ν = 2 π ν ■ R ■ tg κ

wobei ν die Drehzahl des Propellers, R sein wirksamer Radius und oc der Anstellwinkel des Blattes gegen die Strömungsrichtung bedeutet. Mißt man also die Drehzahl ν im Zustand j = 0, so ist die Strömungsgeschwindigkeit ν dieser streng proportional; der Proportionalitätsfaktor enthält lediglich zwei durch die Konstruktion festgelegte Konstanten. Wenn also bei einer beliebigen Strömungsgeschwindigkeit ν daswhere ν is the speed of the propeller, R is its effective radius and oc is the angle of attack of the blade against the direction of flow. If one measures the speed ν in the state j = 0, then the flow velocity ν is strictly proportional to this; the proportionality factor contains only two constants determined by the construction. So if at any flow velocity ν that

ao Wertepaar (v, U) auf der Vakuumcharakteristik liegt, so befindet sich der Propeller im Zustand der Schlupffreiheit. ao value pair (v, U) lies on the vacuum characteristic, the propeller is in the state of no slip.

A b b. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Der Elektromotor M wird durch die Stromquelle B über den Regelwiderstand P angetrieben und die Spannung U an den Motorklemmen mit einem Instrument gemessen. Auf der Welle des Motors befindet sich der Rotationskörper R, z. B. ein Propeller. Die Welle treibt außerdem einen Drehzahlgeber G an. Ein angeschlossenes Instrument zeigt die Drehzahl ν an. Bei einer beliebigen Strömungsgeschwindikeit ν und einer beliebig eingestellten Spannung U am Motor wird der Propeller mit einer Drehzahl ν rotieren, der im allgemeinen ein Schlupf s> 0 zugeordnet ist (vgl. hierzu Abb. 1), was dadurch zum Ausdruck kommt, daß das an den Anzeigeinstrumenten abgelesene Wertepaar (v, U) nicht auf der Vakuumcharakteristik 5 = 0 liegt. Durch Änderung der Spannung U mit Hilfe des Regelwiderstandes P kann jedoch ein entsprechendes Wertepaar der Vakuumcharakteristik eingestellt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit ν ist mit der so angezeigten Drehzahl ν aus Gleichung (1) zu entnehmen. A b b. 2 shows an embodiment. The electric motor M is driven by the power source B via the variable resistor P and the voltage U at the motor terminals is measured with an instrument. On the shaft of the motor is the rotating body R, z. B. a propeller. The shaft also drives a speed sensor G. A connected instrument shows the speed ν . With an arbitrary flow velocity ν and an arbitrarily set voltage U on the motor, the propeller will rotate at a speed ν , which is generally assigned a slip s> 0 (see Fig. 1), which is expressed by the fact that this is on The pair of values (v, U) read on the display instruments is not on the vacuum characteristic 5 = 0. By changing the voltage U with the aid of the variable resistor P , however, a corresponding value pair of the vacuum characteristic can be set. The flow velocity ν can be taken from equation (1) with the speed ν indicated in this way.

Eine Fortbildung der Anordnung zeigt Abb. 3.A further development of the arrangement is shown in Fig. 3.

Der Frequenzgeber kann entfallen, wenn neben der Spannung U auch der Motorstrom / gemessen wird und sowohl die (/, C/)-Charakteristik als auch die (v, [^-Charakteristik des Vakuums bekannt ist. In diesem Falle kann entweder der Strom / oder die Spannung U als Maß für die Drehzahl ν und damit auch für die Strömungsgeschwindigkeit ν gemäß Gleichung (1) genommen werden. Es wird ferner erfindungsgemäß vorgeschlagen, die beiden Meßinstrumente für Strom und Spannung aus A b b. 3 zu einem Doppelinstrument mit gemeinsamer geometrischer Drehachse ihrer Zeiger zu vereinen. Der Innenwiderstand der Instrumente ist so zu wählen, daß jedem Wertepaar (/, U) der (/, t/)-Charakteristik des Vakuums der gleiche Zeigerausschlag an beiden Instrumenten entspricht, wobei eine der Skalen in Einheiten der Strömungsgeschwindigkeit ν geeicht sein kann. Zur Erzielung des Zustandes der Schlupffreiheit bei vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit ist die Spannung so einzuregeln, daß die Instrumentenzeiger »in Deckung« liegen, genau dann kann die Strömungsgeschwindigkeit abgelesen werden.The frequency generator can be omitted if the motor current / is measured in addition to the voltage U and both the (/, C /) characteristic and the (v, [^ characteristic of the vacuum are known. In this case either the current / or the voltage U can be taken as a measure for the speed ν and thus also for the flow velocity ν according to equation (1). It is also proposed according to the invention that the two measuring instruments for current and voltage from A b b The internal resistance of the instruments is to be chosen so that each pair of values (/, U) of the (/, t /) - characteristic of the vacuum corresponds to the same pointer deflection on both instruments, with one of the scales in units of the flow velocity ν can be calibrated. then the flow velocity can be read off.

Gemäß A b b. 4 wird in Weiterbildung der Erfindung der Motor M₁ zum Vergleich des Strömungs-According to A b b. 4, in a further development of the invention, the motor M _{1 is used} to compare the flow

5 65 6

zustandes am Propeller mit der Vakuumcharakteristik wendung als Geschwindigkeitsmesser für Luftfahr-state on the propeller with the vacuum characteristic turning as a speedometer for aviation

in eine elektrische Widerstands-Meßbrücke geschaltet. zeuge von Bedeutung ist.connected to an electrical resistance measuring bridge. witness is significant.

In den entsprechenden Zweig der Meßbrücke ist als Das verwendete elektrische Prinzip zur Messung des Vergleichswiderstand ein zweiter Motor M₂ mit glei- Schlupfes hat den Vorteil einer hohen Empfindlichkeit eher Vakuumcharakteristik wie M₁ geschaltet. Wäh- 5 gegenüber kleinen Änderungen der Strömungsgerend der Propeller R des Motors M₁ in der zu messen- schwindigkeit im Gegensatz zu den bisher bekanntden Strömung rotiert, rotiert der Propeller des Mo- gewordenen Meßanordnungen, die erst bei endlichen tors M₂ im Vakuum, oder die Motorwelle rotiert Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit anspreohne Propeller. Die Brückenwiderstände .R₁ und R₂ chen können. Infolgedessen werden bei automatischer sind einander gleich. Der Zustand der Schlupffreiheit io Regelung wegen des Fortfalls von Ein- bzw. Ausist bei dieser Anordnung ersichtlich gekennzeichnet schaltvorgängen, wie sie bei schon bekannten Geräten durch den Zeigerausschlag Null am Brückeninstrument auftreten, instationäre Zustände vermieden.
A. Dieser wird mittels Spannungsänderung am Regel- Bekanntlich hat eine Meßanordnung für Strömungswiderstand P erzielt. Dann kann die Strömungs- geschwindigkeiten nach dem Prinzip der Schlupfgeschwindigkeit ν an einem Instrument abgelesen 15 freiheit den Vorteil, daß eine Eichung für die Ströwerden, welches vorher über die (V, E/)-Beziehung und mungsgeschwindigkeit entfällt. Sie läßt sich einfach vermöge Gleichung (1) geeicht wurde. nach Gleichung (1) berechnen. Es entfällt auch dieThe electrical principle used to measure the reference resistance is connected to the corresponding branch of the measuring bridge as a second motor M ₂ with equal slip has the advantage of high sensitivity, rather vacuum characteristics like M ₁ . While the propeller R of the motor M ₁ rotates with respect to small changes in the flow trend in the speed to be measured, in contrast to the previously known flow, the propeller of the motor rotates measuring arrangements that are only available at finite tor M ₂ in a vacuum, or the motor shaft rotates in response to changes in flow velocity without propellers. The bridge resistors .R ₁ and R ₂ can be. As a result, the automatic are equal to each other. The state of freedom from slippage due to the elimination of on and off is clearly marked with this arrangement switching processes, as they occur in known devices due to the pointer deflection zero on the bridge instrument, transient states are avoided.
A. This is achieved by means of a voltage change on the control unit, as is known, a measuring arrangement for flow resistance P has been achieved. The flow velocities can then be read on an instrument according to the principle of the slip velocity ν, the advantage that there is no need for a calibration for the flow, which was previously carried out using the (V, E /) relationship and flow velocity. It can be easily calibrated using equation (1). Calculate according to equation (1). It is also omitted

Für zeitlich veränderliche Strömungsgeschwindig- Abhängigkeit der StrömungsgeschwindigkeitsanzeigeFor time-variable flow rate dependence of the flow rate display

keiten wird gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken von den thermodynamischen Zustandsgrößen DichteAccording to a further idea of the invention, the thermodynamic state variables density

vorgeschlagen, mittels Brückenstrom über eine an sich 20 und Temperatur. Letzteres ist besonders wichtig fürproposed by means of bridge current over a per se 20 and temperature. The latter is especially important for

bekannte Regeleinrichtung deie Brückenspeisespan- die Messung der Geschwindigkeit von Luftfahrzeugen,well-known control device deie bridge feeder - the measurement of the speed of aircraft,

nung so einzustellen, daß der Brückenstrom dauernd weil bei den bisher gebräuchlichen Verfahren wegenAdjustment in such a way that the bridge current is constant because of the methods used up to now

gleich Null, d. h. daß auch der Schlupf gleich Null ist. der erheblichen Schwankungen der genannten Para-equal to zero, i.e. H. that the slip is also zero. the considerable fluctuations in the parameters mentioned

Der erfindungsgemäße Rotationsströmungsmesser meter beim Flugbetrieb umständliche Auswerteverzeichnet sich durch folgende Vorteile aus: 25 fahren für die Bestimmung der FluggeschwindigkeitThe rotary flow meter according to the invention records cumbersome evaluations during flight operations have the following advantages: 25 drive to determine the airspeed

Die Erzielung und Ermittlung der Schlupffreiheit notwendig sind (Pitotrohr).Achieving and determining the freedom from slippage are necessary (pitot tube).

des Rotationskörpers auf elektrisch einfachem Wege, Die Erfindung hat gegenüber den üblichen Rota-of the rotating body in an electrically simple way, The invention has compared to the usual Rota-

nämlich über einen Regelwiderstand und einen ge- tionsströmungsmessern den weiteren und nicht wenigernamely via a rheostat and a flow meter the further and no less

bräuchlichen Strom- und Spannungsmesser. Dabei bedeutenden Vorteil, daß gewisse »Apparatekonstan-common ammeter and voltmeter. A significant advantage here is that certain »apparatus constants

entfallen die bei schon bekannten Meßanordnungen 30 ten«, wie z. B. die Reibungskoeffizienten, welche imdispensed with the already known measuring arrangements 30 th «, such. B. the coefficient of friction, which in

verwendeten mechanischen und hydromechanischen allgemeinen Funktionen sowohl der Temperatur alsused mechanical and hydromechanical general functions of both temperature and

Meßeinrichtungen. Das erfindungsgemäße Gerät zeich- auch der Zeit (Verschleiß) sind, in die erfindungsgemäßeMeasuring devices. The device according to the invention also draws the time (wear) into the according to the invention

net sich wegen seines einfachen Aufbaus durch geringe Messung nicht eingehen. Das Gerät ist damit weit-net due to its simple structure due to small measurements. The device is thus far

Störanfälligkeit aus, was besonders bei seiner Ver- gehend wartungsfrei und Nacheichungen entfallen.Susceptibility to failure, which is maintenance-free and no recalibrations are necessary, especially if it passes.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings