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Die Erfindung betrifft ein Mengendurchflußgerät, bestehend aus einem
Leitungs- oder Rohrabschnitt für den Durchfluß eines Mediums, in dem ein erster,
von dem fließenden Medium um eine koaxial zum Rohrabschnitt liegende Achse in Umdrehungen
versetzter Rotor mit wendelförmigen Durchflußkanälen und ein zweiter koaxial zum
ersten Rotor orientierter und stromabwärts von diesem angebrachter sowie von dem
den ersten Rotor verlassenden Medium in Umdrehung versetzter Rotor, der mit parallel
zu der Achse verlaufenden Durchflußkanälen versehen ist, angeordnet sind.
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Bei einem diese Merkmale aufweisenden bekannten Mengendurchflußgerät
wird ein konstantes Drehmoment erzeugt, um die sich ergebende Winkelgeschwindigkeit
proportional zur Durchflußmenge zu halten. In diesem Gerät wird daher die Winkelgeschwindigkeit
gemessen. Eine Temperaturkompensationsvorrichtung, die an sich an einem solchen
Gerät erforderlich ist, ist bei dem zum Stand der Technik gehörigen Mengendurchflußgerät
nicht vorgesehen. Der hervorstechendste Nachteil des bekannten Mengendurchflußgerätes
besteht aber darin, daß es nicht zusammen mit einem digitalen Elektronenrechner
verwendet werden kann. Das ist andererseits erforderlich, weil ein derartiges Mengendurchflußgerät
in Flugzeugen, Raketen u. dgl. angewendet werden soll.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Mengendurchflußgerät
zu schaffen, das elektrische Signale in einer Form liefert, welche eine leichte
Berechnung der Geschwindigkeit oder des Ausmaßes der Strömung des Mediums in Werten
der das Meßgerät durchströmenden Mengen ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Bremse
zur Aufbringung von der Winkelgeschwindigkeit des ersten Rotors proportionalen Bremskräften
auf diesen Rotor angeordnet ist und je ein den Rotoren zugeordneter Abtaster zur
Erzeugung je eines der Winkelgeschwindigkeit des zugeordneten Rotors proportionalen
elektrischen Signals vorgesehen ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung wird das
Gerät so ausgebildet, daß der erste Rotor schräggestellte Schaufeln aufweist, während
der zweite Rotor mit Schaufeln unendlicher Steigung versehen ist.
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Ferner besteht eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung darin,
daß stromaufwärts vom ersten Rotor ein weiterer, koaxial zum ersten und zweiten
Rotor angeordneter Rotor angebracht ist, dessen Schaufeln eine Schrägstellung entgegengesetzt
der Schrägstellung der Schaufeln des ersten Rotors aufweisen, und daß der erste
und der weitere Rotor durch die Bremsvorrichtung gekoppelt sind.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird der Vorteil erzielt, daß
sich die beiden elektrischen Signale, die den Drehzahlen der beiden Rotoren entsprechen
und der Strömungsgeschwindigkeit proportional sind, einem Digitalrechner eingeben
lassen, der die erforderliche Operation zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
vornimmt. Das erfindungsgemäße Mengendurchflußgerät läßt sich damit an einem Digitalrechner
verwenden, der erheblich besser den praktischen Bedürfnissen als die bisher verwendeten
Analogrechner genügt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von vier Ausführungsbeispielen
veranschaulicht. Es zeigt F i g. 1 einen schematischen axialen Schnitt durch
eine
erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mengendurchflußgerätes, F i g. 2 und
3 ähnliche Ansichten einer zweiten bzw. dritten Ausführungsform, die beide zusätzliche,
strom aufwärts liegende Rotoren mit wendelförmiger Steigung aufweisen, Fig. 4 einen
ins einzelne gehenden Axialschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Mengenflußmeßgerätes, das im wesentlichen demjenigen nach Fig. 1 entspricht, jedoch
eine Anordnung zur automatischen Temperaturkompensation in dem Bremsmittel aufweist.
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In den vier Figuren sind zur Bezeichnung gleicher Teile gleiche Bezugszeichen
verwendet.
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Die erste, in F i g. 1 wiedergegebene Ausführungsform enthält einen
Rohrabschnitt 1, durch den man ein Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit in Richtung
des Pfeiles 2 strömen läßt. Innerhalb des Rohrabschnittes 1 sind zwei Rotoren montiert,
nämlich ein erster Rotor 3 mit Schaufeln 4 mit schräger Steigung und stromabwärts
vom Rotor 3 ein zweiter Rotor 5 mit Schaufeln 6 von unendlicher Steigung. Die Rotoren
3 und 5 sind koaxial zueinander und zur Achse des Rohrabschnittes 1 montiert. Bei
der wiedergegebenen Ausführungsform bestehen die Montagevorrichtungen aus einem
stromlinienförmigen Verkleidungskörper 7 mit Lagern für die frei drehbare Welle
8 des ersten Rotors 3 und einem ähnlichen, stromabwärts liegenden Verkleidungskörper
9, in dem die Welle 10 des Rotors 6 in ähnlicher Weise frei drehbar montiert ist.
Der Körper 7 wird von der Leitung 1 durch Schaufeln 11 getragen, während der stromabwärts
liegende Körper 9 an der Leitung durch ähnliche, radiale Schaufeln 12 montiert ist.
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Der erste Rotor 3 ist innerhalb des Rohrabschnittes 1 so montiert,
daß er durch das in Richtung des Pfeiles 2 strömende Medium in Umlauf versetzt wird,
während der zweite Rotor 5 hydraulisch an den ersten Rotor angekoppelt ist, so daß
er durch das den Rotor 3 verlassende Medium gedreht wird. Beide Rotoren können frei
umlaufen, jedoch sind für den Rotor 3 Bremsvorrichtungen vorgesehen, so daß das
auf diesen Rotor aufgebrachte Drehmoment eine Funktion seiner Winkelgeschwindigkeit
ist. Bei der wiedergegebenen, besonderen Ausführungsform besteht die Bremsvorrichtung
aus einer schematisch bei 13 angedeuteten Wirbelstrombremse.
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Außerhalb des Rohrabschnittes 1 und den Rotoren 3 und 5 zugeordnet,
befinden sich zwei übliche, elektromagnetische Abtastvorrichtungen 14,15, so daß
die Vorrichtung 14 ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Frequenz proportional
der Winkelgeschwindigkeit des Rotors 3 ist, während die Vorrichtung 15 ein elektrisches
Signal erzeugt, dessen Frequenz proportional der Winkelgeschwindigkeit des zweiten
Rotors 5 ist.
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Die Arbeitsweise des Mengenflußmeßgerätes ergibt sich leicht aus
der Betrachtung der folgenden mathematischen Beziehungen. Bedeuten N und N1 die
Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde vom ersten Rotor 3 bzw. zweiten Rotor 5 infolge
der Strömung des Mediums, dann ist das durch die Wirbelstrombremsel3 auf den Rotor
3 ausgeübte Drehmoment durch folgende Beziehung gegeben: Bremsmoment = K wobei K
eine Konstante oder ein Proportionalitätsfaktor ist.
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Unter stetigen Strömungsbedingungen ist das Bremsdrehmoment gleich
dem Drehmoment, das durch den Rotor 3 erzeugt wird. Es läßt sich zeigen, daß das
vom Rotor 3 erzeugte Drehmoment = C V d Ni ist, wobei C eine Konstante, V Flüssigkeitsgeschwindigkeit
oder Geschwindigkeit des Mediums, d Dichte des Mediums ist.
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Daher ist K.N=C V.d.N1 oder N ~ C N1 -- K -. V.d.
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Dies bedeutet, daß die Strömungsgeschwindigkeit proportional dem
Verhältnis der beiden Rotorgeschwindigkeiten ist. Da die Abtastvorrichtungen 14,
15 elektrische Signale erzeugen, deren Frequenzen proportional diesen beiden Winkelgeschwindigkeiten
ist, ergibt sich, daß die von dem Mengenflußmeßgerät abgenommenen Signale in besonders
vorteilhafter Form zur einfachen Berechnung der Geschwindigkeit oder des Ausmaßes
der Strömung des Mediums in Werten der durch die Einrichtung strömenden Menge vorliegen.
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Die zweite, in Fig. 2 wiedergegebene Ausführungsform entspricht im
wesentlichen der nach F i g. 1 mit Ausnahme der Einschaltung eines weiteren Rotors
16 mit schräggestellten Schaufeln 17, deren Steigung entgegengesetzt zur Steigung
der Schaufeln 4 des Rotors 3 ist. Der Rotor 16 ist stromaufwärts von den Rotoren
4, 5 mit Hilfe eines Tragkörpers 18 gelagert, dessen Lager eine freie Axialdrehung
der Rotorwelle 19 ermöglichen. Der Tragkörper 18 ist wie der Tragkörper 7 nach Fig.
1 innerhalb des Rohrabschnittes 1 mit Hilfe von strömungsgerechten Schaufeln 20
gelagert.
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Die Welle 8 des Rotors 3 erstreckt sich in diesem Fall durch eine
Büchse 21, die innerhalb des Rohrabschnittes 1 mit Hilfe von strömungsgerechten
Schaufeln 22 gelagert ist. Das stromaufwärts liegende Ende der Welle 8 bildet einen
Teil einer Wirbelstrombremse 13, welche die Rotoren 3 und 16 kuppelt.
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Unter Verwendung der gleichen Bezeichnungen wie vorher gilt, wenn
die Steigungen der Schaufeln 4 und 17 entgegengesetzt sind: Bremsdrehmoment = K
2 N.
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Dies ausgerechnet auf das Drehmoment, das durch den Rotor 3 erzeugt
wird, ergibt 2K. N= C V d. N1 oder N C =- Y-d.
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Auf diese Weise wird das notwendige besondere Drehmoment K der Wirbelstrombremse
13 im Vergleich zur ersten Ausführungsform um den Faktor 2 reduziert.
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Bei der dritten Ausführungsform eines Mengenflußmessers, wie er in
F i g. 3 wiedergegeben ist, findet ebenfalls ein weiterer, stromaufwärts liegender
Rotor 16 mit Schaufelnl7 von gleicher, aber entgegengesetzter Steigung zu derjenigen
der Schaufein 4 des Rotors 3 Verwendung. In diesem Fall sind die beiden Rotoren
3 und 16 jedoch hydraulisch und über die Bremse 13 wirbelstrommäßig gekup-
pelt.
Das bedeutet, daß keine geradströmigen Schaufeln zwischen diesen beiden Rotoren
vorgesehen sind. Der Rotor 16 ist dabei auf der Welle 8 des Rotors 3 montiert. Wie
bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Welle 8 selbst in Lagern im Tragkörper
7 montiert, der vom Rohrabschnitt 1 durch strömungsgerechte Schaufeln 11 stromaufwärts
von allen drei Rotoren 5, 3 und 16 gelagert ist.
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In diesem Falle gilt unter Verwendung der gleichen Bezeichnungen
und unter Bezeichnung der Steigung des Rotors mit P: N C N1 K wobei c K = A konstant.
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Bei allen Ausführungsformen kann deshalb der Mengenfluß der Flüssigkeit
od. dgl. leicht durch Vergleich der von den Abtastvorrichtungen 14, 15 erzeugten
Signale abgeleitet werden, da diese Signale selbst wieder von den Winkelgeschwindigkeiten
der zugeordneten Rotoren abhängig sind und das Verhältnis zwischen diesen Winkelgeschwindigkeiten
unmittelbar proportional dem Produkt aus Geschwindigkeit und Dichte der Flüssigkeit,
d. h. dem Mengenfluß, ist.
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Eine vierte Ausführungsform ist in F i g. 4 wiedergegeben. Sie entspricht
im allgemeinen der Ausführungsform nach Fig. 1, wobei nur ein erster oder stromaufwärts
liegender Rotor 3 mit Schaufeln 4 mit Schrägsteigung und ein zweiter oder stromabwärts
liegender Rotor 5 mit Schaufeln 6 mit unendlicher Steigung vorgesehen sind. Die
Rotoren 3 und 5 sind koaxial innerhalb des Rohrabschnittes 1 mittels stromlinienförmiger
Tragkörper 7 und 9 gelagert, die durch stromgerechte Schaufeln 11 und 12 im Abstand
von der Leitungswand gehalten werden. Die Tragkörper dienen dabei der vorliegenden
Ausführungsform als Befestigungsvorrichtungen für eine gemeinsame Welle 23 für die
Rotoren 3 und 5. Diese Rotoren können sich frei um die Welle 23 mit Hilfe einzelner
Kugellagerkäfige 24, 25, 26 und 27 drehen.
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Ihre Axiallagen auf der gemeinsamen Welle werden durch Abstandshalterungen
28, 29, 30, 31 und 32 aufrechterhalten. Die Welle selbst wird gegen Drehung durch
eine Sperrschraube 33 gesichert, und die Halterungskörper 7 und 9 werden in gleicher
Weise in ihrer Lage durch Abstandsstücke34 und Ringklammern 35 am einen Ende der
Leitung und einen Abstandhalter 36 und eine Ringklammer 37 am anderen Ende gehalten.
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Der Rotor 3 wird mit Hilfe einer Wirbelstrombremse gebremst. Diese
Wirbelstrombremse besteht aus einem zylindrischen Magnet 38, welcher fest auf der
Welle 23 mit Hilfe eines Magnetträgers 39 und einer Magnetträgersperrschraube 40
befestigt ist.
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Dieser Magnet wird koaxial von einem Bremszylinder41 umgeben, der
einen Teil der Nabe des Rotors 3 darstellt und somit mit dem Rotor 3 umläuft. Der
Bremszylinder besteht aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material, welches
typischerweise Kupfer, eine Nickel-Mangan-Kupferlegierung oder Mancolloy ist. Der
Bremszylinder wird koaxial von einem aus weichem magnetischem Material bestehenden
Mantel 42 umgeben, welcher auf dem stromlinienförmigen Tragkörper 7 montiert ist
und
daher nicht umläuft. Dieser Mantel wirkt als Rückflußbahn für den vom Magneten 38
erzeugten Magnetfluß. Koaxial mit dem Magneten 38, jedoch in Achsrichtung verschoben,
befindet sich eine aus weichem magnetischem Material bestehende Scheibe 43, die
in ihrer Axialstellung relativ zum Magneten 38 mit Hilfe von Bimetallscheibenfedern
44 und Einmetallscheibenfedern 45 begrenzt wird. Die Bimetallscheibenfedern 44 sind
so konstruiert, daß die axiale Länge der Federanordnung eine Funktion der Temperatur
der Vorrichtung ist, so daß bei Zunahme der Temperaturen die axiale Erstreckung
zunimmt und derart die relativen Axialstellungen von Magnet 39 und Magnetscheibe
43 geändert werden. Dies führt wiederum zu einer Anderung des Anteiles des Magnetflusses,
der in den Bremszylinder 41 eindringt, so daß das von der Wirbelstrombremse erzeugte
Drehmoment im wesentlichen unabhängig von der Temperatur aufrechterhalten bleibt.
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Es sind zwei übliche, elektromagnetische Abtastvorrichtungen 14 und
15 vorgesehen. Ihr Aufbau und ihre Anordnung und die Art ihrer Wirkungsweise in
dem Meßgerät sind bereits im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Fig. 1 beschrieben,
Bei jeder Ausführungsform nach den F i g. 1 bis 4 wurde die Bremsvorrichtung als
Wirbelstrombremse beschrieben. LEs lassen sich jedoch auch andere Bremsvorrichtungen
vorsehlagen, wobei der Fachmann sofort erkennt, daß man beispielsweise Flüssigkeitsviskosebremsen
an Stelle der Wirbelstrombremsen verwenden kann. Diese hydraulischen Bremsvorrichtungen
werden zweckmäßig so ausgelegt, daß sie die Zähigkeitseigenschaften der durch das
Meßgerät hindurchgehenden Flüssigkeit ausnutzen.
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Die Abtastvorrichtungen 14 und 15 können beliebig gestaltet sein.
Wesentlich ist nur, daß sie Ausgangssignale erzeugen, die proportional der Winkelgeschwindigkeit
der zugeordneten Rotoren sind. Der Fachmann kennt eine Reihe solcher Einrichtungen.
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Beispielsweise kann jede Abtastvorrichtung nach F i g. 4 einen Permanentmagneten
enthalten, der in Achsrichtung in der Vorrichtung angeordnet ist und von einer Spule
umgeben wird, von der ein Anschluß zum Oberteil der Vorrichtung führt. Die Anwesenheit
der Rotorschaufeln in der Nähe des Magneten ändert den magnetischen Widerstand und
diese Änderung im Magnetfeld des Permanentmagneten beim Durchgang jeder Rotorschaufel
und führt dazu, daß in der Spule ein Wechselstrom entsteht. Die Frequenz dieses
induzierten elektrischen Signals ist proportional der Anzahl der Rotorschaufeln
und der Winkelgeschwindigkeit des Rotors.