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Die Erfindung betrifft einen Fühler zum Messen des Anströmwinkels von Luft, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Fühler ist aus der US-PS 36 65 760 bekannt.
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Derartige Fühler zum Messen des Anströmwinkels von Luft finden in der Fahrzeugtechnik vor allem bei Flugkörpern Anwendung, wobei es besonders darauf ankommt, daß die Form des Flügels sowohl bei Unterschall- als auch bei Überschallgeschwindigkeit ein möglichst aerodynamisches Profil und ein hohes Verhältnis von dem Moment zur Trägheit aufweist, um eine hohe Meßgenauigkeit und eine hohe Ansprechempfindlichkeit des Fühlers zu gewährleisten.
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Bei dem Fühler gemäß der US-PS 36 65 760 weist der Flügel einen über seine gesamte Länge im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt auf, so daß die den vorderen Anströmbereich und den hinteren Abströmbereich bildenden Flächen über die gesamte Länge des Flügels parallel zueinander verlaufen. Diese Form des Flügels besitzt nur ein geringes Verhältnis von Drehmoment zu Trägheit, wodurch die Ansprechempfindlichkeit des Fühlers gegenüber Änderungen des Anströmwinkels von Luft gering ist. Auch weist diese Flügelform einen beträchtlichen Strömungswiderstand auf. Eine hohe Trägheit und ein hoher Strömungswiderstand des Flügels wirken aber negativ auf das Schwingungsverhalten des Flügels während der Einstellung einer neuen Gleichgewichtslage bei Änderungen des Anströmwinkels, wodurch die Meßgenauigkeit reduziert ist.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, einen Fühler zum Messen des Anströmwinkels von Luft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszugestalten, daß die Meßgenauigkeit und die Ansprechempfindlichkeit bei einfachem Aufbau erhöht sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Fühler zum Messen der Luftströmung verwendet einen nach hinten fliehenden bzw. pfeilflügelartigen Flügel, der ein hohes Drehmoment im Verhältnis zu dem Trägheitsmoment des Flügels aufweist, was durch die Anbringung und Form des Flügels erreicht ist. Der Flügel ist auf einer Welle angeordnet und flieht nach hinten sowohl an seiner Vorderkante als auch an seiner Hinterkante bezogen auf die normale zu messende Strömungsrichtung. Die Kanten des Flügels konvergieren in der von der Befestigung abweisenden Richtung. Der Flügelarm treibt eine Welle an, die geeignete Lagemeßwertgeber, wie Potentiometer und Drehfeldgeräte, betätigt, um einen Meßwert bzw. eine Anzeige zu liefern, die für die Bewegung des Flügels repräsentativ ist. Der Flügel ist strömungsmittelgedämpft und elektrisch beheizt. Der Strömungsmitteldämpfer ist in einem axial relativ kurzen bzw. flachen Gehäuse angeordnet, so daß die Fühleranordnung außerordentlich kompakt ist.
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Der Flügel ist nach hinten fliehend bzw. pfeilflügelartig ausgebildet, um bei Überschall- und Unterschallgeschwindigkeiten ein einwandfreies Arbeiten ohne zu starkes Flattern und mit einem minimalen Luftwiderstand sicherzustellen. Bei Versuchen im Windtunnel mit einem erfindungsgemäß aufgebauten flügelförmigen Fühler konnte das Verhältnis von Drehmoment zu Trägheit um einen Faktor von 2 und mehr gegenüber dem bei einem rechtwinkligen Flügel oder einem pfeilflügelartigen Flügel mit nicht konvergierenden Kanten verbessert werden.
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Die Welle des Flügels ist mittels geeigneter Lager in einem Gehäuse angeordnet und trägt an dem gegenüberliegenden freien Ende ein Gegengewicht. Ein an der Welle befestigter Arm trägt eine elektrische Abgriffseinrichtung. Die Bewegung des Flügels ist zwischen zwei Anschlägen begrenzt, um ein Überdrehen zu verhindern. Die Einheit ist mittels eines tassenförmigen Elements von hohem Ausdehnungskoeffizienten strömungsmittelgedämpft, das aus Kunststoff besteht und in einer Gehäuseausnehmung bewegbar ist. Die Ausnehmung weist eine bestimmte Ölmenge auf, und das tassenförmige Kunststoffelement hoher Dehnbarkeit dehnt sich aus und vermindert damit den Spalt zwischen sich und dem Gehäuse, um die Abnahme der Ölviskosität zu kompensieren, wenn die Temperatur ansteigt. Da die Dämpfung auf die Geschwindigkeit anspricht, weist der Flügel ein relativ gleichmäßiges dynamisches Verhalten über einen weiten Bereich von Luftgeschwindigkeiten auf.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, das anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert wird. Es zeigt
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Fig. 1 eine Draufsicht auf den Flügel des Fühlers, der an der Seite eines Flugzeugs angebracht ist,
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Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie 2-2 in Fig. 1,
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Fig. 3 eine Ansicht der Anordnung gemäß Fig. 2 von unten bzw. hinten,
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Fig. 4 eine Vorderansicht des Flügels des Fühlers gemäß Fig. 1 und
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Fig. 5 eine Stirnansicht des Flügels gemäß Fig. 4, betrachtet in Richtung der Pfeile 5-5 in Fig. 4.
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In Fig. 1 ist der Fühler unter Verwendung eines Flügels allgemein mit 10 bezeichnet und weist eine Montageplatte 11 auf, die an dem Gehäuse eines Flugzeugs oder anderen Objekts 12 befestigt ist. Die Montageplatte 11 ist mittels geeigneter Schrauben derart befestigt, daß, falls erforderlich, ein fluchtender Übergang gewährleistet ist. Ein Fühlerflügel ist allgemein mit 13 bezeichnet, auf einer Welle befestigt und treibt diese an. Der Flügel 13 weist eine Anschlußscheibe 14 an seinem unteren Ende auf, die an einem Kopf 15 einer mit dem Kopf versehenen Welle 16 befestigt ist, die die Hauptantriebswelle der Einheit bildet. Der Kopf 15 und die Welle 16 sind aus Fig. 2 ersichtlich. Der Flügel 13 ist mittels geeigneter Schrauben an dem Kopf 15 befestigt.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, umfaßt der Flügel 13 einen Drehmomente erzeugenden Arm 17, der sich, bezogen auf die normale relative Richtung der Luftströmung, die durch einen Pfeil 18 veranschaulicht ist, nach hinten erstreckt. Der Drehmomente erzeugende Arm 17 ist derart ausgebildet, daß ein Hauptteil 20 des Flügels 13 hinter einer Schwenkachse 21 der Welle 16 liegt.
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Der Flügel 13 hat eine nach hinten fliehende, vordere Führungskante 22 und eine nach hinten fliehende Rückkante 23. Die Vorderkante 22 ist relativ scharfkantig ausgebildet, und der Flügel ist ziemlich dünn. Die Oberfläche der Hinterkante 23 ist eben oder bildet eine Fläche, die in obere und untere Seitenflächen 25 und 26 des Flügels übergeht. Die Flügelflächen 25 und 26 laufen ausgehend von der Welle zusammen, so daß der Flügel 13 an seinem äußeren freien Ende dünner ist und eine äußere Kante 22 A bildet, die schmaler ist als der Querschnitt im Bereich einer Linie 22 B, an der der Flügel in den Drehmomente erzeugenden Arm 17übergeht. Die Vorder- und Rückkante 22 und 23 des Flügels 20 konvergieren ebenfalls ausgehend von der Befestigungswelle 16. Die außenliegende Kante 22 A ist kürzer als die Linie 22 B. Der Winkel der Kante 22 ist größer als der Winkel der Kante 23 in bezug auf die Strömungsrichtung und die Achse 21. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Kante 22 unter einem Winkel "R 1" von 35° zu der Achse 21 und die Kante 23 unter einem Winkel "R 2" von 12° angeordnet. Der zwischen den Flächen 25 und 26 liegende Winkel hat vorzugsweise etwa 24°.
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Der Drehmomente erzeugende Arm 17 hat eine gerundete Führungskante 27 und verjüngt sich ebenfalls etwas in Form einer Kurve in Richtung auf eine hintere Fläche 28.
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Die Ausrichtung des Flügels 20 gegenüber dem Drehmomente erzeugenden Arm 17 liefert so ein hohes Drehmoment in bezug auf die Achse 21, das frei von Trägheiten ist und nur einen minimalen Luftwiderstand hat. Der Arm ist zur Anordnung des nach hinten fliehenden Flügels in der Weise ausgebildet, daß sich der Flügel hinter der Achse 21 der Welle 16 befindet. Die Welle 16 ist innerhalb der Montageplatte 11 gelagert. Die Montageplatte 11 ist nur etwa 12,7 mm stark - bezogen auf die axiale Richtung der Welle 16 -, so daß die Einheit extrem kompakt ist.
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Die Welle 16 ist in in geeigneter Weise abgedichteten Lagern 30 und 31 geführt, die in bekannter Weise ausgebildet sind und an ihren freien Enden Dichtungen aufweisen. Zusätzlich ist die Welle 16 mit zwei O-Ringen 32 und 33 versehen, die an gegenüberliegenden Seiten einer Dämpfungsscheibe 34 angeordnet sind. Die Dämpfungsscheibe 34 ist in einer Ausnehmung 35 in der Montageplatte 11 gelagert. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat die Scheibe 34 einen äußeren ringförmigen Flansch 36, der größer ist als die axiale Länge des Hauptteiles der Scheibe 34, und die Ausnehmung 35 ist derart bemessen, daß sie den Flansch 36 aufnehmen kann. Die Scheibe 34 ist aus Kunststoffmaterial gefertigt, das einen hohen thermischen Dehnungskoeffizienten hat, der höher ist als der der Scheibe 11, und ist an der Welle 16 mittels einer geeigneten Stellschraube 38 befestigt, die durch eine von mehreren Öffnungen 39 erreichbar ist, die in der Scheibe 34 vorgesehen sind. Die Ausnehmung 35 weist eine bestimmte Strömungsmittelmenge, wie Öl, auf, und oberhalb des Strömungsmittels ist zu dessen Ausdehnung und Zusammenziehung ein freier Luftraum vorgesehen. Das zur Dämpfung vorgesehene Strömungsmittel verhindert ein übermäßiges Flattern oder ein unerwünschtes Schwingen des Flügels, wodurch die Stabilität des Meßvorganges erhöht wird. Die Scheibe 34 dehnt sich aus, wenn die Arbeitstemperatur zunimmt, und erhält damit eine engere Passung innerhalb der Ausnehmung 35, wodurch die Abnahme der Viskosität des Öls kompensiert wird.
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Die Rückseite der Platte 11 ist ebenfalls durch eine Abdichtungsplatte 41 verschlossen. Ein geeigneter O-Ring 41 A ist zwischen der Platte 41 und der Rückseite der Montageplatte 11 vorgesehen. Das Lager 31 ist in dieser Platte 41 angeordnet, und der hintere O-Ring 33 bildet im Bereich der innenliegenden Oberfläche der Öffnung durch die Platte 41 eine Dichtung.
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Eine Gegengewichtanordnung 42 ist auf dem hinteren Abschnitt der Welle 16 auf der Rückseite der Platte 41 drehfest gelagert und durch eine geeignete Klemmschraube 43 gemäß Fig. 3 in Stellung gehalten. Das Gegengewicht hat einen Hauptmassenabschnitt 44, und ein Arm 45 erstreckt sich diametral gegenüberliegend vom Zentrum der Masse her.
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Der Abschnitt 44 des Gegengewichts und der Arm 45 tragen jeweils einen Schleifarm 46 und 47, die bewegliche Kontakte aufweisen, die mit Schleifarmpotentiometern 48 und 49 in Eingriff stehen. Die Potentiometer 48 und 49 sind verstellbar an der Platte 11 gelagert, um eine anfängliche Justierung der elektrischen Elemente zu ermöglichen. Das Gewicht des Flügels in der Arbeitsstellung der Einheit ist durch die Hauptmasse 44 des Gegengewichts ausgeglichen, und der Arm 45 ist zwischen zwei Schrauben bzw. Anschlägen 50 und 51 angeordnet, die Begrenzungselemente aufweisen und die mit Haltekragen versehen sind, die sich von der Platte 41 nach außen erstrecken, so daß sie die Bewegung des Armes 45 unterbinden und der Flügel so zwischen äußeren Begrenzungen seines Schwenkbereiches festgelegt ist.
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Zusätzlich ist der Flügel 13 mit einem Widerstandheizdraht 55 versehen, der in seiner Lage eingegossen sein kann und der an einem Ende bei 56 an die Masse des Flügels angeschlossen ist. Der Heizdraht 55 ist lediglich durch gestrichelte Linien dargestellt. Das andere Ende des Heizdrahtes 55 ist über einen geeigneten Kontakt an der Welle 16 und dem Flügel 13 an einem Draht 57 angeschlossen, der sich durch eine Öffnung in der Welle 16 erstreckt, und führt dann zu einer außenliegenden Stromquelle, die sich auf der Rückseite der Welle 16 befindet. Falls erwünscht, können zwei Heizdrähte durch die Öffnung in der Welle 16 hindurchgeführt sein. Das nach hinten fliehende Profil des Flügels ist gleichzeitig für eine Enteisung zweckmäßig, da das Abführen von Eis bei Wärmebeaufschlagung wesentlich günstiger ist als bei einem geraden Flügel. Die Drähte für die Potentiometerschleifarme 46 und 47 sind unmittelbar an den Armen befestigt, jedoch gegenüber diesen elektrisch isoliert und laufen dann über geeignete Anschlußsockel 58, die an dem Fühlergehäuse stationär befestigt sind. Diese Anschlußsockel 58 sind an der Hauptplatte 11 befestigt, und nur die kurzen Drähte erstrecken sich von den Anschlußsockeln zu den bewegbaren Teilen der Einheit und sind damit einer geringen Biegung oder entsprechenden Bewegung ausgesetzt, wenn der Flügel in Tätigkeit ist. Die Welle 16 und der Flügel sind durch einen Erdungsdraht 60 an die Masse angeschlossen, der von einer Erdungsschraube an dem Gegengewicht zu einem Anschlußsockel verläuft und dann zurück zu einem Endpunkt an der Platte 41, um eine Erdung zu gewährleisten, ohne daß eine Erdung durch die Lager 30, 31 erfolgt, die die Welle 16 abstützen. Die Welle 16 und der Flügel 13 sind in geeigneter Weise geerdet.
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Die Verwendung des nach hinten fliehenden Flügels am Ende des Drehmomente erzeugenden Armes 17 liefert ein besonders großes Drehmoment gegenüber der Trägheit des Flügels, so daß das Verhältnis von Drehmoment zu Trägheit vergrößert ist. Der Flügel hat eine ausreichende Drehmomentkapazität, um die beiden Potentiometerschleifarme oder andere Abgriffselemente anzutreiben, die über ein Kabel 62 an entfernt angeordnete Anzeigegeräte bekannter Bauart angeschlossen sind. Derartige Anzeigegeräte finden bereits in Verbindung mit anderen Meßeinrichtungen Anwendung. Die Einheit hat eine außerordentlich kurze axiale Ausdehnung und eine kompakte Lagerung. Sie hat außerdem wegen der Form des Flügels ein geringes Gewicht, das ein starkes Drehmoment liefert, ohne hohe Trägheiten. Außerdem ist die Strömungsmittel-Dämpfungsscheibe unmittelbar in die ohnehin flache Montageplatte 11einbezogen, so daß die Strömungsmitteldämpfung ohne Gewichtserhöhung oder wesentliche Vergrößerung des Platzbedarfes der Einheit erreicht ist. Der Reibungswiderstand der Lager und Abgriffselemente ist klein, so daß die Dämpfungskraft aufgrund des Dämpfungsströmungsmittels überwiegt. Auf diese Weise spricht der Flügel schnell an und, da das Drehmoment und die Dämpfung proportional zur Luftgeschwindigkeit sind, hat der Flügel eine dynamische Ansprechcharakteristik, die über weite Luftströmungsgeschwindigkeitsbereiche relativ konstant ist. Die Einheit ist elektrisch beheizt, in geeigneter Weise geerdet und liefert zuverlässige, genaue Werte, die für Änderungen der Luftströmung repräsentativ sind. Derartige Änderungen ergeben sich bezüglich des Angriffswinkels oder des seitlichen Abtriebswinkels gegenüber dem Gerät, wie einem Flugzeug, an dem die Einheit angeordnet ist.