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Massemesser für strömende Medien
Zur Erfassung des Gewichtes einer strömenden Flüssigkeit oder eines Gases ist es bekannt, die Ergebnisse eines Volumenzählers oder linearen Durchflussmessers durch ein von einem Dichtemesser gesteuertes Multiplikationsgetriebe umwerten zu lassen. Infolge der Vielzahl der hiebei notwendigen Teile wird ein solches Gerät ziemlich umfangreich. Es gibt auch Massedurchflussmesser, bei denen die Reaktionskraft eines Kreisels, welchem eine konstante Präzession aufgezwungen wird, als Messgrundlage genommen wird. Ein anderes Prinzip benutzt die Corioliskraft, die ein flüssiges oder gasförmiges Medium erfährt, wenn es aus einem Gebiet niedriger Umfangsgeschwindigkeit in ein solches höherer strömt.
Für die beiden letztgenannten Messer wird zur Abnahme des Messwertes ein verhältnismässig kompliziertes System benötigt, das diese Apparate infolgedessen aufwendig und teuer macht. Gemeinsam ist allen erwähnten Geräten, dass die An-
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zu messenden Mediums ist. Bei den weiterhin für die Durchflussmessung häufig verwendeten Stauund Drosselgeräten dagegen ist das nicht der Fall, weshalb sie nicht direkt zur Massedurchflussmessung verwendet werden können. Die bei ihnen erforderliche Radizierung kann zu einem eingeengten Messbereich und zu Schwierigkeiten und Messfehlern, insbesondere bei kleinen Durchflüssen, Anlass geben.
Demgegenüber besteht die Erfindung im Wesen darin, dass ein in der Strömung liegender Rotor, insbesondere Zylinder, vorgesehen ist, der um seine senkrecht zur Strömungsrichtung liegende Achse unabhängig von der Strömung in Drehung versetzt wird, und dass der dabei zwischen beiden Seiten des Rotors ensprechend dem Magnuseffekt im Medium auftretende Druckunterschied zur Durchflussmassemessung herangezogen wird. Dieser Druckunterschied kann entweder unmittelbar oder über seine Wirkung auf den Rotor oder die
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werden.
Der Magnuseffekt besteht darin, dass ein Rotor, insbesondere ein rotierender Zylinder, welcher senkrecht zu seiner Achse angeströmt wird, einen Auftrieb senkrecht zu seiner Achse und zu seiner
Anströmung erhält. Dieser Auftrieb ist einerseits der Rotationsgeschwindigkeit, anderseits der Dichte und der Anströmgeschwindigkeit proportional und
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des rotierenden Zylinders und der Umdrehungsgeschwindigkeit linear abhängt. b ist die Länge des Zylinders in Achsrichtung, ss die Dichte und v die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums.
Durch seine Rotation ruft der Zylinder eine unsymmetrische Druckverteilung in seiner Umgebung hervor, welche den oben erwähnten Auftrieb hervorruft und die sich zwischen je zwei symmetrisch zur Anströmung liegenden Stellen aus Ap = a (} Gv errechnet, wobei a ein dimensionsloser Beiwert ist, der von dem Abstand der Druckentnahmestellen vom Zylindermantel und von dem Winkel zur Stromrichtung abhängt. Wird die Drehzahl des Zylinders, beispielsweise durch Antrieb mit einem Synchronmotor oder einer geregelten Turbine, die gegebenenfalls durch das Messmedium selbst angetrieben werden kann, konstantgehalten und damit auch die Grösse G, dann ist die Druckdifferenz proportional L) v, Dies stellt den auf die Querschnittseinheit bezogenen Massefluss in g/sec und cm2 dar.
Mit dem bei einer gemäss der Erfindung aufgebauten Anlage konstant gehaltenen Strömungsquerschnitt F multipliziert, ergibt sich direkt der Massefluss aus
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Eine Verkörperung des allgemeinen Erfindungsgedankens kann z. B. so ausgebildet sein, dass zur Erzeugung des Magnuseffektes eine in einem zylindrischen Gehäuse befindliche Walze rotiert. Sie wird auf ihrer ganzen Länge senkrecht zu ihrer Drehachse aus einem Zulauf in der Gehäusewand von dem zu messenden Medium (Flüssigkeit oder Gas) angeströmt. Das Durohflussmittel strömt auf der gegenüberliegenden Gehäuseseite durch einen entsprechend geformten Ablauf wieder ab.
Voraussetzung für die einwandfreie Funktion des Durchflussmassemessers ist die genau zentrische Lagerung der Walze im Gehäuse. Durch eine auf die Anströmdüse bezogene Unsymmetrie der Walze wird die ankommende Flüssigkeit ungleichmässig auf den oberen und unteren Spalt aufgeteilt. Daraus ergeben sich Messungenauig-
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diesem Falle kein Messergebnis vorhanden sein dürfte.
Um die Schwierigkeiten des genau zentrischen Einbaues der Walze von vornherein auszuschalten, ist gemäss weiterer Ausbildung der Erfindung im Gehäuse vor der den Magnuseffekt erzeugenden Walze eine schwenkbar gelagerte Lenkplatte vorgesehen, die vorteilhaft einen tragflügelförmigen Querschnitt besitzt. Damit werden durch ungenaues Einsetzen der Walze hervorgerufene zusätzliche Differenzdrücke lediglich durch einfaches Verdrehen der Lenkplatte beseitigt. Weiterhin ist es daneben möglich, mit einer solchen Lenkplatte Ungleichförmigkeiten des ursprünglichen Geschwindigkeitsprofils in der Leitung, die
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te Krümmer hervorgerufen sein können, noch nach dem Einbau der Walze auszugleichen.
Es hat sich gezeigt, dass auch unabhängig von der Drehzahl einwandfreie Messergebnisse gewonnen werden können. Dies geschieht in Weiterbildung des Grundgedankens der Erfindung dadurch, dass die Drehzahl des Rotors in eine proportionale Spannung umgewandelt wird, die in ein Verhältnis mit einer aus der eigentlichen Messeinrichtung (Differenzdruckmesser, Kompensationseinrichtung od. dgl. ) erzeugten Spannung ge-
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Die Druckdifferenz, die an den Druckentnahmestellen des Massemessers entnommen werden kann, oder die Kraft, welche durch die Druckverteilung um den Rotor auf die Druckaufnahmeflügel wirkt, ist proportional einerseits der Drehzahl, anderseits dem Massedurchfluss entsprechend der Formel < == an Q", (a = eine Gerätekonstante, Qt = der Massedurchfluss/Zeiteinheit, n = die Drehzahl).
Wenn auf die Welle des Motors, welcher die Walze antreibt, ein linearer Messgenerator gesetzt wird, so ist dessen Aus-
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Wenn weiterhin der Differenzdruck Lip über eine geeignete Vorrichtung, z. B. ein Schwimmermanometer mit Widerstandsferngeber, in eine weitere Spannung verwandelt wird, so ist das Verhältnis beider Spannungen direkt proportional dem Massedurchfluss, unabhängig von störenden Schwankungen der Drehzahl. Die Angabe des Durchflusses kann also durch einen elektrischen Verhältnismesser, beispielsweise ein Kreuzspulmesswerk, erfolgen.
Nicht nur zur Bestimmung der Masse eines durchfliessenden Mediums, sondern auch zur Regelung einer Masseströmung kann der Erfindungs-
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Bei der üblichen Durchflussregelung wird bekanntlich ein Durchflussmesser mit einem Regel-
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mit wird der Volumendurchfluss, also eine Grösse mit der Dimension ! Imin, konstantgehalten.
Schwankungen des Massedurchflusses (kg/min) in der Leitung, die beispielsweise bei Gasen oder sonstigen Medien durch Druck-, Temperatur-
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hervorgerufen werden, können damit nicht ausgeregelt werden.
Mit der Erfindung kann eine solche Regelung jedoch ohne weiteres vorgenommen werden, wenn ein Regelorgan mit einem Massemesser verbunden wird. Der Magnusmassemesser steuert dabei das Regelorgan mittels des von ihm erzeugten Differenzdruckes. Vorteilhaft geschieht dies über einen Differenzdruck-Transmitter.
In der Zeichnung ist die Erfindung in schematischen Darstellungen beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 ein Gerät in Verbindung mit einem Differenzdruckmesser in perspektivischer Ansicht, Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch die Anlage nach Fig. 1 in der Durchflussachse-den Strömungsverhältnissen der Walze entsprechende Diagramme sind rechts herausgezeichnet-Fig. 3 eine andere Ausführungsform des Messsystems, parallelperspektivisch gesehen, Fig. 4 eine weitere Bauart, bei welcher der Rotor in einem Schwinghebelsystem gelagert ist, Fig. 5 eine Sonderausführung des Rotors, Fig. 6 einen Schnitt durch ein Gerät mit vor der Walze befestigter Lenkplatte, Fig. 7 ein Gerät mit einer Spannungsvergleich-Messeinrichtung und Fig. 8 die Verbindung des Massemessers mit einem Regelorgan.
Entsprechen den Fig. 1 und 2 ist in einem zylindrischen Gehäuse 1 ein Rotor, z. B. Zylinder
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und damit einwandfreie Messergebnisse zu erhalten. Ein Stutzen 5 dient für die Zuführung des Mediums, ein Abflussstutzen 6 leitet es wieder ab.
Der zwischen der Innenwandung des Gehäuses 1 und der Oberfläche des Rotors 2 gebildete Ringraum 7 wird von der Flüssigkeit oder dem Gas tangential zum Rotor 2 durchströmt. Infolge der Umdrehung des Rotors 2 stellt sich ein Geschwindigkeitsunterschied in der oberen und unteren Hälfte des Ringraumes 7 ein. In Fig. 2 sind rechts
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Ringraum 7 oberhalb und unterhalb des Rotors 2 in die Koordinatensysteme r, ie eingezeichnet. M ist dabei die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 2. Die durch die unsymmetrische Geschwin-
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hervorgerufenenahmestellen 8 und 9 über Rohrleitungen 10 und 11 auf ein Differentialmanometer 12 ein. Das Differentialmanometer 12 kann direkt in Masse pro Zeiteinheit (kg/min) geeicht werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 erzeugt die unsymmetrische Druckverteilung um die Walze 2 auf zwischen der Gehäusewandung und Walze angeordnete, bewegliche Druckaufnahme-
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flügel 13 eine Kraft, welche durch ein geeignetes elektrisches System oder eine ihm entsprechende
Einrichtung kompensiert und dadurch gemessen wird. Die Druckaufnahmeflügel 13 sind mittels der Bügel 14, der Hebel 15 und der Welle 16 in am Gehäuse 1 (in Fig. 3 nicht gezeichnet) be- festigten Lagern 17 gehalten. Gegenüber dem Ge- häuse sind sie in passender Weise abgedichtet, da- mit kein Druckausgleich am Flügel stattfinden kann. Die Kraft wird durch eine Balgdurchfüh- rung 18 aus dem Gehäuse herausgeführt.
Mit 19 ist ein Laufgewicht bezeichnet, welches durch eine
Pressluftturbine 20 oder einen an dieser Stelle vorzusehenden elektrischen Motor 21 od. dgl. (vgl. Fig. 4) längs der Spindel 22 verschoben wird, bis das gesamte Messsystem die Ruhelage erreicht. Die Ruhelage wird durch das Umsteuer- ventil 23 bzw. bei einem Elektromotor durch zwei entsprechende Kontakte abgetastet. Das Um- steuerventil 23 schaltet die Turbine 20 je nach der Ausschlagsrichtung auf Links- oder Rechtslauf.
Die Druckluft wird durch einen Stutzen 24 zum Umsteuerventil 23 und von dort durch Leitungen 25 der Turbine 20 zugeführt.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist der Rotor 2 mitsamt der hier nicht im Gehäuse 1 gelagerten Welle 3 in einem Schwinghebelsystem, das um einen Drehpunkt bzw. eine Drehachse 26 schwingt, gelagert. Die auf das Schwinghebelsystem wirkende Kraft wird durch eine der oben beschriebenen entsprechende Kompensationseinrichtung 27, wie sie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, gemessen. Zur Umsteuerung des Motors 21 dient der Schalter 28.
Die Kompensation der Kraft kann auch durch einen über eine Prallplattenanordnung gesteuerten Pressluftbalg erfolgen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Ausgangsgrösse des Instrumentes als ein Luftdruck gewonnen wird, der sich an einem entfernt gelegenen Ort zur Anzeige bringen lässt.
Wie oben angegeben, werden durch die Drehung des Rotors verschiedene Geschwindigkeiten des Mediums in den beiden Ringraumhälften erzeugt. Dadurch ergeben sich dort voneinander abweichende statische Drücke, die zur Messung herangezogen werden können. Es ist aber auch denkbar, den Staudruck im Durchflussmittel heranzuziehen, was unter gewissen Umständen für eine Erhöhung des Wirkdruckes vorteilhaft sein kann. Anstelle der einfachen Durchbohrungen 8, 9 oder dafür verwendeter Ser'scher Scheiben können auch Pitotrohre, Staustäbe od. dgl. im Ringspalt 7 vorgesehen sein. Die Staudrücke sind
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Die Differenz beider Drücke ergibt :
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Da der Quotient von Massedurchfluss und Volumendurchfluss gleich der Dichte des strömenden Mediums ist, lässt sich durch Kombination eines Massedurchflussmessers mit einem Volumendurchflussmesser, z. B. Drehkolbenzähler mit Differenziereinrichtung, direkt die Dichtes des strömenden Mediums, beispielsweise durch Quotientenbildung mittels eines elektrischen Verhältnismessers, erhalten. über eine Messung der Dichte lassen sich damit auch alle dichteabhängigen Grössen, z. B. Fremdkörpergehalt, Mischungs- oder Lösungsverhältnis usw., bestimmen. Speziell für Fremdkörpergehalte ist das sehr robuste Massemessersystem mit seinen grossen Spalten, die nicht zur Verstopfung neigen, sehr gut geeignet.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist in dem Gehäuse 1 vor der Walze 2-in Strömungsrichtung gesehen-eine von ausserhalb des Gehäuses zu bedienende, um eine Achse (nicht gezeichnet) schwenkbare Lenkplatte 30 angeordnet. Durch geringfügiges Verdrehen dieser Lenkplatte nach oben oder nach unten wird bei eventuell
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sigkeit entsprechend der erforderlichen Korrektur abgelenkt und die unerwünschte Differenz ausge- regelt.
Nach Fig. 7 ist auf der Welle 3 in ihrer über den Motor 4 hinausgehenden Verlängerung 3'ein Tachometergenerator 31 angeordnet. Dieser Generator 31 ist durch eine elektrische Leitung 32 mit einem elektrischen Verhältnismesser 33 verbunden.
Vom Gehäuse 1 des Messgerätes sind die Druckleitungen 10 und 11 abgenommen, welche zu dem mit Ferngeberwiderständen 34 ausgerüsteten Quecksilberdifferenzmanometer 12 führen. Die Ferngeberwiderstände tauchen in Quecksilbersäulen 35 ein.
Von den Ferngeberwiderständen 34 führt je eine elektrische Leitung 36 zu einer elektrischen Brücke 37, durch welche der Differenzdruck bzw. die Kraft auf die Kompensationseinrichtung in eine proportionale Spannung umgewandelt wird.
Der elektrische Verhältnismesser 33 ist durch eine Leitung 38 mit dem Differenzmanometer 12 und durch eine Leitung 39 mit der Brücke 37 verbunden.
Zur Regelung einer Masseströmung wird bei dem in Fig. 8 veranschaulichten Ausführungsbeispiel zwischen Massemesser und Regelorgan ein Differenzdrucktransmitter 40 eingebaut. Der durch den Magnuseffekt entstehende bzw.
Unterdruck wird an den Wirkdruckleitungen 10 und 11 - wie bereits beschrieben-abgenom- men und in den Transmitter 40 umgewertet. Zwischen der Walze 2 und dem Motor 4 ist auf der gleichen Welle 3 ein an sich bekanntes stufenloses Regelgetriebe 41 angeordnet.
Ein Regelventil 44, welches in die mit dem Zulaufstutzen 5 verbundene Leitung 42 oder in die an den Ablaufstutzen 6 anschliessende Leitung 43, also entweder vor oder hinter dem Massemesser eingebaut ist, wird über den Differenzdrucktransmitter 40 in an sich bekannter Weise betätigt. Das Regelventil 44 regelt den Durchfluss in der Gesamtleitung 42, 43 so, dass an den Wirkdruckaufnahmestellen des Magnusmessers ein konstanter Differenzdruck herrscht. Weil dieser Differenzdruck einerseits dem durch den Massemesser fliessenden Massestrom, anderseits der Drehzahl des Rotors 2 proportional ist, stellt sich in der Leitung ein geregelter Durchfluss hinsichtlich der Masse ein, wobei die Einheit z. B. kg/min ist. Der Massedurchfluss ist mit der Drehzahl des Rotors als Sollwert bzw. Führungsgrösse festlegbar.
Zur Sollwerteinstellung wird das zwischen dem Synchronmotor 4, der zur Erreichung einer konstanten Ausgangs-Drehzahl dient, und dem
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nutzt. Ein Differenzdruckmesser (nicht gezeich- net) zwischen den Wirkdruckleitungen 10 und 11 gestattet es, den Massedurchfluss abzulesen. Diese
Regelanlage arbeitet als Proportionalregler.
Durch Parallelschalten an sich bekannter druckintegrierender oder-differenzierender Schaltelemente, die ebenso wie der Transmitter 40 auf das Regelventil 44 wirken, lassen sich auch PI- und PID-Regler aufbauen.
Es ist weiterhin möglich, die übersetzung des Regelgetriebes 41 über einen zweiten Massemesser und Transmitter, beispielsweise von einem in einem Zylinder beweglichen Kolben, vornehmen zu lassen. Wenn anschliessend beide Massenströme zusammengeführt werden, arbeitet die ganze Anlage als Gemischregler, der zum Unterschied von bekannten Anlagen das Masseprozentverhältnis regelt. Auf diese Weise ist es möglich, durch Zumischen geeigneter Komponenten ein strömendes Medium auf konstante Dichte zu regeln.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Sollwerteinstellung am Getriebe 41 durch eine Temperaturdifferenz vornehmen zu lassen, die z. B. an zwei Punkten der Leitung abgenommen wird.
Die geregelte Grösse ist dann die durch die Leitung fliessende Wärmemenge. In dieser Anordnung ersetzt die Einrichtung zwei vollständige Regelanlage für die Masse des Mediums und dessen Temperatur, die sonst unter Umständen in komplizierter Weise zusammengeschaltet werden müssten.
Auf die gleiche Art kann eine Heizleistung geregelt werden, indem die Verstellung des Regelgetriebes durch die Ausgangsgrösse eines an sich bekannten Heizwertmessers gesteuert wird. Der Durchfluss ist dann derart geregelt, dass pro Zeiteinheit die gleiche Heizleistung durch die Leitung fliesst.
Eine andere Möglichkeit, die Heizleistung zu regeln, wenn gleichzeitig der Durchfluss konstantgehalten werden soll, besteht darin, in der oben beschriebenen, mit Magnusmesser arbeitenden Gemischregleranlage das Mischungsverhältnis zweier Brennstoffe derart durch einen Heizwertmesser zu steuern, dass der Heizwert konstant ist. Das ist
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insbesonders dadurch möglich, dass zwischen dem
Kolbenantrieb des Reglergetriebes oder einer die- sem gleichwertigen Einrichtung und dem Regel- getriebe selbst ein an sich bekanntes, z. B. mit
Kurvenscheiben arbeitendes Funktionalgetriebe eingefügt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Massemesser für strömende Medien, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Strömung liegen- der Rotor, insbesondere Zylinder, vorgesehen ist, der um seine senkrecht zur Strömungsrichtung lie- gende Achse unabhängig von der Strömung in
Drehung versetzt wird, und dass der dabei zwi- schen beiden Seiten des Rotors entsprechend dem
Magnuseffekt im Medium auftretende Druckun- terschied zur Durchflussmassemessung herangezo- gen wird.