-
Meßgerät zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten Die Erfindung
bezieht sich auf ein Meßgerät zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten in Form
eines Durchflußmeßgerätes, wobei dessen Gebermechanismus unabhängig voneinander
gegenläufige Turbinenräder beinhaltet.
-
Eine Anzahl von Durchflußmeßgeräten mit rotierenden Turbinenrädern
ist bereits bekannt. Bei diesen Geräten wird das Meßgerät in dem zu messenden Strom
angebracht und es wird die Winkelgeschwindigkeit der durch die Strömung angetriebenen
Turbine gemessen und mit der Durchflußmenge in Beziehung gebracht.
-
Bei den bekannten Durchflußmeßgeräten dieser Art erzeugten stromaufwärtige
Strömungsstörungen eine Nicht-Linearität zwischen Winkelgeschwindigkeit und tatsächlicher
Durchflußmenge. Diese Nicht-Linearität verringerte die Zuverlässigkeit und Nützlichk,t
dieser Meßgeräte oder erforderte zusätzliche elektronische Kompensation, um brauchbare
Genauigkeit und Meßbereiche zu erhalten.
-
Zum Stand der Technik gehören auch verschiedene Konstruktionen, bei
denen ein zusätzliches Turbinenrad oder ein turbinenförmiges Leitrad innerhalb des
Meßgeräts im Strom liegt.
-
Bei einem solchen Meßgerät, beschrieben im US-Patent Nr.
-
3,241,366, wird stromaufwärts vom Merad ein zusätzliches gegenläufiges
Rad oder ein Rotor angebracht. Dieser stromaufwärtige Rotor hat nur die Aufgabe,
die Strömung auf die Schaufeln des Haupt- oder Meßrotors zu lenken. Dieser als "Ausgleichs-Rotor"
bezeichnete stromaufwärtige Rotor benötigt einen Magnet und Nadeln, um auf den Ausgleichsrotor
eine magnetische Bremskraft ausüben zu können, die zur Verbesserung der Anzeigegenauigkeit
des Meßrotors über einen erweiterten Durchfluß-Meßbereich verändert werden kann.
-
in dieser Ausführungsform ist nur der stromabwärtige Rotor ein Meßrotor
und seine Leistungskurven werden im wesentlichen mit denen übereinstimmen, die im
folgenden für einen stromabwärtigen Rotor oder Rad offengelegt und erläutert werden.
-
Der Ausgleichsrotor erweitert einfach den Meßbereich für langsame
Durchflußgeschwindigkeiten. Die Ausführung nach der vorliegenden Erfindung, in der
beide Räder Meßräder sind, liefert dagegen eine einfachere Konstruktion, die mindestens
ebenso zuverlässige Messungen erreicht und weiterhin Mittel zur Selbst-Dioagnose
zum frühzeitigen Entdecken einer Störung.
-
Das US-Patent 3,135,116 beschreibt die Konstruktion einer Doppel-Turbine,
in der beide Rotoren in derselben Richtung laufen, wobei einer nach "Huckepack"-Art
auf der drehenden Wt: 1 le des anderen angebracht ist. Ein Durchflußgleichricher
ist
zwischen die beiden Turbinen zwischengeschaltet, der, im Gegensatz zur vorl.egenden
Erfindung, die beiden Rotoren strömungsdynjiiiisch trennt.
-
Das US-Patent 138,657 beschreibt ein Meßgerät, das eine bohrerförmige
Schraube bestitzt, wobei die stromaufwärtige Schraube fest steht und die vordere
oder stromabwärtige Schraube sich durch den Durchfluß durch das Meßgerät dreht.
-
Das US-Patent 470,814 zeigt eine ähnliche Anordnung mit einem feststehenden
und einem sich drehenden Gerät in Form einer Turbine, bei dem die jeweiligen Schaufeln
der Turbinen mit entgegengesetzter Steigung angebracht sind.
-
Das US-Pater 3,710,622 beschreibt ein Meßgerät mit doppeltem Rotor,
bei dem die Rotoren verschiedene Eigenkonstanten haben, sich in derselben Richtung
drehen und nicht strömungsdynamisch gekoppelt sind.
-
Man wird erkennen, dß das hier beschriebene Gerät sich in Grundkonzept
und Funktion von den oben genannten oder anderen dem Erfinder augenblicklich bekannten
Geräten wesentlich unterscheidet.
-
Die Erfindung hetrifft ein Durchfluß-Mengen-Meßgerät, das zwei unabhängig
voneinander gegenläufige Turbinenräder, von denen jedes ei Meßrad ist, benutzt,
um die Nicht-Linearität der Ausführungen mit nur einem Rad, die von stromaufwärtigen
Strömungsstörungen herrühren, zu beseitigen. Solche Störungen
werden
unterschiedlich als turbulente Strömung, viskoses Fließen, Profilverzerrung der
Geschwindigkeit, positiver oder negativer stromatlfwärtiger Wirbel und Strömungs-Viskosität
beschrieben oder klassifiziert.
-
Die Ausgestaltung des gemäß der Erfindung ausgebildeten Meßgerätes
zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten sowie vorteilhafte Weiterbildungen sind
im einzelnen in den Ansprüchen angegeben.
-
Die Geschwindigkeitsprofilverzerrung beeinflußt die Funktion von Turbinenmeßgeräten
und kann, bezogen auf die durchschnittliche lineare Strömungsgeschwindigkeit, die
Winkelgeschwindigkeit von Turbinenrädern beschleunigen oder verlangsamen. Auf diese
Weise beeinflut sie die Eichung des Meßgeräts und kann zu ungenauen Meßwerten führen.
Bei der erfindungsgemäßen KOnstruktion ergibt jede Änderung der Winkelgeschwindigkeit
des ersten Rades eine entgegengesetzt gleichgroße Änderung der Winkelgeschwindigkeit
des zweiten Rades. Wenn also die Winkelgeschwindigkeit beider Räder gemittelt wird,
werden Ungenauigkeiten, die von Geschwindigkeits-Profil-Verzerrungen herrühren,
kompensiert und es werden innerhalb vorher festgesetzter Abweichungen ziemlich genaue
Meßwerte erhalten.
-
Ebenso erzeugt eine Erhöhung der Viskosität entgegengesetzte Kräfte
auf Turbinenräder, eine, di. wie oben beschrieben, die Winkelgeschwindigkeit beschleunizt,
und eine, die sie durch Flüssigkeitsreibung an den Turbinenschaufeln verzögert.
-
Flüssigkeitsreibung verzögert, unabhängig von der Drehrichtung, jedes
Turbinenrad.
-
bei der Erfindung verläßt jedoch die Flüssigkeit durch die reibungsbedingte
Verzögerung des ersten Rades die Turbinenschaufeln des ersten Rades mit einer Winkelgeschwindigkeitskomponente,
die eine Beschleunigung des zweiten Rades bewirkt.
-
Die Bildung eines Mittelwerts aus den Winkelgeschwindigkeiten beider
Räder wird somit die Auswirkung von ViskosiLätserhöhungen beeinflussen und dadurch
bedingte Eichfehler verringern.
-
VorteilhafteL-weise werden vorschlagsgemäß die Turbinenräder gleich
groß mit entgegengesetzter Steigung ausgeführt, die Schaufeln des einen sind so
angeordnet, daß sie eine Drehung im Uhrzeigersinn, die Schaufeln des anderen, daß
sie eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn hervorrufen. Die Laufräder werden nahe
beieinander in einem Kanal so angeordnet, daß eine durch stromaufwärtige Störungen
hervorgerufene Änderung der Winkelgeschwindigkeit des ersten eine entgegengesetzte
Anderung beim zweiten verursacht. Wenn die Absolutwerte der zwei Winkelgeschwindigkeiten
addiert und die Summe als Maßstab genommen wird, so erhält man eine setlr hohe Meßgenauigkeit
des Durchflusses unabhängig von stromaufwärtigen Störung gen.
-
Die Winkelgeschwindigkeitssignale können auch miteinander verglichen
werden, um einen Schaden durch Lagerreibung, VersLopfung oder eine tndere Störung
am einen oder anderen Laufrad und dem elektronischen Geber und Obertragungssystem
anzuzeigen. Wenn ein Ausgangssignal das andere um einen bestimmten Betrag während
des laufenden Vergleichs übersteigt, wird eine Störung angezeigt. Es können Alarm-
oder Warnsysteme in
die Vergleichsschaltung eingebaut werden, um
das ueber wachungspersonal auf die Wahrscheinlichkeit von durch mechanische Schäden
der Turbine .- oder elektronische Schäden verursachten ungenauen Meßwerten aufmerksam
zu machen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Meßgerät sollen W1 und W2 die Winkelgeschwindigkeiten
der beiden Turbinenräder sein, Wt = W1 + W2, K die Geberkonstante, V die Durchflußmenge.
-
Dann gilt:
Das Ergebnis wird extrem zuverlässig sein, da ein Verlust der Eichgenauigkeit leicht
entdeckt werden kann und leicht eine Selbstschutz-Schaltung einzubauen ist. Zusätzlich
wird das Meßgerät auf Änderungen von Viskosität, von Strömungswirbeln und Geschwindigkeitsprofil
relativ unempfindlich sein.
-
Zusätzlich hängt die Funktion des Meßgeräts in kritischer Weise von
verschiedenen Faktoren wie Lagerreibung, Schaufelwinkel und innerer Gleichförmigkeit
ab. Ein Meßgerät wird vor dem Einbau geeicht und seine Geberkonstante K festgestellt.
-
Damit das Meßgerät im Einsatz brauchbar ist, muß es innerhalb gewisser
vorherbestimmter Grenzwerte funktionieren. Diese Schwierigkeiten werden durch die
Verwendung von doppelten, unabhängig voneinander gegenläufigen Turbinenrädern überwunden,
von denen jedes ein Meßrad ist und die nahe beieinander angeordnet sind, um strömungsdynamische
gegenseitige Beeinflussung zu gestatten. Ein Langsamerwerden des ersten Turbinenrades
wegen
Reibung oder verbogenen Raderschaufeln wird eine Vergrößerung der Winkelgeschwindigkeit
des zweiten Rades bewirken. Ein Langsamerwerden des zweiten Rades aus denselben
Gründen würde Fehler klein halten, da nur die halbe Abweichung im geeichten Gesamtstrom
bemerkt würde.
-
Ebenso wird das Problem der Fehlfunktion mit der Erfindung besser
festgestellt. Während der Eichung wird ein Unterschied zwischen W1 und W2 festgestellt.
Alle weiteren Abweichungen können durch Überwachung der Geber entdeckt werden und,
falls notwendig, kann die Feststellung einer über einen bestimmten Grenzwert hinausgehenden
Abweichung elektronisch mit einem Alttrm und/oder Regelsystem verbunden werden.
-
Die im System liegenden Eigenschaften der Erfindung tragen wesentlich
zur Zuverlässigkeit von im Strömungskanal liegenden Meßgeräten bei, verbessern zugleich
das komplizierte Abgleichen, das bei Meßgeräten nach dem Stand der Technik notwendig
ist, so daß ein befriedigenderes Gerät mit geringeren Kosten geschaffen wird. Diese
und andere Eigenschaften der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung der
vorzugsweisen Ausführung und die Zeiciinungen weiter verdeutlicht werden.
-
Hierbei zeigt: Fig. 1 das Durchflußmeßgerät in einem Schnitt nach
der Linie A - A der Fig. 2, Fig. 2 eine Längsansicht des Meßgerätes nach Fig. 1
Fig. 3 ein Schema der elektrischen Schaltung, die in Verbindung mit dem Meßgerät
verwendet wird,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Durchflußmenge
des turbulenter Strömung ausgesetzten Meßgerätes, Fig. 5 eine graphi he Darstellung
der Durchflußmenge des einer viskosen Strömung ausgesetzten Meßgerätes, Fig. 6 eine
graphische Darstellung der Durchflußmenge ds einem positiven stromaufwärtigen Wirbel
ausgesetzten Meßgerätes und Fig. 7 eine graphische Darstellung eines zusammengesetzLen
Durchschnittswerts einer Durchflußmenge, die mit zwei gegenläufigen Turbinenrädern
gemessen wurde.
-
Fig. 1 zeigt in einem vertikalen Schnitt ein Durchflußmeßgerät 10,
bei dem das Prinzip der Erfindung verwirklicht ist.
-
Aus den beiden ringförmigen Wellenhaltern 12 und 14, die mit Speichern
16 und 18 ausgestattet sind, sowie aus dem Turbinenkammer-Ring 20, der durch 0-Ringe
22 und 24 gegen die Wellenhalter 12 und 14 abgedichtet ist, ist ein Kanal gebildet,
durch den die zu messende Flüssigkeit strömt. Die Wellenhalter 12 und 14 und der
Turbinenkammer-Ring 20 sind gegeneinander fixiert durch einen äußeren Ring 26 und
Flansche 28 und 30, die mit Schrauben 32 und 34 mit den Wellenhaltern 12 und 14
verbunden sind. Die Flansche 28 und 30 dienen auch dazu, das Meßgerät ifl auf bekannte
Art mit stromaufwärtigen und stromabwärtigen Teilen der Flüssigkeitsleitung, die
nicht dargestellt sind, zu verbinden. Zu diesem Zweck haben die Wellenhalter 12
und 14 Nuten 36 und 38 zur Aufnahme von 0-Ringen, die gegen die Stirnseite von Flanschen
von stromaufwärtigen
oder stromabwärtigen Flüssigkeitsleitungen
abdichten Die Speichen 16 und 18 der Wellenhalter-Lager 40 und 42 und die Wellenhalter-Lager
sind verjüngL ausgebildet7 um Strömungsturbulenz im Kanal zu vermeiden. Die Welle
44 kann entweder sich in den Lagern drehen oder kann fest in den Lagerkörpern eingespannt
sein oder kann aus zwei separaten Wellen, je eine pro Turbinenrad, bestehen. Wenn
nur eine Welle verwendet wird7 kann diese beidseitig oder einseitig gelagert sein
und wenn einseitig gelagert wird, kann die Lagerung stromaufwärts oder stromabwärts
sein. Wenn zwei Wellen verwendet werden, kann jede beidseitig oder einseitig gelagert
sein und, wenn einseitig gelagert wird, kann jede entweder stromaufartig oder stromabwärtig
gelagert sein.
-
Ein erstes Turbinenrad 46, das Schaufeln 48 besitzt, ist auf die Welle
44 montiert und ist so angebracht, daß es bei Strömung durch das Meßgerät rotiert.
Ein zweites Turbinenrad 50, das Schaufeln 52 besitzt, die den Schaufeln 48 entgegengesetzte
Steigung haben, ist auf der Welle 44 montiert und so angebracht, daB es entgegen
der Drehrichtung von dem Turbinenrad 46 dreht.
-
Das eine oder das andere Turbinenrad kann mit der Welle fest verbunden
sein, wenn die Welle sich frei in den Lagern 40 und 42 drehen kann und dasandere
Turbinenrad kann drehbar auf der Welle sein. Wahlweise können beide Turbinenräder
auf den Lagern 54 und 56 auf der Welle drehbar angeordnet werden, wie in der Dein.
@@@ angedeutet.
-
Durch ihre Nähe im Kanal können die Turbinenräder 46 und 50 sich gegenseitig
strömungsdynamisch beeinflussen. Durch diese Anordnung, so hat sich herausgestellt,
reagieren sie entgegengesetzt auf stromaufwärtige Störungen, ias heißt, wenn ein
Turbinenrad unter die Sollgeschwindigkeit abfällt, die einer ungestörten Strömung
entspricht, dann beschleunigt das andere über diese Geschwindigkeit. Die Geber 58
und 60, z.B.
-
magnetische Geber, zählen die Anzahl der am Geber vorbeilaufenden
Turbinenschaufeln, wenn die Turbinenräder sich drehen und senden pulsierende Signale
aus. Die Signale fl und f2 werden über die Leitungen 62 und 64, wie es Fig. 3 entnommen
werden kann, aLif elektronische Schaltkreise gegeben, wo sie analysiert werden.
-
Fig. 2 stellt eine Ansicht des Meßgeräts von stromaufwärts dar und
enthält Referenz-Zahlen und Bauteile wie bereits beschrieben.
-
Fig. 3 zeigt in einem Blockdiagramm die beispielhaften elektronischen
Schaltkreise, die zur Bestimmung der gesamten durch flußmenge, der Fließgeschwindigkeit
und zur Anzeige von Fehlarn im Meßgerät l0 dienen können. Die sroautfwärtige Leitung
66 führt zum Meßgerät 10 und die stromabwärtige Leitung 68 vom Meßgerät 10 weg.
Die Geber 58 und 60 erzeugen pulsierende Signale fl und f2, die ein Maß für die
Winkelgeschwindigkeiten der Turbinenräder sind. Die Pulse werden von der Anti-Koinzidenz-Schaltung
70 addiert und von der Meßschaltung 72 ausgemessen.
-
Der Ausgang der Meßschaltung 72 wird sowohl auf das Gesamtwertanz
igegerät 82 als auch zum Durchflußgeschwindigkeits anzeiger über den irequenz-Analogwandler
84 gegeben. Das Gesamtwertanzeigugerät 82 und das Durchflußgeschwindigkeitsanzeigegerät
86 sollten genaue Meßwerte des wirklichen Durchflusses durch das Meßgerät, wie in
Fig. 7 dargestellt, geben.
-
Alternativ können die Signale fl und f2 auf die Frequenz/ AnalogwandlUL
74 und 76 gegeben werden, wo die Frequenzen von den Gebern 58 und 60 in entsprechende
Analogwerte umgewandelt werden. Diese entsprechenden Werte werden auf den Alarm-Vergleicher
78 gegeben. Der Vergleicher 78 kann so eingestellt werden, daß ein Störungsanzeiger
80 aktiviert wird, wenn ein Signal wesentlich von anderen abweicht.
-
Wie oben beschrieben, weichen die Winkelgeschwindigkeiten der Turbinenräder
46 und 50 voneinander auf +/- -Weise ab zum Ausgleich von Strömungsstörungen, aber
keine sollte über einen bestimmten Betrag hinaus abweichen, der vom Alarmvergleicher
78 erfaßt wird. Wenn solch eine Abweichung über die festgesetzten Grenzen auftritt,
dann wird angezeigt, daß eine der Turbinen oder einer der elektronischen tbertragungsschaltkreise
falsch auf den Durchfluß reagiert, beispielsweise durch Verstopfung, Lagerreibung
oder andere Unregelmäßigkeiten, und daß die Wahrscheinlichkeit von bevorstehenden
ungenauen Meßwerten vorhanden ist.
-
In Fig. 1 sind auch zwei Geschwindigkeitsprofil-Linien, eine für viskose
Strömung 90 und eine für turbulente Strömung 92, dargestellt.
-
In den Fig 4, 5, 6 und 7 ist die Reaktion der Turbinenräder und des
Meßgeräts auf verschiedene stromaufwärtige Störungen dargestellt.
-
In jeder Kurve ist offensichtlich, da8 die unaLLtängig voneinander
und gegenläufig rotierenden Turbinenräder so wirken, daß sie einander gegenseitig
kompensieren, wenn sie einer stromaufwärtigen Störung ausgesetzt sind. Wenn einesbeschleunigt,
verzöert das andere und ergibt so den Durchschnitts-Meßwert für die Strömung, der
in den Kurven angedeutet ist.
-
Abwandlungen des beschriebenen Gerätes sind für den Fachmann offenkundig.