Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strö¬ mungsgeschwindigkeit einer freien Strömung im Raum und eine Vorrichtung, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.

Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung dienen zum einen dazu, als feste Sonde zur Messung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums, das diese Sonde umströmt, einge¬ setzt zu werden, und zum anderen, um _' als bewegte Sonde, z.B. an Flugkörpern, Schiffen, Landfahrzeugen oder dergleichen, bei der Bewegung durch ein Medium, beispielsweise Luft,, zur Messung der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Körper, der die Sonde trägt, und dem Medium zu dienen. Im letzteren Falle dient die Sonde, mit anderen Worten, also zur Messung der Geschwindigkeit eines Flugzeugs, eines Schiffes, eines Landfahrzeugs oder dergleichen. Weiterhin bietet die Messung von Strömungen in Rohrleitungen z.B. im chemischen Bereich viele Anwendungsmöglichkeiten.

Solange es Fahrzeuge gibt, ist es notwendig, die Geschwin¬ digkeit der Fahrzeuge zu messen. Insbesondere bei Flugzeugen ist die Kenntnis der Geschwindigkeit wesentlich. Es gibt aber auch viele andere technische Probleme, bei denen strö¬ mende Medien gemessen werden müssen. Die seit langem bekann¬ ten Meßgeräte waren:

Drucksonden, die zur Messung des statischen Druckes an ir¬ gendeiner Stelle innerhalb einer Strömung dienen und bei¬ spielsweise aus einem vorne abgerundeten Rohr mit seitlich angebrachten kleinen Bohrungen oder einem Ringschlitz be¬ stehen. Die Öffnungen, d.h. die Bohrungen oder der Ring¬ schlitz, müssen außerhalb der von der Sondenspitze beein¬ flußten, beschleunigten Strömung liegen, und die Sonde mißt nur richtig bei genau axialer Anströmung. Dieser geringe Anblaswinkel ist bei dem praktischen Einsatz häufig von Nachteil.

Pitot-Rohre messen den Gesamtdruck in dem Spezialfall, daß dieser gleich dem Staudruck ist, wenn die Strömung in einem Staurohr vollständig abgebremst wird.

Staurohre nach Prandtl sind Kombinationen aus einem Pitot- Rohr mit einer zur Messung des statischen Druckes notwendigen Drucksonde und gestatten die Bestimmung des Staudruckes als Differenz aus dem Gesamtdruck und dem gemessenen statischen Druck, woraus sich weiterhin die Anblasgeschwindigkeit be¬ stimmen läßt. Sie ergibt sich rechnerisch aus der Quadrat¬ wurzel aus der Druckdifferenz (Gesamtdruck minus statischer Druck) , geteilt durch die Dichte des Mediums.

Auch bei den Staurohren nach Prandtl können genaue Messungen nur bei praktisch axialer Anströmung erzielt werden. Ein wesentlicher Grund dafür ist unter anderem, daß die Öffnung bzw. Öffnungen zur Messung des statischen Druckes räumlich relativ weit entfernt sind von der Staudruck-Meßöffnung. Deshalb können nur bei ganz gleichmäßiger Umströmung des Prandtl-Rohres in axialer Richtung exakte Messergebnisse er¬ zielt werden.

Schließlich dienen noch Venturi-Rohre zur Messung von Durch¬ flußgeschwindigkeiten. Ein Venturi-Rohr ist ein mit einer Verengung ausgestattetes Rohr, das axial durchströmt wird. Mit einem Manometer wird der statische Druckunterschied zwischen einer Stelle, an der die Strömung noch weitgehend laminar ist, und an der Verengungsstelle gemessen. Bei rei- bungs- und wirbelfreier Strömung ergibt sich die Durchflu߬ geschwindigkeit in dem laminar durchströmten Teil des Rohres durch Anwendung der Kontinuitätsgleichung und der Bernoulli- schen Gleichung als Quadratwurzel aus der Differenz der statischen Drücke, geteilt durch die Dichte des strömenden Mediums, und einem Geometriefaktor des Venturi-Rohres.

Ausgehend von einem bekannten Venturi-Rohr zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Rohr, sollen ein Verfah¬ ren und eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwin¬ digkeit einer freien Strömung im Raum geschaffen werden, die in einem großen Winkelbereich bezüglich der Strömungsrichtung bzw. der Anblasrichtung einsetzbar sind und in speziellen Ausführungsformen die Strömungsgeschwindigkeit ohne Kenntnis der Dichte des strömenden Mediums zu bestimmen gestatten.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen dieser erfindungsgemäßen Vor¬ richtung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.

Bei dem Verfahren der Erfindung werden die statischen Drücke an zwei in Längsrichtung verschiedenen Stellen eines Strö¬ mungskörpers mit variierender Dicke gemessen und ihre Diffe¬ renz gebildet, oder aber es wird die Differenz dieser sta¬ tischen Drücke direkt gemessen, wobei eine erste Meßstelle an oder nahe der dicksten Stelle des Strömungskörpers liegt und die andere Meßstelle an einer stromaufwärts oder strom¬ abwärts gelegenen dünneren Stelle des Strömungskörpers liegt, und die Geschwindigkeit —

der Strömung ergibt sich dann aus der Quadratwurzel der be¬ stimmten oder der direkt gemessenen Druckdifferenz, geteilt durch die Dichte des strömenden Mediums, und einem Geometrie¬ faktor, der von der Form des Strömungskörpers abhängt.,

Vorzugsweise wird als Strömungskörper ein hohler rotations¬ symmetrischer Meßkopf verwendet, der in seinem Inneren in zwei Kammern unterteilt ist. In der einen Kammer enden die Bohrungen der ersten Meßstelle, während in der anderen Kam¬ mer die Bohrungen der anderen Meßstelle enden, so daß sich in der ersten Kammer der statische Druck entsprechend der ersten Meßstelle, und in der zweiten Kammer der statische Druck entsprechend der zweiten Meßstelle einstellt.

Es hat sich gezeigt, daß die Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit gemäß der Erfindung in einem großen Winkelbereich des Anströmwinkels oder Anblaswinkels einsetz¬ bar ist und gute Meßergebnisse liefert. Solange die Strömung über einen großen Bereich gleichmäßig verläuft, liefert die einfache Meßsonde, bestehend aus einem Meßkopf in Form eines Strömungskörpers, der an zwei umlaufenden Stellen mit Me߬ bohrungen oder einem Ringschlitz versehen ist, gute Meßergeb¬ nisse der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb eines großen Anblas- oder Strömungswinkelbereichs.Wenn die Strömung un¬ gleichmäßiger ist, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Meßkopf mit einem Ring zu umgeben, so daß die Strömung in dem Ringkanal zwischen der Oberfläche des Meßkopfes und der Innen¬ fläche des Ringes erfaßt wird. Ein derartiger Ring egalisiert die Strömung und liefert auch bei ungleichmäßiger Strömung um die Meßsonde herum gut reproduzierbare Werte für die Ge¬ schwindigkeit.

Im letzteren Falle ist der Strömungskanal, durch den die zu messende Strömung hindurchströmt, ein ringförmiger Kanal, der sich (an der dicksten Stelle des Strömungskörpers) ver¬ engt und dann wieder erweitert.

Die Wahl der Form, einschließlich des Durchmessers, des Quer¬ schnitts, des Querschnittverlaufs und der Lage bezüglich des Strömungskörpers, für den Ring richtet sich nach verschiedenen Parametern wie beispielsweise der Form des Strömungskörpers, der Lage der Meßöffnungen oder der Schlitze zur Messung der vorhandenenDrücke, den zu erwartenden Strömungsgeschwindig¬ keiten, Art, Dichte und Gleichmäßigkeit des strömenden Medi¬ ums usw. Der Fachmann wird deshalb im allgemeinen die Form und die Stellung des Ringes experimentell bestimmen.

Fun. wesentlicher Parameter für die Eigenschaften der Me߬ sonde ist beispielsweise der Abstand des Ringes von der Oberfläche des Strömungskörpers. Er dient zum einen zur Konzentrierung und Egalisierung der zu messenden Strömung und zum anderen zur Veränderung des Meßbereiches. Wenn der Abstand zwischen Strömungskörper und Ringinnenfläche verklei¬ nert wird, werden die Stromlinien bei gleicher Vorderöffnung des Ringspaltes an der ersten Meßstelle stark ^' zusammengedrängt, und die Druckdifferenz P- _j ~P ₂ kann bei geeigneter Lage der zweiten Meßstelle dadurch so vergrößert werden, daß kleinere Strömungsgeschwindigkeiten gemessen werden können. Anderer¬ seits führt eine weniger starke Einengung der Strömung, die auf die offene Eintrittsfläche des Ringspaltes auftrifft, zu geringeren Druckdifferenzen Pi-P _o* wodurch die Meßsonde ins¬ gesamt weniger empfindlich wird.

Auch die geometrische Form der vorderen Endfläche des Strö¬ mungskörpers hat eine wesentliche Bedeutung für die Meßbe¬ reiche, in denen die Meßsonde der Erfindung richtig arbeitet. Bei geringeren zu messenden Strömungsgeschwindigkeiten (im Unterschallbereich) wird es zweckmäßig sein, die vordere End¬ fläche im wesentlichen als Kugelkalotte auszubilden.Man erhält dadurch beim Auftreffen der Strömung auf die Sonde die Vortei¬ le, die sich bei der Umströmung einer Kugel ergeben, wie z.B. die geringe Ablösung der Strömung von einer Kugeloberfläche. Hier liegt vermutlich unter anderem auch ein Grund für den hohen erreichbaren Anblas-Meßwinkel der Sonde gemäß der Erfin¬ dung.

Wenn Geschwindigkeiten von Strömungen im übergangsbereich von Unterschall- zu Überschallströmung gemessen werden sollen, erhält die vordere Endfläche der Meßsonde vorzugsweise die Form eines Stromlinienkörpers, wobei eine im wesentlichen elliptische Form mit einem Achsenverhältnis von 1:1,6 darüber hinaus den Vorteil bietet, daß eine Unabhängigkeit von der Reynoldszahl Re erhalten wird.

Im Überschallbereich einer zu messenden Strömung erweist sich ein:, typisches spitzes überschallprofil, wie es an sich in der Strömungslehre bekannt ist, als vorteilhaft für die Form der vorderen Endfläche des Strömungskörpers der Meßsonde gemäß der Erfindung.

Obgleich mit dem beschriebenen Verfahren und der beschrie¬ benen Vorrichtung bereites Strömungsmessungen in Winkelberei¬ chen bis zu - 30° und mehr mit guter Genauigkeit und Repro¬ duzierbarkeit durchgeführt werden konnten, .besteht häufig das Bedürfnis, entweder noch größere Meßbereiche der Strö- mungsriσhtung zu erfassen oder bei stark schwankenden Rich¬ tungen der Anströmung trotzdem die Strömungsgeschwindigkeit genau zu messen. So bietet beispielsweise die Fahrtmessung bei Helikoptern ein großes Problem. Zum einen ist die Bestim¬ mung der Fahrt eine äußerst wichtige Messung bei Helikoptern, während andererseits gerade diese Messung mit einer am Heli¬ kopter starr angebrachten Sonde dadurch erschwert wird, daß der Helikopter Fahrtänderungen durch Schwenken um seine Querachse durchführt, so daß auch die Meßsonde mit ver¬ schwenkt wird. Dabei wird die Sonde häufig so stark ge¬ schwenkt, daß ihre Mittelachse aus dem Meßbereich in bezug auf die Strömungsrichtung herausgeschwenkt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens, das auch bei stark wechselnden Anström¬ richtungen eine genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit gestattet, wird der Strömungskörper über einen Servo-Mecha- nis us so in der Strömung ausgerichtet, daß seine Mittel-

achse in Richtung der Strömung verläuft, indem an mehreren, vorzugsweise in gleichem Abstand von dem vorderen Nasenpunkt des Strömungskörpers liegenden Punkten der vorderen Kuppe der Druck gemessen und aus gegebenenfalls bestehenden Druck¬ differenzen ein Nac führSignal für den Servo-Mechanismus abgeleitet wird.

ZweckmäBlgerweise wird dabei der Druck an vier im gleichen Abstand von dem Nasenpunkt des Strömungskörpers liegenden und: voneinander gleich beabstandeten Punkten gemessen und aus- der Druckdifferenz der sich gegenüberliegenden Meßpunkte jeweils ein Nachführsignal abgeleitet. Besonders zu bevor¬ zugen ist, das Druckdifferenzsignal zum Nullabgleich einer Brückenschaltung auszunutzen, die ihrerseits im nicht abge¬ glichenen Zustand einen Servomotor oder zwei Servomotoren, die den Strömungskörper in senkrecht aufeinander stehenden Ebenen drehen, steuert.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch ergänzt, daß auf der vorderen Kuppe des Strömungskörpers im gleichen Abstand von dem vordersten Nasenpunkt des Strömungskörpers mehrere Bohrungen vorgesehen sind, in denen Meßeinrichtungen zum Messen des Druckes in der jeweiligen Bohrung und/oder zum Messen von Druckdiffe¬ renzen zwischen jeweils zwei Bohrungen vorgesehen sind, die DruckdifferenzSignale abgeben, und daß der Strömungskörper in seinem hinteren Ende um mindestens eine Querachse schwenk¬ bar gelagert und ein Servo-Mechanismus, der vorzugsweise mindestens einen Servomotor umfaßt, vorgesehen ist, dem die gegebenenfalls erzeugten Druckdiffereήzsignale zugeführt werden und der den Strömungskδrper verschwenkt, bis keine Druckdifferenzen mehr vorhanden sind.

Zu bemerken ist, daß statt der Bohrungen mit den Meßeinrich¬ tungen zum Messen des Druckes oder zum Messen von Druckdiffe¬ renzen zwischen zwei Meßpunkten auch Meßeinrichtungen wie beispielsweise Piezo-Kristalle in die Oberfläche des Strö-

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mungskörpers an den Meßpunkten eingelassen sein können. Ein derartiger Aufbau ist jedoch fertigungsmäßig aufwendig, und die Oberfläche des Strömungskörpers kann dadurch Inhomogeni¬ täten erhalten.

Obgleich bereits drei Druckmeßpunkte hinreichende Informa¬ tionen für die Servosteuerung liefern würden, sind vorzugs¬ weise vier Bohrungen im gleichen Abstand zum Nasenpunkt und voneinander auf der Vorderkuppe des Strömungskörpers angeord¬ net,, und die Druckdifferenz der zwei sich jeweils gegenüber¬ liegenden Bohrungen liefert das Steuersignal für einen Servo¬ motor für die Schwenkung des Strömungskörpers um eine erste Querachse, während die Druckdifferenz des anderen Bohrungs¬ paares das Steuersignal für einen zweiten Servomotor zur Schwenkung um eine zweite, zu der ersten rechtwinklige Quer¬ achse liefert. Auf diese Weise kann ein großer Raumwinkel bei der Verschwenkung des Strömungskörpers erfaßt werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Meßbohrungen mit Druckmeßleitungen verbunden, die sich durch das Innere des Strömungskörpers erstrecken. In einer anderen Ausfüh¬ rungsform befindet sich zur Messung der Druckdifferenz zwischen zwei Druckbohrungen in einem Verbindungsstück zwi¬ schen diesen Bohrungen eine Thermistor-Strömungsdiode ("flow-sensor") , die in einer elektrischen Brüσkenschaltung liegt, die ihrerseits über einen Servo-Verstärker mit einem Servomotor zum Verschwenken des Strömungskörpers verbunden ist. Die Druckdifferenz bewirkt an der Thermistor-Strömungs¬ diode solch eine Temperaturdifferenz (da die Temperatur auf der Seite des höheren Druckes niedriger ist) , daß eine abgegli¬ chene Brückenschaltung von der Diode aus dem Gleichgewicht gebracht wird. Solange die Brücke nicht abgeglichen ist, wird über den Servo-Verstärker der Servomotor betätigt, der den Strömungskörper so lange verschwenkt, bis keine Druckdifferenz mehr entstehen kann und die Brücke dementsprechend abgeglichen ist.

In dieser letzten Ausführungsform findet die Bestimmung der Druckdifferenz im Inneren des Strömungskörpers statt und nur elektrische Leitungen müssen aus dem Strömungskörper herausgeführt werden.

Durch diese Nachführeinrichtung gemäß der Erfindung wird also die Meßsende immer in die resultierende Strömungsrichtung gestellt, so daß sie stets in ihrem optimalen Bereich ar¬ beitet. Während des Nachführvorganges treten auch kaum Schwankungen der Messung auf, da der an sich relativ breite Winkelmeßbereich der Sonde die Nachführverzögerung auszu¬ gleichen in der Lage ist.

Ein weiterer Vorteil bei der Erfindung ist die Möglichkeit, über eine mechanisch gekoppelte Winkel-Abfrageeinrichtung den Winkel zwischen Fahrtrichtung und Strömungsrichtung abfragen zu können. Zu diesem Zweck kann ein Potentiometer beim Verschwenken des Strömungskörpers mechanisch gekoppelt verstellt werden und liefert dann den Winkel in bezug auf eine Nullstellung. Auch an sich bekannte andere Winkelko¬ diereinrichtungen kennen den Winkel der Abweichung aus einer Nullstellung (z.B. der Senkrechten zu einer Helikop¬ terwand) abfragen und angeben.

Im folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsformen und Beispiele näher erläutert.

Dabei wird auch auf die beigefügten Zeichnungen bezug ge¬ nommen.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1,2 und 3 schematische Darstellungen von erfindungs¬ gemäßen Vorrichtungen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit einer freien Strömung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,

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Figur 4 ^" eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Figur 5 eine andere Ausführungsfcrm der in Fig. 4 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung mit einem Ring,

Figur 6 noch eine andere Ausführungsform der er¬ findungsgemäßen Vorrichtung, Figur 7 eine weitere Ausführungsform der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung, die ähnlich der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist,

Figur 8 eine Schematische Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung,

Figur 9 eine andere Ausführungsform der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung mit einem Ring und

Figur 10 ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung, mit der das Verfahren zum Aus¬ richten der Vorrichtung in der Strömung durchgeführt werden kann.

Figur 1 " zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit einer freien Strömung im Raum gemäß der Erfindung. Ein Strömungskörper 1 mit einem geringen Strö¬ mungswiderstand in Längsrichtung besitzt, in Strömungsrichtung gesehen, dicht hinter seiner dicksten Stelle an der Stelle A Bohrungen 2, die mit einer ersten Kammer 3 im Inneren des hohlen Rotationskörpers verbunden sind. Der Strömungskörper besitzt weiterhin an einer engen Stelle B Bohrungen 4, die mit einer zweiten Kammer 5 im Inneren des hohlen Rotations¬ körpers verbunden sind. Die erste Kammer 3 ist von der zweiten Kammer 5 durch eine Trennwand 6 getrennt, durch die eine Druckleitung 7 bis an das hintere Ende der Meßsonde geführt ist. Die zweite Kammer 5 ist mit einer Druckleitung 8 ver¬ bunden, die ebenfalls am hinteren Ende der Meßsonde aus dieser herausgeführt ist.

Unter dem Einfluß einer auf den vorderen Teil der Meßsonde auftreffenden Strömung stellt sich in der Kammer 3 über die Bohrungen 2 ein erster statischer Druck p ₁ ein, während sich in der zweiten Kammer 5 durch die Öffnungen 4 der statische Druck p- einstellt. Der Druck p. kann an der Druckleitung 7 und der Druck p ₂ kann an der Druckleitung 8 gemessen werden. Wie später noch gezeigt wird, ergibt sich die Geschwindigkeit v _Q der Strömung in dem laminaren Bereich vor der Meßsonde aus der Beziehung:

wobei G ein Geometriefaktor ist, der von dem Durchmesser des Strömungskörpers an den Stellen, an denen die statischen Drücke gemessen werden, abhängt.

Zur Erläuterung des Prinzips der Messung anhand der Figur 1 werden folgende Annahmen gemacht.

Im Bereich vor der Meßsonde am Punkt "0" sei die Strömung laminar^und besitze die Geschwindigkeit v _Q . Betrachtet man einen Kreiszylinderausschnitt aus der Strömung mit einer Kreisfläche F , der so groß ist, daß sich am Rand des Kreis¬ zylinders die Störung der Strömung durch die Meßsonde nicht mehr auswirkt, d.h. dort wieder die Stromlinien achsparallel verlaufen, so werden die Stromlinien an der ersten Meßstelle, die der Stelle A am Strömungskörper entspricht, stark zusam¬ mengedrängt. Der Strömungskörper besitze an der Stelle A die Querschnittsfläche F _Ä , und für die Strömung verbleibt inner¬ halb des Kreiszylinders die Ringfläche F.. , für die dement¬ sprechend gilt:

^F 1 ^{= F} 0 ^{" F} A"

In analoger Weise gilt in der Höhe der zweiten Meßstelle B:

^F 2. ^{= F} o - ^F B'

In dem der Strömung zur Verfügung stehenden Ringraum um die Sonde herum erhöht sich die Geschwindigkeit an der ersten Meßstelle auf v ₁ und nimmt an der zweiten Meßstelle wieder so weit ab, daß sie v- beträgt. Es gilt:

^v 0 < ^v 2 < ^v 1 '

Gemäß der Kontinuitätsgleichung gilt:

Der statische Druck p ist gleich dem Gesamtdruck pges minus dem Staudruck q, und der Gesamtdruck pges ist an den Stellen

A und B gleich. Die Differenz p_ minus p ₁ der statischen Drücke an den Stellen A und B liefert demnach

P? - Pι ^{s (} Pges ^q ₂ ⁾ - ⁽ Pges - q-i) = q- ^2

^{= (V} 1 ^{2 " V} 2 ² >'

- 13 - Aus der Beziehung v.F.. = ^ ₂ ^F 2 ^{erhält man}

£ .

Pi " P- •,-J V, - D

oder

Unter Verwendung der Beziehungen ^V Q ^{= v} 2 F~

= F _Λ - F,

erhält man unter der Vorraussetzung, daß der Strömungskorper rotationssymmetrisch ist, d.h. seine Querschnitte Kreis¬ flächen sind, durch einfache mathematische Umformungen

oder

In diesen Gleichungen bezeichnet > jeweils die Dichte des strömenden Mediums, das gemessen werden soll bzw. des ruhen ^¬ den Mediums, in dem die Meßsonde bewegt wird.

In den Geometriefaktor G gehen die kreisförmigen Flächen F _A , F„ und F _Q ein, die ähnlich wie bei einem Venturi-Rohr her¬ kömmlicher Art die Verengung im betrachteten Strömungskanal berücksichtigen, über die Fläche F _Q wird berücksichtigt, in welcher Entfernung von der Meßsonde die Strömung wieder ungestört ist.

In der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung ist ein Strömungs¬ körper 1 mit drei ringförmigen Meßstellen A, B und C ver¬ sehen.. l zusätzliche Meßstelle C liegt dabei vor der dick¬ sten Stelle des Strömungskörpers 1 , und entsprechend befindet sich eine zweite Trennwand 6' , die Meßkammern 3' und 5' von¬ einander trennt, vor der dicksten Stelle. Für den in entspre¬ chenden zweiten Bohrungen 4' gemessenen statischen Druck p, an der Meßstelle C gelten in bezug auf den statischen Druck p ₁ an der Meßstelle A die gleichen Betrachtungen, die für die statischen Drücke p- und p.. angestellt wurden. Es gilt dementsprechend

v _n = 2

"» I <∑>1 ^" P ₃ ) (1*)

wobei G' genau wie G in Gleichung (1) ein experimentell bestimmbarer Geometriefaktcr ist, der unter anderem die Kompression des strömenden Mediums entlang des Strömungs¬ körpers entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit be¬ rücksichtigt. Durch Messen der Druckdifferenzen (p ₂ ~p ₁ ), (Po'Pi) ^un< i (Po^P^) können hinreichend viele Parameter erhalten werden, um unter Berücksichtigung der Geometrie¬ faktoren über die Bernσullische Gleichung die Dichte 9 des strömenden Mediums zu berechnen bzw. die Strömungs¬ geschwindigkeit dichteunabhängig zu bestimmen.

Diese Möglichkeiten sind auf vielen Anwendungsgebieten der erfindungsgemäßen Sonde von großem Vorteil, so z.B. in der Flugtechnik, wo dadurch die Höhenkorrektur entfällt.

Figur 3 erläutert das Prinzip der Erfindung für den Fall, daß: ein Ring 21 um den Strömungskörper 1 herum angeordnet ist. Die; Strömung tritt durch eine ringförmige Fläche in den Riτigspalt ein, in dem sich die beiden Meßstellen A und B befinden. In dem dargestellten Beispiel is't der Ring 21 ein Zylindermantel, der über Stützen oder Halterungen 12 mit dem Strömungskörper 1 verbunden ist.

Der Durchströmungsquerschnitt des Ringspaltes verengt sich umso stärker, je dicker sich der Strömungskörper 1 nach außen aufwölbt. Dementsprechend erhöht sich auch die Strömungsge¬ schwindigkeit ., die an der zweiten Meßstelle B wieder auf v ₂ abnimmt. In diesem Fall wird die Strömung im wesentlichen nur in dem dem Ringquerschnitt entsprechenden Bereich ge¬ stört, so daß näherungsweise diese Kreisfläche gleich F _Q ist. Entsprechend sind F. bzw. F ₂ die Kreisringflächen oder Spaltquerschnitte zwischen dem Ring 21 und der Oberfläche des S.trömungskörpers 1 an den Meßstellen A bzw. B.

Das Stromlinienbild zeigt deutlich, daß die Anordnung, die Länge und der Durchmesser des Ringes sowie sein Abstand zum Strömungskörper 1 den Meßbereich der Sonde und die Ab¬ schirmung vonStörungen innerhalb der Strömung beeinflussen.

Zu bemerken ist, daß eine Schrägstellung der Meßsonde gegen die Strömung, d.h. eine Vergrößerung des Anblaswinkels, insbesondere dann keinen Meßfehler bewirkt, wenn die vordere Endfläche des Strömungskörpers 1 eine Kugelkalotte ist.

Die ¹ - zu messende. Strömung trifft auf die Kugelkalotte auf und haftet an der Kugeloberfläche so, daß sie beim Eintritt in den Ringspalt auf einer Seite beschleunigt und auf der an¬ deren Seite verzögert wird, wobei durch die Rundummessung (um den Strömungskörper herum) eine Druckmittelung entsteht, die die bei den Meßwerten für die Geschwindigkeit gefundene star¬ ke Unabhängigkeit vom Anblaswinkel erklärt.

Die in-. Figur.4- da gestellte Meßsonde gemäß der Erfindung be¬ sitzt zwei, umlaufende Ringschlitze 9 und 10, die jeweils druckmäßig mit den entsprechenden Kammern 3 bzw. 5 verbunden sind.Der Ringschlitz 9 befindet sich an der dicksten Stelle des Strömungskörpers 1, und der Ringschlitz 10 befindet sich sehr dicht stromabwärts hinter dem Ringschlitz 9 an einer Stelle, an der sich der Strömungskorper zu verjüngen anfängt. Die statischen Drücke p. _r p ₂ werden über Meßleitungen 7 bzw. 8 aus der Sonde herausgeführt und können mit an sich bekannten Meßeinrichtungen gemessen werden.

In Figur 5 ist eine andere Ausführungsform der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung dargestellt, die einerseits die in Figur 4 dargestellte Meßsonde enthält und außerdem von einem Ring 11 umgeben ist. Der Querschnitt der Ringwand weist ebenfalls eine strömungsmäßig vorteilhafte Form auf. Er ^~ umgibt den Strömungskörper t so, daß er vor dem ersten Ringschlitz 9 den ringförmigen Strömungskanal zwischen Meßkopfoberfläche und Ringinnenfläche verengt, so daß sich die erste Meßstelle an dem engsten Teil des ringförmigen Strömungskanals, befindet. Dort wird die Strömungsgeschwindigkeit am stärksten erhöht und dementsprechend der statische Druck p. , der in der Meßkammer 3 gemessen wird, am stärksten erniedrigt. Der Ring 11 ver¬ läuft weiterhin so, daß der ringförmige Strömungskanal in der Höhe des Ringschlitzes 10 wieder stark verbreitert ist, wo¬ durch der statische Druck p ₂ wesentlich höher als der stati¬ sche Druck p.. ist. Dahinter strömt das zu messende Medium frei und ohne Wirbelbildung aus dem Meßraum aus.

Der Ring 21 ist mit Trägern 12, die die Strömung wenig stören, an dem Meßkopf befestigt. Im VersuchsStadium, wenn optimale Bedingungen für die konstruktiven Parameter des Ringes 21 gefunden werden sollen, können diese Träger 12 auf einer ring¬ förmigen Halterung befestigt sein, die auf der Meßsonde glei¬ tend verschiebbar ist.

Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung, bei der die Druckdifferenz p.. - p_ direkt gemessen wird. Als Meßeinrichtungen können sowohl an sich bekannte mechanische Druckdifferenzmeßeinrichtungen wie beispielsweise Membranen verwendet werden, deren Auslenkung vorzugsweise elektrisch gemessen wird. Ein derartiges Me߬ prinzip eignet sich, wenn hohe Druckdifferenzen zu messen sind.

Bei geringeren Druckdifferenzen p. - p ₂ hat sich eine Durch¬ strömungsmessung als vorteilhaft erwiesen. In einem Verbin¬ dungskanal zwischen der Kammer 3 und der Kammer 5 befindet sich ein elektronisches Bauteil, das auf den durch die Strö¬ mung in dem Verbindungskanal aufgrund des Druckgefälles ent¬ stehenden Kühleffekt anspricht. Zu diesem Zweck können bei¬ spielsweise Thermistoren, Dioden oder Widerstände verwendet werden, die in dem Verbindungskanal angeordnet werden und in elektronischen Schaltungen vermessen werden. Dabei kann ent¬ weder die Abkühlung des wärmeempfindlichen elektronischen Bauteils selbst gemessen werden oder aber es wird eine Kombi¬ nation aus zwei derartigen Bauteilen, z.B. zwei Dioden, in dem Verbindungskanal ausgerichtet angeordnet und in eine Brückenschaltung als Brückenglieder eingebaut. Wenn ein Bau¬ teil kühler als das andere ist, wird die Brücke verstimmt, und die Spannung, der Strom oder die Energie, die zum Brücken- abgleich erforderlich sind, geben ein Maß für die Druckdiffe¬ renz.

In diesem Fall werden in an sich bekannter Weise entweder die elektrischen Verbindungsleitungen abgedichtet durch die Wand

der Meösonde geführt, oder die Stromversorgung erfolgt über Funk, in gleicher Weise werden die Meßdaten über Funk aus¬ gegeben.

Der Vorteil dieser gekapselten Ausführungsform der Meßsonde ist, daß praktisch keine Verschmutzung der Sonde die Messun¬ gen stören kann.

Wenn derartige Sonden in Flugzeugen, Raketen oder anderen Flugkörpern eingebaut werden, kann leicht eine Vereisung an dem Durchströmungskanal und/oder an den Meßbohrungen auf¬ treten. Es ist deshalb zweckmäßig, Heizeinrichtungen vor¬ zusehen, mit denen die Sondenwand ständig auf einer vorge¬ gebenen Temperatur gehalten wird, so daß keine Eisbildung eintreten kann.

Figur 7 zeigt schließlich noch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Aufbau ähnlich wie bei der in Figur 6 dargestellten Meßsonde ist. Die zweite Meßstelle befindet sich in diesem Fall jedoch weiter ent¬ fernt von der ersten Meßstelle an dem hinteren, als Halte¬ teil ausgebildeten Schaft der Meßsonde. Die Strömung, die den ringförmigen Strömungskanal durchströmt hat, ist an der zweiten Meßstelle wieder weitgehend egalisiert, so daß an dieser Meßstelle der herrschende barometrische Druck als statischer Druck abgegriffen werden kann, ähnlich wie bei einer eingangs geschilderten Drucksonde. Bei Flugkörpern wird die Kenntnis dieses barometrischen oder statischen Druckes zur Bestimmung der Höhe benötigt.

Die Meßeinrichtungen umfassen in diesem Fall sowohl eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Druckdifferenz p ₁ " P ₂ als auch eine weitere Meßeinrichtung zur Bestimmung des statischen Druckes p-.

In den Figuren 8 und 9, die den Figuren 1 bzw. 3 entsprechen, weist der Strömungskörper i zwei Bohrungen 11 auf, die in einer Ebene liegen und von dem vordersten Nasenpunkt des Strömungskörpers gleich weit entfernt sind. Die Bohrungen 11, 11 sind mit Druckmeßleitungen 14,15 verbunden, die am hinte¬ ren Teil aus dem Meßkörper herausgeführt sind. Die Druckdif¬ ferenz zwischen den Druckmeßleitungen 14 und 15 kann in an sich bekannter Weise bestimmt werden und zur Steuerung eines Servomotors verwendet werden, der den Strömungskörper (in dem dargestellten Beispiel nach oben oder unten) verschwenkt, bis keine Druckdifferenz mehr gemessen wird. Der Servomotor und die im hinteren Teil, des Strömungskörpers angeordnete Halte- rung mit Lager zum Verschwenken sind an sich bekannte Bau¬ teile, die aus Gründen der Vereinfachung in den Figuren 8 und 9 weggelassen sind.

In gleicher Weise kann der Strömungskörper in einer dazu senkrechten Ebene (im dargestellten Beispiel aus der Papier¬ ebene heraus) verschwenkt werden, um einen Raumwinkel zu erfassen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin¬ dung sind die Bohrungen 11 über ein rohrförmiges Verbin¬ dungsstück im Inneren des Strömungskörpers miteinander ver¬ bunden, in dem sich eine Thermistor-Strömungsdiode, befindet. Durch eine Druckdifferenz in den Bohrungen 11 entsteht an der

Strömungsdiode eine Temperaturdifferenz, die eine elektri¬ sche Brückenschaltung beeinflußt, in der die Thermistor- Strömungsdiode eingebaut ist. Auf diese Weise brauchen nur elektrische Meßleitungen aus dem Strömungskörper herausge¬ führt werden, die Druckmeßleitungen 14,15 enden im Inneren des Strömungskδrpers.

Fig.10 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, das zur Erläute¬ rung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dient.

Irr.Fig.10 ist der Strömungskörper 1 nur schematisch dargestellt, der an seinem hinteren Ende in einem Schwenklager 23 gehaltert ist, das von einem Servomotor angetrieben wird. Dieser Servomotor erhält über einen Servo-Verstärker ein Stellsignal, wenn die Meßbrücke nicht abgeglichen ist. In der Meßbrücke liegt ein direk oder indirekt druckempfindliches Glied, das die Druckdifferenz in den Bohrungen 1,11 abtastet. Im dargestellten Beispiel liegt irr.einer Verbindungsleitung zwischen den Bohrungen 11,11 eine TKermistor-Strömungsdiode 22, deren elektrische Zuleitungen zu der- Meßbrücke geführt sind. Im Falle einer Druckdifferenz weicht das- IST-Signal vom SOLL-Signal, das von einem Impulsgenerator für den Servomotor geliefert wird, ab, und der Servomotor wird über den Servo-Verstärker betätigt, bis die Druckdifferenz wieder null ist.

über ein Potentiometer kann die Positionsjustierung der Ausgangs- oder ReferenzStellung der Sonde vorgenommen werden.

Weiterhin ist in Fig.10 eine Winkel-Abfrage-Einrichtung dar¬ gestellt, mit der abgefragt werden kann, um welchen Winkelbe¬ trag der Strömungskörper 1 gegen die Ausgangs- oder Referenz¬ stellung verschwenkt worden ist. Dazu ist ein Potentiometer mechanisch mit dem Schwenklager 23 gekoppelt und wird bei des¬ sen. Drehung verstellt. Die am Potentiometer abgegriffene Span¬ nung kann direkt als Winkelbetragsignal elektrisch verarbeitet werden.