Vorridltnng zum Messen der abgegebenen Wärmemenge eines durch eine Leitung strönienden Mittels.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der abgegebenen Wärmemenge eines durch eine Leitung strömenden Mittels mit Hilfe einer in der Leitung angeordneten Temperaturmessvorrichtung, einer durch das Mittel angetriebenen Turbine und einem von dieser angetriebenen elektrischen Generator. Die Vorrichtung kann insbesondere zur Bestimmung der in einem Heizsystem, beispielsweise einer Warmwasseranlage, verbrauchten Wärmemenge dienen, die das Produkt aus der während einer bestimmten Zeit durch das System strömenden Wassermenge und dem dabei entstehenden Temperatnrabfall bildet.
Bekannte Wärmemengenmesser der hier in Frage stehenden Art bestehen in der Regel aus einer sog. Woltmannturbine, mit deren Hilfe ein elektrischer Strom erzeugt oder geregelt wird, der proportional zur Wassermenge ist und mechanisch, zum Beispiel mit Hilfe eines Uhrwerks, Hebelgestänges, Fallbügelgestänges oder dergleichen, oder elektrisch. zum Beispiel mit Hilfe einer elektrischen Waage, Wheatstoneschen Brücke oder dergleichen, so mit dem durch ein Thermometer, Widerstandsthermometer oder Thermoelement gemessenen Temperaturabfall multipliziert wird, dass das Integral des Produktes, das heisst Wassermenge mal Temperaturunterschied, die verbrauchte Wärmemenge darstellt.
Derartige Vorrichtungen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen und Män geln 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 mit sich führen, 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 durchströmende Wassermenge genau zu messen, und es entstehen grosse Druckverluste und Schwierigkeiten beim Messen von geringen Wassermengen.
Falls die Masse bezw. das Gewicht des Turbinenkörpers grösser ist als bei gewöhnlichen Woltmannturbinen, ist die Kenn- linie für die Wassermengenkurve nicht linear proportional zur Wassermenge, das heisst 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 Änderun- gen in Lagern und in der l < : Kennlinie des Gleichrichters notwendig ist, ist umständlich und mit Schwierigkeiten verknüpft. Weitere Schwierigkeiten entstehen bei der Zusammensetzung und Prüfung der Turbine in trokkenem Zustand.
Auch die Änderung der Eigenschaften der Turbine durch Verstellen der Turbinenschaufeln ist mit Schwierigkeiten verbunden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung wenigstens eines Teils der oben angegebenen Nachteile und kennzeichnet sich im wesentlichen durch eine so angeordnete Quelle für eine zusätzliche Energie, dass Änderungen der Menge des Mittels genau prozentual gleichen Änderungen des entnommenen Stromes entsprechen. Dies kann mit Hilfe einer in die Generatorleitung eingeschalteten Stromquelle, beispielsweise einem Element von konstanter Spannung, erreicht werden, mit dessen Hilfe die Generatorspannung um eine gleichbleibende Spannung er höht wird, oder durch mechanische Verbindung des Generatorläufers mit einem kurzgeschlossenen Läufer eines mit gleichbleibender Wechselstromspannung und Frequenz gespeisten Asynchronmotors.
Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung an Hand einer beispielsweisen Ausführungsform mit einer Variante dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen vereinigten Temperatur- und Wassermengenmesser und
Fig. 2 ein Diagramm.
Fig. 3 und 4 zeigen je ein Schaltschema.
Der von einem Gehäuse 1 und einem Anschlussstutzen 2 eingeschlossene Wassermengenmesser ist in eine nicht dargestellte Leitung eingesetzt, deren lichter Durchmesser mit D bezeichnet ist und durch die das Wasser in der durch den Pfeil 3 angegebenen Richtung strömt. Im Gehäuse 1 ist ein Rohr 4 angebracht, das aus Messing, Plexiglas oder dergleichen besteht und an einem Ende mit 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 andern Ende weist das rohrförmige Zwischenstück 4 einen verlängerten Teil 7 mit kleinerem Aussendurchmesser auf.
Auf dem Teil 7 ist ein Magnet 8 eines elektrischen 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 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 Änderung des Einlasswinkds beträchtlich vermindert werden. Die beschriebenen drehbaren Teile sind auf einer mittleren Welle 12 aus rostfreiem Material angebracht, die in zwei Lagern 13 und 14 mit möglichst geringem Reibungswiderstand läuft.
Diese Lager werden von Rippen 15 bezw. 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 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 über einen Transformator 34 (Fig. 3) mit einem regelbaren Widerstand 36, so dass die Spannung geändert werden kann. Der Stator 6 ist in axialer Richtung gegenüber dem Läufer 5 versetzt angeordnet, wodurch letzterer einer Axialkraft ausgesetzt wird, die dem axialen Lagerdruck der Welle 12 entgegenwirkt, wodurch die Lagerreibung vermindert wird.
Infolge der Beziehungen zwischen Wassergeschwindigkeit und dynamischem Druck, Reibungsverlusten, Wirbelbildungen usw. hat die Kennlinie zwischen der Wassergeschwindigkeit und der Spannung im Generator 9 einen solchen Verlauf, dass änderungen der Wassermenge nicht prozentual gleichen Anderungen der Generatorspannung entsprechen.
Ausserdem ist die geringste Wassermenge, die erforderlich ist, um die Turbine in Gang zu setzen und mit Sicherheit in Gang zu halten, nicht so klein wie die in der Praxis in gewissen Fällen vorkommende, beispielsweise in mit Selbstumlauf arbeitenden Warm wasseranlagen. Die mit der gezeigten Vorrichtung ohne Ausgleichwicklung (Motor 5, 6) erhaltene : Kennlinie hat somit beispiels- weise den Verlauf, der im Diagramm gemäss Fig. 2 durch die Linie a dargestellt ist. In diesem Diagramm bezeichnet die Abszisse die Wassergeschwindigkeit v, das heisst die Wassermenge in der Zeiteinheit, und die Ordinate die im Generator 9 erzeugte Spannung E.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Kurve a zwar linear, aber nicht zum Nullpunkt gerichtet, das heisst das umlaufende System, Turbine und Generatormagnet, beginnt erst dann sich 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 Fehler sollen mit Hilfe des Asynchronmotors 5, 6 kompensiert werden, der einen grossen Teil der auf das umlaufende System wirkenden Widerstandskräfte, wie Gewicht, bezw. Masse, Lagerreibung, Kraft- wirkung zwischen den Magnetpolen und dem Stator und dergleichen 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 regd baren Wechselstromspannung in diesem Motor kann man somit den Punkt A (Fig. 2) an den Nullpunkt 0 des Koordinatensystems heranbringen.
Steigt die Wassergeschwindigkeit, so verringert sich allmählich die Nacheilung, und nach einer bestimmten Geschwindigkeit vx (Synchronpunkt) beginnt der Motor 5, 6 auf das umlaufende System bremsend zu wirken, worauf die Bremswirkung sich mit steigender Geschwindigkeit erhöht.
Man erhält somit die mit b bezeichnete Linie. das heisst 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 Einstellung bei der Herstellung, da er es ermöglicht, durch : Erhöhung der Span- nung das umlaufende System zwecks Prü fung 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 um einen bestimmten Winkel im Verhältnis zum Zwischenstück 4 gedreht wird, wodurch die wirksame Fläche der Schaufeln 10, 11 geändert werden kann.
Der im Generator erzeugte Strom kann in bekannter Weise in einem Gleichrichter 35 (Fig. 3) gleichgerichtet werden. Anstatt den Charakter des Spannungsverlaufes ganz oder teilweise mit Hilfe der zusätzlichen Energie eines Asynchronmotors zu berichtigen, kann man im Stromkreis des Generators ein galvanisches Element 40 (Fig. 4) mit gleichbleibender Spannung anordnen, durch dessen Energiezuschuss bezw. Spannungszuschuss die Kennlinie a (Fig. 2) parallel verschoben wird. Durch geeignete Wahl der Spannung des Elementes kann somit die Linie a in die durch den Nullpunkt verlaufende Linie c ge bracht werden. Mit : E Hilfe eines im Stromkreis angeordneten regelbaren Widerstandes 37 kann die Neigung der Kennlinie zur Abszisse geändert werden (vergl. die Linien a, e1, e oder c, b).
Zwecks Messung der Wärmemenge geht der Strom in eine Diagonale einer Wheatstoneschen Brücke hinein, die aus vier temperaturempfindlichen Widerständen oder aus zwei temperaturempfindlichen und zwei gleichbleibenden Widerständen 38 bezw. 39 besteht. Der eine der Widerstände 38 ist in eine hingehende Warmwasserleitung und der andere in eine rückgehende Warmwasserleitung eingesetzt. Die Ziffer 41 bezeichnet einen Amperemeter oder einen integrierenden elektrolytischen Messer, der an die andere Diagonale der Brücke angeschlossen ist.
Die Brücke ist derart abgeglichen, dass der den Messer 41 durchfliessende Strom dem Produkt des durch die Widerstände 38 gemes sensen Temperaturunterschiedes und der durch den gegebenenfalls korrigierten Generatorstrom angegebenen Strömungsgeschwindigkeit proportional ist, weshalb der Messer in Wärmemenge pro Sekunde bezw. in Wärmemenge kalibriert werden kann. Wenn man statt eines Meta] ldrahtwiderstandes einen Elektrolyt-widerstand verwendet, kann der Gleichrichter 35 wegfallen; die Zusammensetzung der Elektrolyten wird bekanntlich durch Gleichstrom geändert.
Während man für Gleichstrom die Integration des Produktstromes in einem Elektrolytmesser durchführt, muss man bei Wechselstrom mit Rücksicht auf die geringere Empfindlichkeit der Wechselstrommesser einen Verstärker anordnen, zum Beispiel eine Verstärkerröhre
In Fig. list links vomWassermengenmesser einer der temperaturempfindlichen Widerstände 38 dargestellt, der hier als eine Drahtwicklung ausgebildet ist. Dieser Temperaturmesser oder -widerstand ist in einem Gehäuse eingebaut, das gemäss der dargestellten Ausführungsform aus einem mit einem Flansch 23 versehenen Rohrstück 22 und einer mit Hilfe von Schrauben damit verbundenen Platte 24 besteht, die ihrerseits mit dem Ge häuse 1 verbunden ist. Zu beiden Seiten der Platte 24 sind Dichtungsscheiben 25 eingelegt.
Der Flansch, die Platte und die Dichtungsscheiben haben denselben innern Durch messer D wie die Rohrleitung. Eine zylinderringförmige Messzelle 26 ist so im Gehäuse 22 angebracht, dass ihre innere Wand 27 einen Teil der Rohrleitung bildet und denselben Innendurchmesser aufweist wie diese.
Zwischen dem Gehäuse und der äussern Wand 28 sowie den Seitenwänden 29, 30 der Zelle ist eine Masse 31 aus einem geeigneten wärmeisolierenden Stoff, beispielsweise Kork, Bakelit oder dergleichen, angeordnet. Die Zelle 26 ist an ein aus einem schlechten Wärmeleiter bestehendes Rohr 32 angeschlossen, das sich durch das Gehäuse und die Isolierschicht 31 erstreckt. Durch das Rohr 32 werden die elektrischen Leitungen zur Messzelle geführt.
Die Wände der Messzelle sind so dünn wie möglich und bestehen aus einem Stoff, beispielsweise Kupfer, mit hohem Wärmeleitvermögen, so dass die liess zelle stets auf der gleichen Temperatur gehalten wird wie das durch die Rohrleitung strömende, flüssige oder gasförmige Mittel. Da die Zelle mit.
Ausnahme der Berührungsfläche mit dem Mittel auf allen Seiten von dem wärmeisolierenden Stoff umgeben ist, erhält man sehr zuverlässige Messergebnisse. Infolge des Umstandes, dass sowohl das Gehäuse wie auch die Isoliermasse sowie die Messzelle den gleichen Innendurchmesser haben wie die Rohrleitung selbst, wird jeglicher Strömungsver- lust beim Durchgang des Mittels durch die Messvorrichtung vollständig vermieden.
Die Füllung der Zelle besteht entweder, wie in der Zeichnung angedeutet, aus einer Widerstandswicklung 33 (für Gleichstrom) oder aus : Elektrolyten flüssiger oder halb- flüssiger (geleeartiger) Konsistenz (für Wechselstrom).
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die lediglich als Beispiel gezeigte und beschriebene Ausführungsform beschränkt. Die beschriebenen Einrichtungen zur Änderung des Verlaufes der Kennlinie gemäss Fig. 2 können natürlich in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden.