Messflügel für hydrometrische Messungen
Die Erfindung betrifft einen Messflügel für hydrometrische Messungen. Derartige Messflügel dienen zum Messen der Strömungsgeschwindigkeiten von Wasserströmungen in natürlichen oder künstlichen offenen Gerinnen wie Wasserläufen oder Strömungskanälen oder auch in geschlossenen Rohrleitungen wie z. B. Wasserzuleitungsrohren für Wasserturbinen, in Turbineneinläufen oder von sonstigen Flüssigkeitsströmungen.
Bei den üblichen hydrometrischen Messflügeln ist die Welle oder Hohlwelle der meist schraubenförmig gewundenen Flügelschaufel im vorderen Teil eines länglichen Gehäuses gelagert, welches an einer in die Strömung ragenden Stange befestigt, an einem z.B. über einen Flusslauf gespannten Tragseil aufgehängt oder in einer Rohrleitung an einem Messkreuz angeordnet werden kann. Die in der Strömung liegende Flügelschaufel dreht sich entsprechend der Wassergeschwindigkeit mehr oder weniger rasch um ihre Achse, und die Umdrehungen der Flügelschaufel werden mechanisch oder elektrisch auf ein Zählwerk übertragen, welches die Anzahl der Umdrehungen innerhalb einer Zeiteinheit zählt oder registriert.
Da die Drehzahl der Flügelschaufel in der Zeiteinheit der Wassergeschwindigkeit proportional ist, ergibt sich die Strömungsgeschwindigkeit an der Messstelle entsprechend dem für jeden Messflügel durch Eichung ermittelten Umlaufwert. Dabei ist der Proportionalitätsfaktor von der geometrischen Form der Flügelschaufel abhängig.
Die Übertragung der Flügelschaufelumdrehungen auf das Zählwerk kann beispielsweise mittels einer auf der Flügelschaufelwelle angeordneten Schnecke oder mittels Zahnrädern oder dergleichen erfolgen, welche einen mechanischen Kontaktmechanismus mit elektrischer Kontaktgabe in Tätigkeit versetzen. Diese Zähl- bzw.
Registrierungsvorrichtungen benötigen für ihren Betrieb ein entsprechendes Drehmoment, welches zusätzlich von der Flügelschaufel erzeugt werden muss. Daher muss die Wassergeschwindigkeit genügend hoch sein, um die Flügelschaufel in Drehung zu versetzen. Dafür sind diese Vorrichtungen verhältnismässig robust, gegen äussere Störungseinflüsse wenig empfindlich und in der Herstellung nicht übermässig teuer.
Anstelle mechanischer Ühertragungsmittel kann die Drehzahl der Flügelschaufel auch mittels einer induktiven bzw. elektronischen Impulsgebervorrichtung abgegriffen und nach aussen übertragen werden. Hierbei wird z.B. durch Schneiden eines elektromagnetischen Feldes mittels eines Permanentmagneten eine Spannungsänderung herbeigeführt, die dem Zählgerät über besondere Verstärker zugeführt werden muss. Die der Drehzahl der Flügelschaufel entsprechenden Impulse werden von dem Zählwerk gezählt bzw. registriert. Da der induktive Abgriff nahezu leistungslos erfolgt, ist die für den Anlauf und den Antrieb der Flügelschaufel benötigte Wassergeschwindigkeit erheblich geringer als bei dem mechanischen Abgriff.
Dagegen stellt die notwendige Verwendung von Verstärkern einen Nachteil dar, weil die Verstärkereinrichtungen nicht nur kostspielig, sondern vor allem auch sehr empfindlich und störungsanfällig sind. Eine Benutzung solcher elektronischer Impulsgebereinrichtungen bzw. der damit ausgerüsteten Messflügel kam aus diesem Grunde bisher für Strömungsmessungen im Freien, also vor allem in Fluss läufen, Kanälen usw. praktisch nicht in Frage.
Durch die Erfindung wird bezweckt, einen Messflügel zu schaffen, der die Nachteile der bekannten mechanischen und elektronischen bzw. induktiven Vorrichtungen beseitigt und die Vorteile beider Arten in sich vereinigt.
Die Erfindung besteht darin, dass in die Welle oder Nabe der Flügelschaufel des Messflügels ein Permanentmagnet mit axial, aber unsymmetrisch zur Schaufelachse verlaufendem Magnetfeld eingebaut und parallel zur Schaufelachse und zum Magneten in einer Aussparung des Gehäusekörpers ein Schutzgasschalter angeordnet ist, dessen Kontakte an nach aussen führende Leitungen angeschlossen sind.
Der Permanentmagnet wird zweckmässig in eine radiale Ausfräsung oder Ausnehmung der Schaufelwelle eingesetzt. Bei der besonders vorteilhaften Ausbildung der Schaufelwelle als Hohlwelle oder Hülse hat der Magnet vorzugsweise die Form eines halben Ringes und ist in axialer Richtung magnetisiert, so dass das Magnetfeld exzentrisch zur Flügelschaufelachse liegt. Es könnte auch ein Ringmagnet verwendet werden, der dann nur einseitig bzw. zur Hälfte magnetisiert sein müsste.
Es ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ferner zweckmässig, den Schutzgasschalter mit seinen Kontaktfahnen lose einschiebbar in der hierfür vorgesehenen, axial verlaufenden Aussparung des Messflügelgehäuses unterzubringen und mit Profilteilen oder dergleichen zu versehen, welche in entsprechende ortsfeste Gegenprofile eingreifen, so dass die Lamellen des Schutzgasschalters beim Einsetzen desselben in das Gehäuse automatisch die richtige Lage zu dem Magnetfeld erhalten. Diese Positionierung kann auf einfache Weise mit Hilfe eines an einer Kontaktfahne des Schutzgasschalters angebrachten Kontaktstückes erzielt werden, welches etwa keilförmig in einen Längsschlitz eines Gehäuseteiles, vorzugsweise einer in das Gehäuse eingesetzten Steckerbuchse eingreift. Der Schutzgasschalter kann dann druck- und wasserdicht und leicht auswechselbar eingebaut werden.
Der durch die Erfindung erzielte technische Fort- schritt wird insbesondere darin erblickt, dass ein nahezu leistungsloser Abgriff der Flügelschaufelumdrehungen und trotzdem eine direkte Betätigung des Zähl- oder Registrierwerkes durch den über den Kontakt im Schutzgas schalter fliessenden Strom möglich ist. Der Messflügel ist einfacher und billiger sowie zuverlässiger als die bisher üblichen Vorrichtungen mit induktivem Ab griff, und er arbeitet mit einem geringeren Drehmoment für die Drehzahlübertragung, so dass er schon auf wesentlich niedrigere Wassergeschwindigkeiten anspricht. Infolge seiner geringeren Störungsanfälligkeit kann der Messflügel ohne weiteres auch für Messungen in Flussläufen und offenen Kanälen usw. verwendet werden, wobei sich sein Messbereich nach unten, d. h. auf langsamere Strömungen erweitert.
Infolge der Parallelität zwischen der Flügelschaufelachse bzw. -welle und dem Schutzgasschalter und der konzentrischen Anordnung von Achse, Welle bzw. Hülse und Permanentmagnet wird eine strömungstechnisch günstige Form des Messflügelgehäuses oder -körpers bei kleinstmöglichem Durchmesser desselben erreicht.
Die Messgenauigkeit wird daher durch den vom Gehäusekörper verursachten Rückstau praktisch nicht mehr beeinträchtigt. Ausserdem ist die projizierte Fläche des Gehäusekörpers bei Anströmungen aus allen Richtungen stets gleich.
In der Zeichnung ist die Erfindung in einer Ausführungsform beispielsweise veranschaulicht.
Fig. 1 zeigt teils in Seitenansicht, teils im Längsschnitt, einen Messflügel.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Fig. 1 in vergrössertem Massstab.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Messflügel nach der Linie A-B der Fig. 2, und
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch den Messflügel nach der Linie C-D der Fig. 2.
Der dargestellte Messflügel hat einen im wesentlichen zylindrischen Gehäusekörper 1, der sich nach vorn hin leicht verjüngt. In einer zentralen Längsbohrung des Gehäusekörpers 1 ist eine Schaufelachse 2 angeordnet und z.B. mittels einer nicht gezeigten Klemmschraube fest mit dem Gehäusekörper 1 verbunden. Auf der Schaufelachse 2 ist drehbar eine Hohlwelle oder Hülsennabe 3 gelagert, die mit der Flügelschaufel 4 fest verbunden ist.
In einer Ausfräsung der Hülsennabe 3 ist ein Permanentmagnet 5 untergebracht. Dieser Permanentmagnet hat, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, die Form eines halben Ringes und ist in axialer Richtung magnetisiert, so dass ein zur Schaufelachse 2 exzentrisch liegendes Magnetfeld entsteht.
Parallel zur Schaufelachse 2 und damit auch zur Längsachse des ganzen Messflügels ist in einer axial verlaufenden Bohrung oder Aussparung 6 des Gehäusekörpers 1 ein Schutzgasschalter 7 angeordnet, der somit parallel zur Schaufelachse 2 und zum Permanentmagneten 5 liegt. Die hintere Kontaktfahne 8 des Schutzgas schalters 7 ist mit einem Kontaktstück 9 verbunden, während die vordere Kontaktfahne 10 mit einer Kappe 11 in Verbindung steht.
Unter einem Schutzgasschalter versteht man be kanntlich einen Magnetschalter, der in einer Schutzgasatmosphäre arbeitet. Es handelt sich hierbei um ein handelsübliches elektrotechnisches Bauelement. Ein solcher Schutzgasschalter ist beispielsweise wie folgt ausgebildet: In einer geschlossenen, im allgemeinen zugeschmolzenen Glasröhre sind zwei biegsame Kontaktfedern aus magnetisierbarem oder ferromagnetischem Material (oder biegsame Lamellen aus hochpermeablem Flacheisen) angeordnet. Die Kontaktfedern oder Lamellen sind jeweils an einem Ende in das Glasrohr eingeschmolzen oder befestigt und mit Leitungen verbunden, die durch das Glasrohr hindurch nach aussen geführt sind. Die freien beweglichen Enden der Kontaktfedern oder Lamellen liegen sich normalerweise mit einem Zwischenraum gegenüber.
Wenn die Glasröhre in ein magnetisches Feld kommt, so ziehen sich die freien, gegenüberliegenden Enden der Kontaktfedern oder Kontaktlamellen an und geben Kontakt, so dass der betreffende Stromkreis geschlossen wird. Im vorliegenden Falle erfolgt die Betätigung des Schutzgas schalters durch den Permanentmagneten 5, wenn derselbe bei der Drehung um die Achse 2 der Hülsennabe 3 an dem Schutzgasschalter 7 vorbeibewegt wird.
Die Glasröhre, welche die Kontaktfedern oder Kontaktlamellen enthält, ist mit einem Schutzgas gefüllt.
Als Schutzgas dient ein chemisch inaktives Gas wie z.B. ein Edelgas, Kohlenmonoxyd, Wasserstoff oder zweckmässig ein Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff. Dieses Schutzgas verhindert den Zutritt von Luftsauerstoff zu den Kontakten des Schalters, wodurch eine Oxydbildung an den Kontakten verhindert wird.
Es gibt natürlich verschiedene Ausführungen von solchen Schutzgasschaltern. Beispielsweise könnte nur eine bewegliche Kontaktfeder vorgesehen sein, während der andere Kontakt von einem ortsfesten magnetisierbaren Material gebildet wird,
Der Schutzgasschalter 7 und das Kontaktstück 9 sind durch eine Isolierung 12 vor einer unmittelbaren Berührung mit dem Gehäusekörper 1 geschützt. Die vordere Kappe 11 ist mit flexiblen Dichtungen 13 und 14 versehen, die das Eindringen von Wasser und damit das Entstehen eines Kurzschlusses zwischen dem Kon taktstück 9 und dem Gehäusekörper 1 verhindern.
Auf dem Gehäusekörper 1 des Messflügels ist ein zweipoliger Stecker 15 befestigt, durch den der Strom der Kontakteinrichtung zugeführt wird. Vom Stecker 15 aus ragt eine stromführende Steckerbuchse 16 in eine Querbohrung des Gehäusekörpers 1, gegen den sie mittels eines Isolierrohres 17 isoliert ist. Die Steckerbuchse 16 hat an ihrem unteren Ende einen ausgefrästen Schlitz 18, in welchen das mit der Kontaktfahne 8 verbundene Kontaktstück 9 keilartig eingreift, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist. Der andere Pol des Steckers 15 ist über eine Lasche 19 und eine Schraube 20 mit dem Gehäusekörper 1 des Messflügels verbunden.
Der dem Stecker 15 über ein nicht dargestelltes Kabel zugeführte Strom fliesst über die Steckerbuchse 16, das Kontaktstück 9 und die Kontaktfahne 8 in die Kontakte des Schutzgasschalters 7 und von dort über die Kontaktfahne 10, die Kappe 11, den Gehäusekörper 1 und die Lasche 19 zurück zu dem Stecker 15. Wenn sich die Flügelschaufel 4 mit der Hülsennabe 3 und dem Permanentmagneten 5 um die Schaufelachse 2 dreht, wird in der Wirkposition des Magneten 5 der Kontakt im Schutzgasschalter 7 geschlossen. Dann fliesst der Strom in der beschriebenen Weise durch die Einrichtung und betätigt direkt z.B. ein elektromechanisches Zählwerk. Bei jeder Umdrehung der Flügelschaufel 4 wird ein Impuls auf das Zählwerk übertragen, welches die Anzahl der Impulse und damit der Schaufelumdrehungen registriert.
Aus der abgelesenen bzw. registrierten Umdrehungszahl der Flügelschaufel in der Zeiteinheit errechnet sich dann die Strömungsgeschwindigkeit des Gewässers oder dergleichen an der Stelle, an der der Messflügel angeordnet ist.
Im einzelnen ist die Erfindung nicht an die Ausbildung des vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels gebunden.