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Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Durchflußmessung Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur dynamischen Messung der Durchflußmenge einer
Flüssigkeitsströmung sowie auf einen Apparat zur Durchführung dieses Verfahrens.
Das zu messende durchlaufende Strömungsmittel eines dynamischen Faktors wirkt z.B.
durch seine kinetische Energie oder seine Bewegungsgröße, um das Maß für die gesuchte
Durchflußmenge zu geben.
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Der Grundgedanke, auf welchem im allgemeinen die bekannten dynamischen
Durchflußmesser beruhen, besteht im wesentlichen darin, die Winkelgeschwindigkeit
der Flüssigkeitsmenge von einem Ausgangswert aus auf einen Endwert abzuwandeln und
die bei diesem Vorgang abgegebene Energie zu messen, die der Durchflußmenge proportional
ist.
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Um diesen Gedanken zu verwirklichen, werden zwei Verfahren angewendet,
von denen im gewissen Sinne das eine die Umkehrung des anderen ist. Man geht einerseits
von einer rein axialen Strömung aus, die man durch eine Turbine schickt, um ihr
eine gewisse Gesamtwinkelgeschwindigkeit zu erteilen. Die Messung des Durchflusses
kann dann darin bestehen, daß mittels einer dynamometrischen Feder der Widerstand
gemessen wird, mit welchem die Flüssigkeitsmenge ihrem Antrieb durch die Turbine
entgegenwirkt. Andererseits wird davon ausgegangen, daß der Flüssigkeit eine anfängliche
Winkelgeschwindigkeit mitgeteilt wird, worauf diese Drehung in einer Ausgleichsvorrichtung
abgebremst wird und mittels einer dynamometrischen Feder der Widerstand gemessen
wird, welchen die Flüssigkeit ihrer Verzögerung entgegensetzt. Es sind dynamische
Massen-Durchflußmesser gebaut worden und in Verwendung, die nach den beiden eben
beschriebenen Verfahrensweisen arbeiten, d. h. dynamische Durchflußmesser, die entweder
mit positiver oder mit negativer Beschleunigung arbeiten. Sie sind mit dem Nachteil
behaftet, daß für ihren Betrieb ein Motor und ein erheblicher Energieaufwand erforderlich
sind, um die Flüssigkeitsmenge in Drehung zu versetzen.
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Die vorliegende Erfindung schaltet diesen Nachteil aus. Ihr Hauptzweck
ist die Schaffung eines dynamischen Meßverfahrens für die Durchflußmenge einer strömenden
Flüssigkeit. Dieses Verfahren besteht im wesentlichen daraus, daß einerseits die
dynamische Wirkung gemessen wird, welche auf ein elastisches Hindernis durch die
strömende Flüssigkeit ausgeübt wird, die ohne Zuführung zusätzlicher kinetischer
Energie wirkt, und andererseits die lineare Geschwindigkeit der Flüssigkeit gemessen
wird, wobei aus den beiden Messungen der Quotient gebildet wird.
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Die Erfindung hat ferner die Aufgabe, einen Durchflußmesser zu schaffen,
welcher das vorstehend beschriebene Verfahren verwirklicht und sich insbesondere
durch die folgenden Merkmale, einzeln oder zusammengenommen, auszeichnet: a) Der
Apparat besitzt einerseits ein in der Strömungsbahn angeordnetes Hindernis, welches
von der Strömung in der Weise beeinflußt wird, daß es von dieser entgegen einer
elastischen Rückstellkraft verrückt wird, und andererseits eine Meßvorrichtung für
die Geschwindigkeit der Strömung und schließlich ein Mittel, um aus der genannten
Verrückung und der Geschwindigkeit den Quotienten zu bilden, vorzugsweise nachdem
diese beiden Werte in entsprechende elektrische Größen umgesetzt worden sind. b)
Das unter a) erwähnte bewegliche Hindernis wird von den Schaufeln einer Turbine
gebildet, deren Drehung durch eine Torsionsfeder oder ein gleichwertiges Mittel
beschränkt ist. c) Die Meßvorrichtung für die Strömungsgeschwindigkeit ist eine
frei laufende Turbine, welche in der Strömungsbahn derart angeordnet ist, daß sie
von der Strömung mit einer Winkelgeschwindigkeit angetrieben wird, welche der Strömungsgeschwindigkeit
proportional ist. d) Die unter b) oder c) erwähnte Turbine ist mit schraubenartiger
Beschaufelung versehen. e) Die unter b) oder c) erwähnte Turbine kann in einer abgewandelten
Ausführungsform mit geraden Schaufeln versehen sein, wobei dann eine
feststehende
schraubenartige Beschaufelungsstufe vorgeschaltet ist. f) Die beiden Größen, Verrückung
und Geschwindigkeit, welche durch bekannte Mittel in elektrische Werte umgewandelt
werden, werden zur Bildung des Quotienten einer Rechenvorrichtung zugeführt.
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Es ist zu bemerken, daß sowohl Vorrichtungen, bei denen ein in der
Flüssigkeit angeordnetes Hindernis, welches von der Flüssigkeit entgegen ihrer elastischen
Rückstellkraft aus gelenkt wird, als auch die Maßnahme, die lineare Geschwindigkeit
der Flüssigkeitsströmung mittels eines frei laufenden Propellers, der durch die
Flüssigkeit in einer der linearen Geschwindigkeit proportionalen Winkelgeschwindigkeit
angetrieben wird, an sich bekannt sind.
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In den bekannten Vorrichtungen wird das Meßergebnis ebenfalls in
elektrische Größen umgewandelt. Überdies sind bereits Strömungsmesser bekanntgeworden,
die zwei Meßvorgänge in einer Meßvorrichtung kombinieren, um unabhängig von gewissen
Parametern eine richtige Anzeige des gesuchten Mengenwertes zu erhalten. Demgemäß
wird die Erfindung im Hinblick auf den beschriebenen Apparat in der Kombination
der an sich bekannten Meßvorrichtungen gesehen.
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Im folgenden werden unter Bezug auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben. Es zeigt F i g. I einen Massendurchflußmesser nach der
Erfindung in einem Axialschnitt, F i g. II eine der F i g. I ähnliche Schnittdarstellung
einer abgewandelten Ausführungsform.
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Der in der F i g. I dargestellte Apparat besitzt ein längliches Gehäuse
10, welches mit Endanschlüssen 11 und 12 versehen ist, mittels deren der Apparat
in eine Leitung eingeschaltet werden kann. In diesem Gehäuse sind hintereinander
vier Hauptbestandteile 15, 16, 17 und 18 angeordnet, deren jeder aus zwei ringförmigen
konzentrischen Wänden besteht, die durch radial verlaufende Schaufeln derart verbunden
sind, daß für die Flüssigkeit ein nicht unterbrochener Strömungsweg geschaffen wird.
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Das erste Element 15 ist eine Ausrichtungsvorrichtung. Zwischen ihren
koaxialen Wänden 20, 21 sind gerade Schaufeln 22 befestigt, die dazu dienen, der
durch den Anschluß 11 eintretenden Flüssigkeit eine axial ausgerichtete Strömung
aufzuprägen und Turbulenz zu verhindern.
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Das folgende Element 16 ist eine sich beschränkt drehende Turbine.
Sie besitzt die koaxialen Wände 48,44, zwischen denen die schraubenförmigen Schaufeln
49 befestigt sind. Eine mittlere Querwand 50 ist mit ihrer Nabe auf einer Achse
51 befestigt, welche sich mit einem Ende in einem Lager 24, das in der Mitte einer
Wand 23 der Ausgleichsvorrichtung 15 angeordnet ist, und mit dem anderen Ende in
einem Lager 46 dreht, welches von dem Boden 45 eines schalenförmigen Teiles getragen
wird, der im folgenden noch beschrieben werden wird. Auf der Achse 51 ist eine Buchse
52 befestigt, auf der wiederum das Ende einer Spiralfeder 53 befestigt ist, deren
anderes Ende auf einem Arm 54 festgelegt ist, der von der feststehenden Wand 23
getragen wird.
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An diese Turbine schließt sich das Element 17 an, welches feststeht
und eine zweite Ausrichtvorrichtung sowie ein Gehäuse für einen Elektrogenerator
bildet. Zwischen den koaxialen Wänden 29,28 dieses
Elementes sind gerade Schaufeln
30 angeordnet. Im Inneren ist ein Elektrogenerator 37 irgendeines geeigneten Typs
angeordnet, der in der Lage ist, ein elektrisches Signal abzugeben, welches dem
Winkelabstand zwischen den festen Teilen und den drehenden Teilen des Generators
entspricht, der beispielsweise ein selbstsynchroner Generator sein kann. Auf der
Achse 38 des drehenden Teiles ist eine Buchse39 aufgekeilt, die in die Turbine 16
hineinreicht. Auf dieser Buchse sind die Magnetpole 40 befestigt, welche die zylindrische
Wand 42 der bereits erwähnten Schale umgeben, die aus unmagnetischem Material besteht
und deren Rand am Ende der feststehenden Wand 29 befestigt ist. Die Innenwand 44
der Turbine 16 trägt, den Polen 40 gegenüberliegend, ergänzende Magnetpole 41, die
mit den ersten zusammen einen synchronen Magnetantrieb bilden. Die elektrischen
Verbindungen 68 des Generators 37 werden durch ein Rohr 35 herausgeführt.
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An die Endwand 32 des Elementes 17 anschließend ist das Element 18
angeordnet, welches eine frei drehende Turbine ist. Zwischen ihren koaxialen Wänden
sind die Schaufeln 59 angeordnet, die schraubenförmig wie die der gedrosselten Turbine
16 sind. Die Turbine 18 besitzt eine Mittelwand 60, deren Nabe 61 auf einer Achse
62 befestigt ist, die sich in den Lagern 31, 63 dreht, welche in der Endwand 32
des Elementes 17 bzw. in einer feststehenden Endwand 19 gehalten werden. Die Wand
19 besitzt an ihrem Umfang Öffnungen 64 für die Ableitung der Flüssigkeit.
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Der Apparat arbeitet wie folgt: Die strömende Flüssigkeit, welche
über den Anschluß 11 eintritt, geht durch die Wirkung der Schaufeln 22 des Ausrichters
15 in eine axiale, nicht turbulente Strömung über. Beim Eindringen in die schraubenförmige
Beschaufelung 49 verleiht sie der Turbine 16 ein Moment um ihre Achse. Unter dem
Einfluß dieses Momentes wird die Turbine um einen bestimmten Winkel gedreht, der
sich aus dem Gleichgewicht zwischen diesem Moment und dem entgegenwirkenden Moment
der Feder 53 ergibt. Die magnetische Kupplung 40-41 verdreht den beweglichen Teil
des Generators 37 um einen gleichen Winkel mit Bezug auf den festen Teil des Generators,
der dadurch zum Rechner 72 über die drei Leiter 68 ein Signal, z. B. eine Wechselspannung,
abgibt, welche diese Verdrehung mißt. Die strömende Flüssigkeit wird im weiteren
Verlauf in den Schaufeln 30 erneut ausgerichtet und tritt dann in die schraubenförmige
Beschaufelung 59 ein, wobei sie der Scheibe 60 ein Moment erteilt. Die Scheibe ist
frei drehbar angeordnet und setzt sich daher in Drehung. Dabei induzieren Magnetteile
67, welche an ihrem Umfang befestigt sind, in einem festen Elektromagnetkopf 70
einen elektrischen Impulszug, dessen Frequenz der Winkelgeschwindigkeit der Scheibe
proportional ist.
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Diese Impulse werden durch die Leiter 71 dem Rechner 72 zugeführt.
Dieser erzeugt wiederum durch irgendein bekanntes und geeignetes Mittel ein elektrisches
oder magnetisches Signal, welches dem über die Leiter 68 aufgenommenen Signal proportional
ist, das durch einen Faktor geteilt worden ist, der der Frequenz der über die Leitungen
71 genommenen Impulse proportional ist. Das sich ergebende Signal, welches die Durchflußmenge
mißt, kann auf irgendein schematisch bei 74 dargestelltes Durchflußmengenanzeigegerät
und/oder ein Summierungsgerät
oder Zähler übertragen werden, um
die Gesamtmenge der durchströmenden Flüssigkeit am Ende eines bestimmten Zeitraumes,
falls erwünscht, ablesen zu können.
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Zur besseren Erläuterung der Erfindung sollen die nachfolgenden mathematischen
t Überlegungen dienen, die jedoch nicht als Beschränkung des Erfindungsbereiches
aufgefaßt werden dürfen.
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Die Axialgeschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit am Eingang der
Turbine 16 wird im folgenden V genannt. Nach den Gesetzen der Dynamik ist bekannt,
daß unter der Voraussetzung, daß der Anstellwinkel der schraubenförmigen Beschaufelung
der Turbine 16 auf der Achse genügend gering ist, das von der Flüssigkeitsmenge
auf diese Turbine ausgeübte Moment proportional der Ableitung der Bewegungsgröße
(mV) der in der Beschaufelung zu einem bestimmten Zeitpunkt enthaltenen Flüssigkeitsmenge
m nach der Zeit ist. Da dieses Moment durch das Moment C ausgeglichen wird, welches
von der Feder 53 in der Gleichgewichtsstellung entwickelt wird, wenn die Turbine
16 um den Winkel o; verdreht worden ist, gilt die folgende Gleichung: Ca = d(mV)
, (1) d t Unter der Bedingung, daß die Geschwindigkeit v während einer Durchflußmenge
konstant bleibt, d. h. unter Vermeidung von Ablesungen während einer Anderung der
Strömung, kann diese Gleichung auch wie folgt beschrieben werden: dm Ca= V--; (2)
dt dm dt stellt die Flüssigkeitsmenge dar, welche einen geraden Abschnitt der Turbine
in der Zeiteinheit durchfließt; es ist also die Durchflußmenge Qm. Daher ergibt
sich Qm= , (3) woraus sich entnehmen läßt, daß die gesuchte Durchflußmenge der Quotient
der beiden ausgeführten Messungen ist.
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Die beiden Messungen können in beliebiger Reihenfolge vorgenommen
werden, und die Geschwindigkeitsmessung kann an der Flüssigkeit stromauf von der
Messung der Ableitung der Bewegungsgröße ausgeführt werden. Weiter ist festzustellen,
daß die Beschaufelung der beiden Turbinen geradlinig sein kann, vorausgesetzt jedoch,
daß dann den davorgeschalteten Ausrichteschaufeln eine Schraubenform gegeben wird.
Die Fig. II zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher diese beiden Abwandlungsmöglichkeiten
gleichzeitig beispielsweise dargestellt sind.
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In dem Gehäuse 100 des Apparates ist ein feststehendes erstes Element
101 angeordnet, welches mit schraubenförmigen Ausrichteschaufeln 110 versehen ist.
Daran schließt sich das Rad 102 mit geraden Schaufeln 108 an, wobei das Rad mittels
der Wälzlager 107 auf einer Achse 106 frei drehbar gelagert ist. Die Achse 106 dreht
sich mit ihren beiden Enden in feststehenden Lagern. Auf der Achse 106
ist ferner
ein zweites Turbinenrad 103 mit geraden Schaufeln 109 aufgekeilt, wobei die Drehung
dieser Turbine durch die Spiralfeder 105 elastisch beschränkt ist.
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Die Geschwindigkeitsmessung wird mittels mehrerer auf dem Rand des
Turbinenrades 102 befestigter Magnetelll und mitteels eines Lesekopfesll2 vorgenommen,
welcher in dem Gehäuse befestigt ist und über Leitungen 118 den Rechner 117 speist.
Die Verdrehung der Turbine 103 wird mittels eines Generators festgestellt, der hier
außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und zwei Wicklungen 115, 114 besitzt, deren
gegenseitige Kupplung sich in Abhängigkeit von der Winkellage der gedrosselten Turbine
103 und auf Grund der Magnetkerne 111 ändert, die am Umfang der Turbine befestigt
sind und durch eine dünne unmagnetische Wand des Gehäuses hindurchwirken. Die Primärwicklung
115 wird durch einen einphasigen Wechselstrom erregt, während die Sekundärwicklung
114 vorzugsweise dreiphasig angeordnet ist, wobei die Phasen im Stern oder im Dreieck
geschaltet sind.
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Es ergibt sich, daß durch die Erfindung die Ausführung von Massendurchflußmessern
erheblich vereinfacht und deren Kosten verringert werden, da die Zufuhr zusätzlicher
kinetischer Energie zur Flüssigkeitsströmung, abgesehen von der dieser Strömung
auf Grund ihrer Eigengeschwindigkeit innewohnenden Energie, vermieden wird. Durch
das Fortfallen des Motors werden gleichzeitig zahlreiche Nachteile vermieden, welche
mit dem Vorhandensein dieses Motors in früheren Konstruktionen, beispielsweise auf
dem Gebiet der Abdichtung und der Isolation, verbunden waren. Der verbesserte Apparat
ist daher besonders gut für Einrichtungen geeignet, welche der Messung des Brennstoffverbrauches
in Düsenflugzeugen dienen, wobei die Art des Brennstoffes und die erhöhten Temperaturen
es erforderlich machen, das Innere des Durchflußmessers regelmäßig mit reichlich
Wasser zu waschen.
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Es sind natürlich außer den beschriebenen und dargestellten noch
weitere Anderungen möglich. Beispielsweise könnte bei bestimmten Anwendungen die
Messung der Ableitung der axialen Bewegungsgröße nicht durch ein drehbares Turbinenrad,
welches durch eine Torsionsfeder im Gleichgewicht gehalten wird, vorgenommen werden,
sondern durch ein bewegliches Hindernis, das axial verschoben werden kann, beispielsweise
eine verschiebbare Membran, welcher eine Druckfeder entgegenwirkt. Die Messung der
Strömungsgeschwindigkeit kann ebenfalls auf andere Weise als durch eine sich drehende
Turbine ausgeführt werden, wobei es gleichgültig ist, welches der zahlreichen bekannten
geeigneten Mittel für diesen Zweck benutzt wird.