DE2438000A1

DE2438000A1 - Stroemungsmesser der turbinenbauart

Info

Publication number: DE2438000A1
Application number: DE19742438000
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Amemori
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-08-13
Filing date: 1974-08-07
Publication date: 1975-03-13
Also published as: GB1474800A; JPS5039578A; IT1017782B

Description

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TOKICO LTD., Kawasaki-City, Kanagawa-Ken, Japan

Strömungsmesser der Turbinenbauart

Die Erfindung betrifft allgemein Strömungsmesser der Turbinenbauart und insbesondere einen derartigen Strömungsmesser, an dessen Gehäuse eine Abnehmervorrichtung angebracht ist, die aus der Drehung der Turbinenschaufeln unter der Wirkung des durch das Gehäuse strömenden Strömungsmittels ein Ausgangssignal von verhältnismäßig hoher Impulsfrequenz als Maß für die Strömungsmenge ableitet.

Im allgemeinen werden bei einem Turbinen-Strömungsmesser durch die Vorrichtung zur Messung der Strömungsmenge des hindurchtretenden Strömungsmittels mit Hilfe einer Abtastspule einer auf dem Außengehäuse des Messers angebrachten Abnahmevorrichtung Änderungen des diese Vorrichtung durchsetzenden Magnetflusses erfaßt, die im Einklang mit der Drehung der Turbinenschaufeln stehen und so die Strömungsmenge über elektrische Impulssignale gemessen.

Um die Meßgenauigkeit eines Strömungsmessers dieser Art zu verbessern, ist es notwendig, daß die Impulszahl des Ausgangssignals, die je Einheit der Strömungsmenge abgeleitet

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wird, groß ist, das heißt, daß die Frequenz hoch ist.

Bei einem bekannten Turbinen-Strömungsmesser ist zwecks Erfüllung dieser Forderung zur Erhöhung seiner Genauigkeit ein Ring auf den Umfangsrändem mehrerer Turbinenschaufeln angebracht und auf diesem Ring eine große Anzahl von Dauermagneten befestigt. Mit dieser bekannten Anordnung können Ausgangsimpulse in derselben Anzahl wie die der auf dem Ring angebrachten Dauermagnete von einer einzigen Abnahmevorrichtung bei jeder Umdrehung des Schaufelrades oder Rotors der Turbine erfaßt werden, und die Anzahl dieser Ausgangsimpulse je Einheit der Strömungsmenge kann durch Vermehrung der Anzahl der Dauermagneten erhöht werden·

Jedoch ergibt sich bei diesem bekannten Strömungsmesser ein recht schwerer Turbinenrotor, da ein Ring, Dauermagnete und andere Teile an den Turbinenschaufeln fest angebracht sind. Wegen dieses großen Gewichts bzw. dieser großen Masse des Turbinenrotors spricht dieser auf Schwankungen in der Strömungsgeschwindigkeit schlecht an. Außerdem werden durch das hohe Gewicht die Lager der Rotorwelle stark belastet, so daß der Meßfehler erhöht wird und die Lebensdauer des Strömungsmessers beeinträchtigt wird.

Bei einer anderen Form eines bekannten Turbinenströmungsmessers sind zur Verbesserung der Meßgenauigkeit mehrere Abnahmevorrichtungen unabhängig voneinander auf dem Außengehäuse vorgesehen, die unter dem Einfluß der Turbinenschaufeln stehen und deren Drehung erfassen. In diesem Fall ist jedoch den zahlreichen Abnahmevorrichtungen ein Empfänger für die Aufnahme der Ausgangssignale sämtlicher Abnahmevorrichtungen zugeordnet, der den letzteren einzeln entsprechende Eingangskreise in der erforderlichen Anzahl aufweist. Als Folge davon ist der Strömungsmesser verwickelt im Aufbau und kostspielig.

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Ein weiterer bekannter Strömungsmesser besitzt eine Abnehmervorrichtung mit einem Dauermagneten, der am Außenende eines Kerns befestigt ist, den eine Abnahmespule umgibt. Ein Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß der Magnetfluß des Dauermagneten den Kern durchsetzt und ständig an der Seite des Schaufelrotors der Turbine austritt, so daß die Schaufeln zum Kern hin angezogen werden, insbesondere zu Zeiten einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit bzw. -menge, und die Meßgenauigkeit für die Strömungsmenge sinkt.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Strömungsmessers der Turbinenbauart, bei dem die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten und Nachteile behoben sind und der insbesondere die Strömungsmenge mit hoher Genauigkeit bei einfachem Aufbau der Abnehmervorrichtung und ohne Verwendung von Dauermagneten zu ermitteln gestattet.

In diesem Sinne ist Gegenstand der Erfindung ein Turbinenströmungsmesser, der sich nach dem Grundgedanken der Erfindung dadurch auszeichnet, daß in bzw. auf dem Außengehäuse an einer den Schaufeln gegenüberliegenden Stelle ein Spulenkern angeordnet ist, der an seinem den Schaufeln zugekehrten Ende in mehrere Schenkel unterteilt ist und der von einer Spule umgeben ist, die mit einem Schwingungskreis als induktiver Bestandteil desselben verbunden ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen, die sich auf Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen. In den Zeichnungen zeigen:

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Fig. 1 im Längs- bzw. Achschnitt den wesentlichen Aufbau einer ersten Ausführungsform des Turbinen-Strömungsmessers der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 in Verbindung mit einem Blockschema, das eine Ausführungsform einer elektrischen Einrichtung des Strömungsmessers wiedergibt, und

Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des Turbinen-Strömungsmessers der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 und 2 hat die erste Ausführungsform des Strömungsmessers der Turbinenbauart nach der Erfindung ein äußeres Gehäuse 10 von zylindrischer Form, das in eine den Strömungsweg des zu messenden Strömungsmittels bildende Rohrleitung eingefügt werden kann, wobei die beiden offenen Enden des Gehäuses 10 mit der Rohrleitung verbunden werden.

Halterahmen 11a und 11b sind in gegenseitigem Abstand und in der Längsrichtung hintereinander im Inneren des Gehäuses 10 angeordnet und an der inneren Wandfläche desselben befestigt. In ihrem mittleren Teil nehmen die Halterahmen 11a und 11b stabartige Fortsätze von Lagerhaltern 12a und 12b auf, wobei die stabartigen Fortsätze in den Halterahmen eingepaßt und in diesem befestigt sind. Die stabartigen Fortsätze der Lagerhalter 12a und 12b sind an konische oder halbkugelige Teile von größerem Außendurchmesser gleichachsig angeformt, die in gegenseitigem Abstand und in Achsrichtung fluchtend angeordnet sind und in zentralen Öffnungen axial fluchtende Lager 13a und 13b aufnehmen, die fest in die Lagerhalter eingesetzt sind.

In den Lagern 13a und 13b sind Wellenzapfen 16a und 16b drehbar gehalten, die von entgegengesetzten Seiten des Mittelteils der Nabe oder des Rotors 15 der Strömungsmesser-

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turbine abstehen, Der Rotor 15, der so frei drehbar im Gehäuse sitzt, ist mit mehreren, z.B. acht, Turbinenschaufeln 14 versehen, die fest in ihn eingebettet sind. Diese Turbinenschaufeln bestehen aus einem magnetischen Material.

An einer Stelle des Außengehäuses 10 gegenüber den Spitzen der Schaufeln 14 ist das innere Ende, bzw. das untere Ende bei Betrachtung von Figuren 1 und 2, eines Kerns 18 einer Abnehmer- oder Abtastvorrichtung 17 fest eingelassen in die Wandung des Gehäuses 10. Das innere bzw. untere Ende des Kerns 18 ist in drei Schenkel 18a, 18b und 18c-gegabelt, die in Umfangsrichtung des Gehäuses 10 gleiche Abstände und eine solche Gesamtbreite besitzen, daß sie innerhalb des Abstands zwischen benachbarten Turbinenschaufeln, etwa 14a und 14b liegen. Eine einzige Spule 19 ist um die obere Hälfte des Kerns 18 herum radial außerhalb der Schenkel 18a, 18b, 18c vorgesehen.

Die Wicklungsenden 20a und 20b der Spule 19 sind mit einem Schwingungskreis 21 verbunden. Die Spule 19 dient hier als Selbstinduktionsglied eines LC-Resonanzkreises des Schwingungskreises 21. Im Betrieb gibt der Schwingungskreis 21 ständig hochfrequente Schwingungen ab, deren Schwingungsfrequenz durch den Selbstinduktionswert der Spule 19 und den Kapazitätswert eines Kondensators in dem Schwingungskreis 21 bestimmt ist. Ferner ist der Gütefaktor Q des Schwingungskreises 21 ebenfalls durch den Induktivitätswert der Spule 19 .bestimmt.

Mit dem Schwingungskreis 21 sind ein Detektorkreis 22, ein Wechselstromfilter 23, ein Verstärker 24, ein Schmidt'scher Kreis oder Umformerkreis 25 und ein Zählerkreis 26 in Hintereinanderschaltung verbunden.

Der vorstehend beschriebene Strömungsmesser nach der Erfindung arbeitet in der folgenden Weise:

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Wenn ein zu messendes Strömungsmittel durch das Gehäuse des Strömungsmessers strömt, z.B. von links nach rechts in Fig. 1, werden die Turbinenschaufeln 14 und der Rotor 15 entgegen dem Uhrzeigersinn (bei Betrachtung von Fig. 2) in Drehung versetzt mit einer Drehgeschwindigkeit, die der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels proportional ist.

Dabei gerät der die Spule 19 einschließende Schwingungskreis 21 mit einer hohen Frequenz in Schwingung. Da der Rotor 15 sich mit einer Geschwindigkeit dreht, die Her Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Strömungsmittels proportional ist, passieren die einzelnen Schaufeln 14a, 14b ... der Turbine nacheinander die. Stellen, an denen sie den Stirnflächen der Schenkel 18a, 18b, 18c des Kerns 18 gegenüberstehen. Hierbei wird jedesmal, wenn eine der Schaufeln, z.B. die Schaufel 14a, an jedem der Schenkel 18a, 18b, 18c vorbeiläuft, der Induktivitätswert des L-Glieds bzw. der Spule 19 geändert. Infolgedessen ändert sich der Gütefaktor Q des Schwingungskreises 21. Aus diesem Grund wird eine Ausgangsschwingung, die amplitudenmoduliert ist, von dem Schwingungskreis 21 erzeugt, jedesmal wenn die Schaufeln 14 eine Stelle durchlaufen, die den Stirnenden der Schenkel 18a, 18b, 18c des Kerns 18 gegenüberliegt

Diese in der Amplitude modulierte Ausgangsschwingung des Schwingungskreises 21 wird durch den Detektorkreis 22 gleichgerichtet,und die sich ergebenden Ausgangsimpulse werden durch den Wechselstromfilter 23 geleitet, in dem Verstärker 24 verstärkt und dem Schmidt'sehen Kreis 25 zugeführt, wo ,ihre Kurvenform in Impulse von rechteckiger Form konstanter Amplitude umgeformt wird. Die Anzahl dieser Ausgangsimpulse von Rechteckform aus dem Schmidt·sehen Kreis 25, die der Strömungsmenge des zu messenden Strönungsmittels proportional ist, werden dem Zählerkreis 26 zugeführt, wo sie gezählt werden. Somit ergibt sich die Mengenmessung des Strömungsmittels als Ergebnis der Zählung in dem Zählerkreis 26.

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Da das innere Ende des Kerns 18 in die drei Schenkel 18a, 18b, 18c unterteilt ist und außerdem ein Rechteckimpuls als Ausgangssignal des Umformerkreises 25 erzeugt wird, jedesmal wenn eine Schaufel 14 an jeder der Stellen gegenüber den Stirnenden der Schenkel 18a, 18b, 18c des Kerns vorbeiläuft, läßt sich ein Ausgangssignal von einer Frequenz erzielen, die das Dreifache einer Frequenz darstellt, die sich ergibt, wenn das Ende des Kerns eine nicht unterteilte kompakte Form ist. Demzufolge wird die Meßgenauigkeit um das Dreifache gesteigert.

In diesem Sinne ist auch eine Ausführung mit drei einzelnen Kernen, von denen jeder mit einer Spule umwickelt ist, für eine Erhöhung der Genauigkeit in gleicher Weise geeignet. Immerhin erfordert diese Anordnung drei Kerne und drei Spulen, so daß die Gesamtkosten entsprechend hoch liegen und die Montage der Kerne umständlich ist. Im Gegensatz dazu ist bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein einziger Kern und eine einzige Spule ausreichend, wodurch bei einfacher Konstruktion eine hohe Meßgenauigkeit erreicht werden kann. Da ferner die Schenkel 18a, 18b, 18c gemeinsam an einem gemeinsamen Kern ausgebildet sind, sind die Abstände zwischen diesen Schenkeln im Zeitpunkt der Herstellung im voraus festgelegt worden, so daß es sich erübrigt, die Schenkel in ihrer Lage auszurichten.

Die zweite Ausführungsform des Strömungsmessers der Turbinenbauart nach der Erfindung wird nunmehr an Hand von Fig.3 beschrieben, in der mit der Ausführungsform der Fig. 2 gleichwertige Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, wobei.eine genauere Beschreibung dieser Teile nicht wiederholt wird.

Bei dieser zweiten Ausführungsform ist eine Abnehmervorrichtunb 30 mit einem Kern 31 vorgesehen, der an seinem den Schaufeln 1-4 gegenüberstehenden Ende in drei Schenkel 31a, 31b, 31c unterteilt ist. Diese Schenkel sind außerhalb des

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Gehäuses 10 mit Spulen 32a, 32b, 32c umwickelt. Die Spulen sind in Reihe geschaltet, so daß sie zusammen eine Spule bilden. Die Enden 20a und 20b dieser Spule 32 sind mit dem Schvringungskr ei s 21 der Schaltung in Fig. 2 in der für die erste Ausführungsform beschriebenen Weise verbunden. Die Wirkungsweise ist dieselbe wie diejenige der ersten Ausführungsform und wird daher nicht erneut beschrieben.

Da bei dieser zweiten Ausführungsform Spulen 32a, 32b, 32c einzeln um die Schenkel 31a, 31b, 31c des Kerns 30 gewickelt sind, ist es möglich, die Änderung von Q des Schwingungskreises 21 noch stärker wahrzunehmen.

Während in diesem Fall die Spulen 32a, 32b, 32c in Reihe geschaltet sind, können sie stattdessen auch parallel geschaltet werden.

Während ferner die Schenkel 18a, 18b, 18c bzw. 31a, 31b, 31c des Kerns 18 bzw. 31 bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen jeweils zwischen je zwei benachbarten Turbinenschaufeln, z.B. zwischen den Schaufeln 14a und 14b zu liegen kommen, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, und es brauchen nicht alle drei Schenkel den Abstand zwischen benachbarten Schaufeln einzunehmen. Außerdem ist die Anzahl der Schenkel nicht auf drei begrenzt, sondern kann irgendeine geeignete Mehrzahl besitzen.

Schließlich ist die Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr sind mannigfache Änderungen und Abwandlungen ohne erfinderisches Zutun denkbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Patentansprüche

/ Λ J Strömungsmesser der Turbinenbauart, dessen äußeres Gehäuse einen Strömungsweg für den Durchfluß eines zu messenden Strömungsmittels und einen Turbinenrotor enthält, der mehrere in den Strömungsweg hineinragende Turbinenschaufeln aufweist und durch diese mit einer der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels entsprechenden Drehgeschwindigkeit in Drehung versetzt zu werden vermag, dadurch gekennzeichnet, daß in dem äußeren Gehäuse (10) an einer den Schaufeln (14) gegenüberliegenden Stelle ein Spulenkern (18, 31) angeordnet ist, der an seinem den Schaufeln zugewandten Ende in mehrere Schenkel (18a, b, c, 31a, b, c) unterteilt ist und der von einer Spule (19, 32) umgeben ist, die mit einem Schwingungskreis (21) als induktiver Bestandteil desselben verbunden ist.
2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (19) um einen abseits der Schenkel (18a, b, c) befindlichen Teil des Kerns (19) gewickelt ist.
3. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (32) mehrere um je einen Schenkel (31a, b, c) des Kerns (31) gelegte, in Reihe oder parallel geschaltete Wicklungen (32a, b, c) aufweist.
4. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurc,h gekennzeichnet, daß im Anschluß an den Schwingungskreis (21), der beim Vorbeigang einer Turbinenschaufel an einem Kernschenkel infolge Änderung des Gütefaktors ein amplitudenmoduliertes Schwingungssignal abgibt, ein Detektorkreis (22) für die Gleichrichtung dieses Signals vorgesehen ist.

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5. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an den Detektorkreis (22) ein Umformerkreis (Schmidt-Kreis 25) zur Umformung der Kurvenform des Detektor-Ausgangssignals in Impulse von Rechteckform sowie ein Zählerkreis (26) zur Zählung der Rechteckimpulse als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit bzw. -menge des zu messenden Strömungsmittels vorgesehen sind.
6. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18, 31) an seinem inneren Ende in drei Schenkel unterteilt ist.
7. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18, 31) so geformt ist, daß die Schenkel im ganzen in der Umfangsrichtung des Gehäuses innerhalb eines Bereichs liegen, der dem Zwischenraum zwischen den Stirnenden zweier benachbarter Turbinenschaufeln des Rotors entspricht.

Neu/Gu

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