M » ESSGERAET ZUR BESTIMMUNG DER ^* T- X3ESO.---WINDIGKEΓΓ

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit mit einer beheizten, dem Wind ausgesetzten Sensoreinrichtung, einem mit der Sensoreinrichtung in engem thermischen Kontakt stehenden temperaturabhängigen elektrischen Widerstands¬ messfühler und mit einer mit dem elektrischen Widerstandsmessfühler verbundenen Messeinrichtung-

Aus der US PS 4.279.147 ist ein Windgeschwindigkeitsmessgerät bekannt geworden, welches im Prinzip aus zwei in einer Wheatstonebrücke geschalteten temperaturabhängigen Widerstandsmessfühlern besteht. Diese Widerstandsmessfühler sind dem Wind derart ausgesetz, dass der Kühleffekt der vorbeistreichenden Luft bei jedem der Messfühler unterschiedlich ist, und zwar abhängig von der Windgeschwindigkeit. Bei den Widerstandsrπessfühiern handelt es sich um Hitzfümmessfühler, wobei ein Platinfilm rund um einen zylinderförmigen Träger angeordnet ist, und diesen über seine gesamte Länge umgibt.

Das Prinzip der Messung besteht darin, dass die beiden Widerstandsmessfühler durch ohmsche Wärme soweit aufgeheizt werden, bis die Summe ihrer Widerstände einen bestimmten Wert ergibt. Wenn dieser Zustand erreicht ist, wird mittels der Brückenschaltung der Unterschied der beiden Messwiderstände ausgewertet. Es ist nachteilig bei dieser Art der Messung, dass die Zuordnung des in der oben beschriebenen Weise erhaltenen Messignals zur einer definierten Windgeschwindigkeit über eine rein empirisch ermittelte Eichkurve erfolgt, da hierdurch bei Auftreten von Ablagerungen an der Oberfläche der beiden Messfühler Undefinierte Veränderungen auftreten, welche das Messergebnis verfälschen.

Das in der erwähnten amerikanischen Patentschrift gezeigte Messgerät soll weiter zur Bestimmung der Windrichtung dienen, wobei eine Aussage über diese Richtung ebenfalls durch unterschiedliche Wϊderstandswerte der beiden Messfühler erhalten wird. Hierdurch ergibt sich eine

Zweideutigkeit in der Auswertung, da in gewissen Fällen nicht festgestellt werden kann, ob ein festgestellter Unterschied der Messfühler auf eine bestimmte Windrichtung oder auf eine bestimmte Windgeschwindigkeit hindeutet.

Aus der amerikanischen Patentschrift 4.206.638 ist ein ähnliches Messgerät zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit bekannt, bei welchem die Anordnung der Widerstandsmessfühler gegenüber der vorerwähnten amerikanischen Patentschrift modifiziert ist. Es ist hierdurch möglic - Windgeschwindigkeiten, bzw. Windrichtungen in verschiedenen Ebenen zu messen, wobei die Messmethode die gleiche ist wie in der vorerwähnten US 4.279.147.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Messgerät zur Messung der Windgeschwindigkeit bereitzustellen, welches eine, gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Genauigkeit aufweist, und welches diese Genauigkeit auch bei Betrieb unter erschwerten Umweltbedingungen wie dies beispielsweise in der Umgebung von Meerwasser oder Wüstensand der Fall ist, beibehält.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch eine Messgerät der eingangs genannten Art gelöst, welches ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sensoreinrichtung eine beheizte Masse aufweist welche von der Beheϊzungseinrichtung auf eine im wesentlichen gleichförmig über die gesamte Masse verteilte Temperatur aufheizbar ist und dass diese Temperatur mittels des elektrischen Widerstandsmessfühlers in einer die Temperatur der Masse im wesentlichen unbeeinflussenden Weise messbar ist.

Die Sensoreinrichtung des erfindungsgemässen Mεssgeräts kann aus einem Metalizylinder bestehen, welcher den Vorteil aufweist, dass auf grund der relativ geringen Wärmekapazität des Metalls nur wenig Energie aufgewendet werden muss, um die Sensoreinrichtung auf eine gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Temperatur zu bringen.

Der Widerstandsmessfühler kann aus einem um den Metalizylinder herum

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und in gutem thermischen Kontakt und elektrisch isoliert zu diesem angeordneten Widerstandsfilm bestehen, welcher auf Grund des guten thermischen Kontaktes auf gleicher Temperatur gehalten wird, wie der Metalizylinder selbst. Durch diese Anordnung ist ein ausreichender Wärmeaustausch zwischen dem beheizten Metailzylinder und dem der Messung dienenden Widerstandsfilm gegeben.

Der Widerstandsfilm kann als frequenzbestimmender Widerstand einer elektronischen Zeitgeberschaltung (IC 555) geschaltet sein, wodurch eine sehr exakte Bestimmung des Widerstandes ermöglicht ist.

Die Sensoreinrichtung kann einen zweiten Widerstandsmessfühier mit einer Mehrzahl von gleichmässig um den Metailzylinder herum angeordneten Teilmessfühlern aufweisen, durch welche in einer zum Widerstandsmessfühier analogen Weise Teilsignaie erzeugbar sind, durch welche die Windrichtung bestimmbar ist. Durch eine derartige Anordnung der Teilmessfühler wird erreicht, dass die Aussage über die Windrichtung nicht nur eine Information enthält ob der Wind von links oder von rechts kommt, sondern dass die Richtung exakt bestimmbar ist.

Dem Widerstandsmessfühier und jedem Teilmessfühler kann ein logischer Schaltkreis nachgeschaltet sein, durch welchen ein vom gemessenen elektrischen Widerstand abhängendes digitales Messignal erzeugbar ist. Durch die Digitalisierung der Auswertelektronik, wird ein weitaus höherer Genauigkeitsgrad erreicht, als bei einer analogen Auswertung, und es wird ferner erreicht, dass diese Messwerte über einen längeren Zeitraum hinweg von etwaigen Alterungseinflüssen von elektronischen Bestandteilen unbeeinflusst bleiben.

Die Signale der logischen Schaltkreise können einem Mikroprozessor zugefügt werden, durch dessen Auswerteprogramm ebenfalls eine zeitliche Konstanz der Messgenauigkeit gegeben ist.

Das Ausgangssignal, welches der Windgeschwindigkeit und / oder seiner Richtung entspricht, kann einer Steuereinrichtung für einen, vom Wind abhängigen Steuervorgang zugeführt werden. Beispiele hierfür sind

Korrektionsmodule für Schussbahnberechnungen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit, wobei mittels einer beheizen und gleichtzεitig vom Wind gekühlten Seπsoreinrichtung ein elektrisches Signal erzeugbar ist, welches vom elektrischen Widerstand eines Widerstandsmessfühlers abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung in einer von der Selbsterwärmung des Widεrstandsmessfühiers unabhängigen Weise mittels einer Beheizungseinrichtung beheizt wird und dass die Gleichgewichtstemperatur des Messfühlers zwischen der Erwärmung durch die Beheizungseinrichtung und die Kühlung durch den Wind mittels des elektrischen Widerstandsmessfühlers gemessen wird.

Das erfindungsgemässe Verfahren kann ferner dadurch gekennzeichnet werden, dass mittels mehrerer dem Wind in unterschiedlicher Orientierung ausgesetzten Teilmessfühlern den Orientierungen der Teilmessfühler entsprechende Komponenten der Windgeschwindigkeit messbar und durch logische Verknüpfung der Komponenten die Windgeschwindigkeit berechenbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die Figur 1 den geometrischen Aufbau eines Windgeschwindigkeitsmessgeräts und die Figur 2 eine logische Auswerteschaltung zur Bestimmung des Widerstandes der unterschiedlichen Widerstandsmessfühier bzw. Teilmessfühler zeigt. Die Figur 3 zeigt ein Wind- gεschwindigkeitsmessgerät entsprechend der Figur 1 in perspektifischer Darstellung, und die Figur 4 zeigt ein weiteres Blockschaltbild für die Signalgewinnung.

Mit Bezug auf die Figur 1 ist ein Messgerät zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit dargestellt, welches aus einem im Prinzip zylindrischen, alle (nicht dargestellten) elektronischen Teile enthaltenden Gehäuse 1 besteht, an dessen Oberteil eine Sensoreinrϊchtung 2 angeordnet ist. Die Sensoreiπrichtung 2 besteht aus einem Metailzylinder 3, im dargestellten Fall einem Hohlzylinder, in dessen Wand eine

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Heizspirale 4 eingearbeitet ist. Das Einbringen der Heizspirale 4 in den Metailzylinder 3 kann beispielsweise durch das Ineinanderfügen von zwei Teilzylindern erfolgen, wobei der innere Teilzylinder ein Aussengewinde aufweist, in weiches die Heizspirale eingepasst wird, worauf der Aussen zylinder über den inneren Zylinder geschoben wird. An der Aussenfläche des Metailzylinders 3 ist ringförmig ein System von Widerstandsfilmen angeordnet, welche den Metailzylinder 3 umfangsmässig umschiiessen. Das System vom Widerstandsfilmen weist einen den Metailzylinder 3 um nahezu 360° umschliessenden Widerstandsfilm auf, welcher bis auf einen nicht dargestellten Spalt geschlossen ist. Links und rechts des Spaltes sind Kontaktstellen angebracht um den Widerstandsfilm mit der Auswerteschaltung zu verbinden.

Der zweite Ring von Widerständen besteht aus einer gleich massig um den Metailzylinder 3 herum angeordneten Serie von Einzelwiderständen, mittels welcher Unterschiede in der umfangsmässigen Temperatur¬ verteilung des Metailzylinders gemessen werden können. Aus der in der Figur 3 gezeigten perspektivischen Darstellung des Messgeräts nach Figur 1 ist die Anordnung des Widerstandsfilms 5 sowie der Teilfilme 6 deutlich ersichtlich.

Mit Bezug auf Figur 2 ist ein logischer Zeitgeber Schaltkreis dargestellt, welcher um einen integrierten Schaltkreis mit der internationalen Bezeichnung IC 555 herum aufgebaut ist. Der Zeitgeber Schaltkreis besteht aus einem Transistor Tl dessen Basis über zwei Serienwiderstände Rl und R2 an plus liegt. Der Kollektor des Transistors Tl ist mit dem Pin 7 des IC 555 verbunden, welcher seinerseits über einen temperaturabhängigen Widerstand Rj in Serie mit einem Regelwiderstand RCT ^m ^ ^dem Pi ⁿ & ^des IC 555 verbunden ist. Der Pin 6 ist ferner über einen Kondensator C], mit dεr Masse verbunden. Der IC 555 weist einen Pin 2 auf, welcher dem Start /Rεset dient. Der Pin 1 ist mit Masse verbunden, die Pins 4 und 8 sind mit plus verbunden. Der Pin 3 ist der Signalausgang, welcher über einen Widerstand R3 mit der Basis eines zwεitεn Transistors T2 verbunden ist. Der Emitter dieses Transistors T2 ist mit Masse verbunden, und der Kollektor ist mit einem Punkt Pl

verbunden, der zwischen den Widerständen Rl und R2 liegt. Der Sigπalausgang dεr dargestellten Zeitgeberschaltung, ist durch den Kollektor des Transistors T2 gεgεben. Die Arbeitsweise der beschriebenen Zeitgeberschaltung ist die folgende:

Bei geöffnetem Transistor Tl fliesst ein Ladestrom über die Widerstände R und RCT welche den Kondensator Cl auflädt. Bei erreichen einer gewissen Spannungsquelle am Kondensator Cl welches im Pin 6 des IC 555 angεzεigt wird, kippt der Ausgang 3 des IC 555 um, und der Transistor T2 wird gesperrt. Hierdurch steigt das Kollektorpotential des Transistors auf plus, und die Basis des Transistors 1 wird soweit erhöht, dass der Transistor Tl sperrt. Wenn dies geschieht, so entlädt sich der Kondensator Cl über die Widerstände RcT und Rj in den Pin 7, welcher intern im IC 555 über einen Transistor einen Masseschluss erhält. Wenn der Kondensator Cl bis auf eine untere Grenze entladen ist, so kippt der Ausgang 3 wiεder zurück, und öffnεt dεn Transistor T2. Hierdurch wird das Potential am Punkt Pl wieder gegen Masse gezogen, der Transistor Tl öffnet und der Ladevorgang des Kondensators Cl über die Widerstände Rj und RcT erfolgt; von neuem. Der Kollektor des Transistors T2 zeigt somit einen zeitlichen Verlauf, welcher einer Rechteckoszillatϊon entspricht, derεn Frεquenz von der Grosse des Widerstandes Rj abhängt, und deren Tastverhältnis 1 ist.

In weiterer Folge wird das Oszillationssignal des Kollektors des Transistors T2 in einen nicht dargestellten Mikroprozessor gefüttert, in welchem die Frequenz des eingespεistεn Signals, bzw. dia Impulsε pro Zeiteinheit gezählt werden. Durch Verglelchεn mit einer eingespeicherten Eichkurve kann auf diese Wεise der Widerstand Rj, bzw. die Temperatur des Widerstandes R _j genau bestimmt werden.

In der Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen 7 ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand bezeichnet, welcher temperaturmässig der Umgebungsluft angepasst ist, sodass durch Messung der Tempεratur des Widerstandes 7, welches auf analoge Weise erfolgt wie die Messung der Temperatur der Widerstandsfϊlme 5 und 6, ein Refεrenzsignal εrhalten wird, welches einerseits der Korrektur der Lufttemperatur und

andererseits der direkten Erfassung der Umgebungstemperatur dient.

Da die Kühlwirkung des Windes in bezug auf den Metallzylindεr 3 nicht nur von der Wϊngeschwindigkeit sondεrn auch von der Temperatur der bewegten Luft abhängt, muss für eine genaue Bestimmung der Windgeschwindigkeit die Umgebungstemperatur eliminiert werden. Dies geschieht dadurch, dass die Temperatur welche mittels des Widerstandes 7 gemessen wird von der Temperatur des Widerstandsfilms 5 subtrahiert wird. Hierdurch wird als Messignal die Differenz zwischen Sensortemperatur und Umgebungstemperatur erhalten. Diese Differenz ist eine strenge Funktion der Windgeschwindigkeit.

Ensprechend der Windrichtung ist die Temperatur des Metailzylinders 3 über seinen Umfang nicht gleich, da die Kühlwirkung des Windes auf der Seite des Metailzylinders, weiche dem Wind ausgesetzt ist, grösser ist, als auf der dem Wind abgelegenεn Seite. In den dazwischenliegenden Winkelbereichen fällt die Temperatur zwischen den Extrempunkten nach einer bestimmten Funktion ab. Durch Messung der Temperaturen in den verschiedenen, den Widerstandsfilmen 6 entsprechenden Winkelbereichen des Metailzylinders 3 kann festgestellt werden, in welchem Winkelberεich diε stärkste Kühlwirkung auftritt, und damit die Richtung aus der der Wind kommt, bestimmt werden. Durch Vergleich der Unterschiede zwischen den Messwerten der Wϊderstandsfilme 6 links und rechts von demjenigen Teilwiderstandsfilmεn welche einen maximalen Wert anzeigt, kann durch Interpolation eine Windrichtung ermittelt werden, deren Auftreffpunkt zwischen zwei Teilwiderstandsfilmen 6 liegt. Hierdurch ist eine Bestimmung der Windrichtung ermöglicht, welche eine höhere Genauigkeit zulässt, als die einfache Unterteilung der Raumrichtungen in Einheiten die der Anzahl der Teilwiderstandsfilme entspricht.

Das dargestellte Windmessgerät, bzw. zumindest die Sensoreinrichtung wird durch einen nicht dargestellten Gehäuseteil gegen direkte Sonneneinstrahlung verdeckt, um die Temperatur der Sensoreinrichtung nicht durch Strahlungswärme zu verfälschen.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild dargestellt, welches die Verarbeitung der

Signale aus den einzelnen Messwϊderständen zeigt.

Das schematisch dargestellte Gehäuse 1 des Windmessers trägt die Sensoreinrichtung 2, in der die Heizspule 4 angeordnet ist, die von einer Stromversorgungseinrichtung 10, welche eine Konstantstrαmquelle umf asst, gespeist wird.

Der Widerstand 5, welcher dem Widerstandsfilm 5 der Fig. 1 und 3, bzw. dem Widerstand RT ^der Fϊq. 2 entspricht, ist an einen als Block dargestellten Schaltkreis 11 angeschlossen, welcher in seinem Aufbau der Schaltung der Fig. 2 entspricht. Der Ausgang des ßlocks 11 wird in den Mikroprozessor eingespeist.

Die Teilmessfühler welche den Widerständen 6 und 6' und ferner einer Anzahl gleicher, nicht dargestellter Widerstände entsprechεn, sind ebenfalls mit Blöcken 13 und 14 verbunden, welche die gleiche Schaltung darstellen wie Block 11. Schliesslich ist noch der Widerstand 7, welcher der Messung der Umgebungstemperatur dient, mit einem Block 12 verbunden, welcher ebenfalls der Schaltung von Fig. 2 enspricht.

Die 31öcke 11 bis 14 und εinε Anzahl weiterer nicht dargestellter Blöcke, welche weiteren Teilmessfühlern 6 nachgeschaltεt sind, werden mit dεm Mikroprozessor MP verbunden. Das Programm des Mikroprozessors verknüpft die Eϊngangssignale und erzeugt ein digitalεs Ausgangssignal 15, welches wie bereits beschrieben, beϊspiεlswεisε εinem Anzeigegerät oder einer Steuereinrichtung für eine von der Windgeschwindigkeit abhängige Regelgrösse zugeführt wird.

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