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Vorrichtung zum Messen der Menge eines durch eine Leitung strömenden Mittels
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Menge eines durch eine Leitung strömenden Mittels mit Hilfe einer in der Leitung angeordneten, durch das Mittel angetriebene Turbine und einem von dieser angetriebenen elektrischen Generator. Die Sr- findung ist besonders bestimmt zum Messen der durch eine Leitung strömenden Wassermenge im Verein mit einer Temperaturmessvorrichtung zur Bestimmung der in einem Heizsystem, beispielsweise einer Warmwasseranlage, verbrauchten Wärmemenge, die das Produkt aus der während einer bestimmten Zeit durch das System strömenden Wassermenge und dem dabei entstehenden Temperaturabfall bildet.
Bekannte Wärmemengenmesser der hier in Frage stehenden Art bestehen in der Regel aus einer sogenannten Woltmannturbine, mit deren Hilfe ein elektrischer Strom erzeugt oder geregelt wird, der proportional zur Wassermenge ist und mechanisch, z. B. mit Hilfe eines Uhrwerkes, Hebelgestänges, Fallbügelgestänges od. dgl., oder elektrisch, z. B. mit Hilfe einer elektrischen Waage, Wheatstone'schen Brücke od. dgl., so mit dem durch ein Thermometer, Widerstandsthermometer oder Thermoelement gemessenen Temperaturabfall multipliziert wird, dass das Integral des Produktes, d. h. Wassermenge X Temperaturunterschied, die verbrauchte Wärmemenge darstellt. Derartige Vorrichtungen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen und Mängeln auf, die der Verwendung dieser Wärmemesser in grösserem Ausmass im Wege stehen.
Von diesen Nachteilen seien folgende angeführt :
Die Bewegungsübertragung von der vom Wasser durchströmten Leitung nach aussen muss durch
Dichtungseinrichtungen erfolgen, die sowohl Reibungs-als auch Undichtigkeitsverluste verursachen, welche die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Eine weitere Toleranzverschlechterung entsteht als Folge des Vorhandenseins einer verhältnismässig grossen Anzahl beweglicher Teile mit dadurch bedingten toten'Gängen und
Reibungen. Ferner ist es bei der bekannten
Vorrichtung nicht möglich, die ganze durch- strömende Wassermenge genau zu messen, und es entstehen grosse Druckverluste und Schwierig- keiten beim Messen von geringen Wassermengen.
Falls die Masse bzw. das Gewicht des Turbinenkörpers grösser ist als bei gewöhnlichen Woltmannturbinen, ist die Kennlinie für die Wassermengenkurve nicht linear proportional zur Wassermenge, d. h. Änderungen der wirklichen Wassermenge entsprechen nicht verhältnismässig gleichen Änderungen der angezeigten Menge. Ein weiterer fühlbarer Nachteil besteht in der Schwierigkeit der Aufhebung oder wenigstens Verminderung des Lagerdruckes der Turbine. Auch die Nacheinstellung der Vorrichtung, die für den Ausgleich von Änderungen in Lagern und in der Kennlinie des Gleichrichters notwendig ist, ist umständlich und mit Schwierigkeiten verknüpft. Weitere Schwierigkeiten entstehen bei der Zusammensetzung und Prüfung der Turbine in trockenem Zustand.
Auch die Änderung der Eigenschaften der Turbine durch Verstellen der Turbinenschaufeln ist mit Schwierigkeiten verbunden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung der oben angegebenen Nachteile und kennzeichnet sich im wesentlichen durch eine mechanische Verbindung des Generatorläufers mit einem kurzgeschlossenen Läufer eines mit gleichbleibender Wechselstromspannung und Frequenz gespeisten Asynchronmotors.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einer in der beiliegenden Zeichnung dargestellten geeigneten
Ausführungsform derselben. Fig. 1 zeigt einen
Schnitt durch einen Wassermengenmesser und
Fig. 2 ein Diagramm.
Der von einem Gehäuse 1 und einem An- schlussstutzen 2 eingeschlossene Wassermengen- messer ist in eine nicht dargestellte Leitung ein- gesetzt, deren lichter Durchmesser mit D bezeichnet ist und durch die das Wasser in der durch den
Pfeil 3 angegebenen Richtung strömt. Im Ge-
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einem rohrförmigen Körper 5 verbunden ist, der als kurzgeschlossener Läufer eines mit gleichbleibender Wechselstromspannung und Frequenz gespeisten Asynchronmotors ausgebildet ist, dessen Stator mit 6 bezeichnet ist. An seinem anderen Ende ist das rohrförmige Zwischenstück 4 bei 7 mit kleinerem Aussendurchmesser abgesetzt. Auf diesem Ende 7 ist der Magnet 8 eines elektrischen
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Generators festgeklemmt, dessen Stator mit 9 bezeichnet ist.
Der Magnet besteht zweckmässig aus einer Sonderlegierung von hoher Temperaturbeständigkeit und geringer reversibler Permeabilität, um eine nennenswerte Schwächung des Magneten durch das vom Asynchronmotor erzeugte Wechselfeld zu verhindern. Die Schaufeln der Turbine bestehen aus zwei getrennten Teilen 10 und 11, von denen der eine mit dem Magnet 8 und der andere mit dem Zwischenstück 4 verbunden ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Einlasskanten der Schaufeln abgerundet, wodurch die Stossverluste infolge sich ändernder Einlasswinkel beträchtlich vermindert werden.
Die beschriebenen drehbaren Teile sind auf einer axialen Welle 12 aus rostfreiem Material angebracht, die in zwei Lagern 13 und 14 mit möglichst geringem Reibungswiderstand läuft. Diese Lager werden von Rippen 15 und 16 getragen. Die in der Strömungsrichtung des Wassers vor der Turbine liegenden Rippen 15 sind als Leitschaufeln für die Turbine ausgebildet. Zwischen den Teilen 4, 5, 8 und den Statoren 6 und 9 ist ein mit Vorsprüngen 17, 18 versehenes nicht magnetisches Rohr 19 angebracht, das sich über die ganze Länge des Gehäuses erstreckt und als Labyrinthdichtung zwischen der Einlass-und Auslassseite dient, um Undichtigkeitsverluste durch den ringförmigen Spalt zwischen den beweglichen und den festen Teilen des Messers so weit wie möglich herabzusetzen.
Mit 20 und 21 sind Öffnungen im Gehäuse 1 für die elektrischen Leitungen zu den Statoren des Asynchronmotors und Generators bezeichnet. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Innendurchmesser der Teile 4, 5, 8 im wesentlichen gleich gross wie der Innendurchmesser D der Leitung.
Die Motorwicklung erhält ihren Strom aus dem Netz uber einen Transformator mit einem regelbaren Widerstand, so dass seine Stärke ge- ändert werden kann. Der Stator 6 ist in axialer Richtung gegenüber den Läufer 5 versetzt angeordnet, wodurch letzterer einer Axialkraft ausgesetzt wird, die dem axialen Lagerdruck der Welle 12 entgegenwirkt und die Lagerreibung vermindert.
Infolge der Masse bzw. Gewichtes der umlaufenden Teile und anderer Umstände, wie
Komponenten der Wassergeschwindigkeit auf die
Turbine, Gleichrichterwiderstand usw., hat die
Kennlinie zwischen der Wassergeschwindigkeit und der Spannung im Generator 9 einen solchen
Verlauf, dass den Änderungen der Wassermenge nicht prozentual gleichen Änderungen der Ge- neratorspannung entsprechen. Ausserdem ist die geringste Wassermenge, die erforderlich ist, um die Turbine in Gang zu setzen und mit Sicher- heit in Gang zu halten, nicht so klein wie die in der Praxis in gewissen Fällen, beispielsweise in mit Selbstumlauf arbeitenden Warmwasseranlagen vorkommende. Die mit der gezeigten Vorrichtung ohne Ausgleichseinrichtung (Motor 5,6) erhaltene
Kennlinie hat somit beispielsweise den Verlauf, der im Diagramm gemäss Fig. 2 durch die Linie a dargestellt ist.
In diesem Diagramm bezeichnet die Abszisse die Wassergeschwindigkeit v, d. h. die Wassermenge in der Zeiteinheit, und die Ordinate die im Generator 9 erzeugte Spannung B. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Kurve a zwar linear, aber nicht zum Nullpunkt gerichtet, d. h. das umlaufende System, Turbine und Generatormagnet, beginnt sich erst dann zu drehen, wenn die Wassergeschwindigkeit einen bestimmten Wert Va erreicht hat. Daraus folgt, dass eine bestimmte Änderung der Wassergeschwindigkeit nicht einer prozentual gleich grossen Änderung der Generatorspannung entspricht, so dass die erhaltenen Messwerte mehr oder weniger grosse Abweichungen von den tatsächlichen Werten aufweisen.
Diese Fehlerquelle wird durch die gezeigte Ausgleichseinrichtung vermieden, die als Asynchronmotor mit starker Nacheilung ausgebildet ist, und einen grossen Teil der auf das umlaufende System wirkenden Widerstandskräfte, wie Gewicht bzw. Masse, Lagerreibung, Kraftwirkung zwischen den Magnetpolen und dem Stator u. dgl., aufhebt. Dies hat zur Folge, dass das umlaufende System bei einer geringeren Geschwindigkeit in Gang gesetzt wird als ohne Mitwirkung des Asynchronmotors. Durch geeignete Wahl der regelbaren Wechselstromspannung in diesem Motor kann man somit den Punkt A (Fig. 2) an den Nullpunkt des Koordinatensystems heranbringen. Steigt die Wassergeschwindigkeit, so verringert sich all-
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System bremsend zu wirken, worauf die Bremswirkung sich mit steigender Geschwindigkeit erhöht.
Man erhält somit die mit b bezeichnete Linie, d. h. die Generatorspannung wird genau linear proportional zur Wassergeschwindigkeit und damit auch zur Wassermenge.
Der Asynchronmotor ist auch von grosser Bedeutung sowohl für die Nachstellung des Apparates nach einer gewissen Zeit wie auch für die Zusammensetzung und Einstellung bei der Herstellung, da er es ermöglicht, durch Erhöhung der Spannung das umlaufende System zwecks Prüfung und Kontrolle in Gang zu setzen, ohne dass die Turbine mit Wasser angetrieben zu werden braucht.
Die Eigenschaften der Turbine können dadurch geändert werden, dass der Magnet 8 von Hand aus um einen bestimmten Winkel im Verhältnis zum Zwischenstück 4 gedreht wird, wodurch die Gesamtlänge der Schaufeln 10, 11 geändert werden kann.
Der im Generator erzeugte Strom kann in bekannter Weise in einem Gleichrichter gleichgerichtet werden. Anstatt den Charakter des Spannungsverlaufes ganz oder teilweise mit Hilfe eines Asynchronmotors zu berichtigen, kann man im Stromkreis des Generators ein galvanisches Element mit gleichbleibender Spannung anordnen, durch dessen Spannungszuschuss die Kennlinie a (Fig. 2) parallel verschoben wird. Durch geeignete
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Wahl der Spannung des Elementes kann somit die Linie a in die zum Nullpunkt verlaufende Linie c gebracht werden. Mit Hilfe eines im Stromkreis angeordneten regelbaren Widerstandes kann die Neigung der Kennlinie zur Abszisse geändert werden, vgl. die Linien a-d-e oder c-A.
Zwecks Messung der Wärmemenge wird der Strom einer Wheatstone'schen Brücke zugeführt, die aus vier temperaturempfindlichen Widerständen oder aus zwei temperaturempfindlichen und zwei gleichbleib""den Widerständen besteht. Wenn man statt eines Metalldrahtwiderstandes einen Elektrolytwiderstand verwendet, kann der Gleichrichter wegfallen ; die Zusammensetzung der Elektrolyten wird bekanntlich durch Gleichstrom geändert. Während man für Gleichstrom die Integration des Produktstromes in einem Elektrolytmesser durchführen kann, muss man bei Wechselstrom mit Rücksicht auf die geringere Empfindlichkeit der Wechselstrommesser einen Verstärker anordnen, z. B. eine Verstärkerröhre.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die lediglich als geeignetes Beispiel gezeigte und beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann auch in anderem Zusammenhang als mit Wärmemessern verwendet werden. Die be- schriebenen Einrichtungen zur Änderung des
Verlaufes der Kennlinie gemäss Fig. 2 können in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden, so dass eine gemäss der Erfindung ausgebildete Messvorrichtung in einer Normalausführung für die verschiedensten Zwecke verwendet werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Messen der Menge eines durch eine Leitung strömenden Mittels mit Hilfe einer in der Leitung angeordneten, durch das Mitte ! angetriebenen Turbine und einem von dieser angetriebenen elektrischen Generator, dadurch gekennzeichnet, dass der Generatorläufer (8) mit einem kurzgeschlossenen Läufer (5) eines mit gleichbleibender Wechselstromspannung und Frequenz gespeisten Asynchronmotors mechanisch verbunden ist.