Flügelrad-Anemometer
Die Erfindung betrifft ein Flügelrad-Anemometer mit einem sich mit dem Flügelrad mitdrehenden Geber eines Drehzahlumformers.
Zur Bestimmung von Gasgeschwindigkeiten werden Anemometer verwendet, die beispielsweise ebene Flügel aufweisen, welche in einer zylindrischen Umhüllung laufen. Die Umdrehungen der Flügel werden mechanisch oder elektrisch auf ein anzeigendes und/oder registrierendes Messinstrument, z. B. ein Zählwerk, übertragen.
Bei einem derartigen bekannten Gerät ist das Flügelrad auf einer in der Längsachse des Gehäusekörpers angeordneten Welle befestigt. Hierzu ist die Welle mit einem Flansch versehen, mit welchem die einzelnen Flügel des Flügelrades fest verbunden, z. B. vernietet, sind. Zur Lagerung der Welle sind zwei Lagerkörper vorgesehen, von welchen der eine als im Kopfteil axial verschiebbarer Stempel und der andere als im Zwischenstück eingeschraubter Bolzen, der durch eine sich auf die Stirnseite des Ansatzes abstützende Gegenmutter gesichert ist, ausgebildet sind. Der Stempel und der Bolzen sind mit je einer Lagerpfanne für an beiden Enden der Welle axial angebrachte Lagerstifte versehen.
Im Innern des Gehäusekörpers dieses bekannten Gerätes ist ein drehbar gelagerter Geber angeordnet, der nach Art eines Differentialdrehkondensators, insbesondere eines Schmetterlingsdrehkondensators, ausgebildet ist. Der Drehkondensator weist zwei Statorpakete sowie ein Rotorpaket auf. Jedes Statorpaket weist eine Anzahl Statorplatten auf, für welche je ein Träger in der Form eines Ausschnittes eines zylindrischen Rohres vorgesehen ist. Der Träger geht am einen Ende des Statorpaketes in einen verstärkten Bodenteil über. Mittels Schrauben und Isolierbeilagen sind beide Statorpakete an ihren Bodenteilen am Zwischenstück isoliert befestigt.
Die am Flansch angenieteten ebenen Flügel liegen bei diesem bekannten Gerät flach nebeneinander an der Stirnfläche des Rotors. Dies hat zur Folge, dass zwischen den benachbarten Flügeln des Flügelrades Spalte vorhanden sind, durch welche das zu messende Gas durchströmen kann, ohne auf die Flügel des Flügelrades einzuwirken. Dies vermindert den Wirkungsgrad dieses Anemometers, was sich insbesondere bei Messungen von kleinen Mengen des strömenden Gases in nachteiliger Weise auswirkt.
Zwischen der Innenwand der Umhüllung und den äusseren Kanten der einzelnen Flügel ist stets ein Spalt vorhanden. Die Form der Begrenzungskante eines Flügels wird bei den bekannten Flügelrädern aus herstellungstechnischen Gründen meistens möglichst einfach gewählt. Dies hat zur Folge, dass diese Begrenzungskanten der Form der Innenwand nur ungenügend folgen und der genannte Spalt ist daher ungleich breit. Beim Entwurf des Flügelrades wählt man lediglich einen minimalen Sicherheitsabstand derjenigen Stelle der Begrenzungskante, die am nächsten an der Leitungsinnenwand liegt, damit der Flügel an der Innenwand nicht streift. Die übrigen Stellen der Begrenzungskurve weisen in der Folge grössere Abstände von der Innenwand auf.
Der Umriss des Flügelrades ist dann zwar im Grunde genommen kreisförmig, er weist jedoch zugleich Stellen auf, die von der Innenwand der Umhüllung mehr entfernt sind, als dies aus den genannten Sicherheitsgründen gefordert wird. An diesen Stellen strömt das Gas am Flügelrad vorbei, ohne auf seine Flügel einzuwirken. Diese Verluste an Einwirkung des Gases auf die Flügel des Flügelrades vermindern weiter den Wirkungsgrad des Flügelrades bei den bekannten Anemometern.
Es kommt auch eine gewisse Bremsung des Rotors des Anemometers vor, und zwar durch Kräfte, die zwischen den Platten des kapazitiven Drehzahlgebers auftreten. Diese Bremsung wirkt sich ebenfalls besonders bei der Messung von kleinen Gasmengen in nachteiliger Weise aus.
Beim erfindungsgemässen Anemometer sind die Flügel des Flügelrades in Achsrichtung desselben gesehen derart angeordnet, dass sie sich überlappen und dass die äusseren Begrenzungskanten der Flügel in gleicher Richtung gesehen einen Kreis bilden.
Nachstehend wird ein Beispiel des erfindungsgemässen Anemometers anhand der beiligenden Zeichnung näher dargelegt. Es zeigt:
Fig. 1 teilweise im Längsschnitt ein Beispiel des erfindungsgemässen Flügelrad-Anemometers,
Fig. 2 der Schnitt des Anemometers auf Fig. 1 nach der Linie I-I,
Fig. 3 einen Flügel des Flügelrades des Anemometers aus Fig. 1,
Fig. 4 die Nabe des Flügelrades in Seitenansicht,
Fig. 5 die Rückansicht der Nabe nach Fig. 4,
Fig. 6 teilweise im Längsschnitt der walzenförmigen Geber des Anemometers und
Fig. 7 die Rückansicht des Gebers nach Fig. 6.
Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Flügelrad-Anemometer ist in einer Rohrleitung 1 untergebracht, durch welche das zu messende gasförmige Medium geleitet wird. Das Anemometer ist mittels vier Stützen 2 in der Mitte der Rohrleitung 1 gehalten.
Das Anemometer weist einen Körper 3 auf, in welchem eine Welle 4 gelagert ist, z. B. mittels reibungsarmen Kugellagern 5. Das vordere Ende der Welle 4, das dem Körper 3 vorsteht, trägt ein Flügelrad 6. Das hintere Ende der Welle 4 trägt einen walzenförmigen Geber 7. An das hintere Ende des Körpers 3 schliesst sich ein sich verjüngendes Anschlussstück 8 an.
Das Flügelrad 6 weist eine Nabe 9 sowie eine Anzahl von Flügeln 10 auf. Jeder Flügel 10 (Fig. 3) besteht aus einer Wurzel 11 und aus einem sich an die Wurzel anschliessenden Blatt. Das Flügelblatt ist breiter als die Wurzel 11 ausgeführt, sodass es zwei Randpartien 13 und 14 besitzt, die sich über die Enden der Wurzel 11 hinaus erstrecken. Der Flügel 10 weist ferner eine äussere Begrenzungskante 12 auf, welche den Flügel 10 an den äusseren Seiten begrenzt und die beiden seitlichen Blattpartien 13, 14 verbindet.
Die Nabe 9 (Fig. 4) ist stromlinienförmig und weist Einschnitte 15, 15', 15" usw. auf, die schräg zur Achsrichtung der Nabe 9 ausgeführt sind. Fig. 5 zeigt die Lage der Einschnitte 15, 15', 15" usw. an der Rückseite der Nabe 9. Die Einschnitte 15, 15', 15" usw.
sind zur Aufnahme der Wurzelpartien 11 der Flügel 10, 10', 10" usw. bestimmt.
Aus der Ausführung der Einschnitte 15, 15', 15", wie sie in Fig. 5 dargestellt sind, ergibt sich, dass das vordere Ende eines der Einschnitte, z. B. des Einschnittes 15, dem hinteren Ende des benachbarten Einschnittes 15' vorsteht. Wenn die Flügel 10, 10', 10" usw. in die Einschnitte eingesetzt werden, wird sich jeweils auch die vordere Blattpartie 13 eines Flügels, z. B. des Flügels 10, mit der hinteren Blattpartie 14' des benachbarten Flügels 10' überdecken. Bei einer derartigen Ausführung des Flügelrades kann kein Gas zwischen den Flügeln 10, 10', 10" usw. durchströmen, ohne dabei auf die Flügel einzuwirken. Daraus ergeben sich Bedingungen zur wesentlichen Verbesserung des Wirkungsgrades des Flügelrad-Anemometers. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades beim Flügelrad-Anemometer wird durch eine geeignete Form der äusseren Begrenzungskanten 12 bei den Flügeln 10 erzielt.
Jeder Flügel 10 ist entsprechend der Lage des Einschnittes in der Nabe, schräg zur Achsrichtung der Welle 4, bzw. der Rohrleitung 1 angeordnet. Um die Fläche des Spaltes zwischen der Leitungsinnenwand und dem Umriss des Flügelrades zu vermindern, müssen die Begrenzungskanten in der Projektion der Form der Leitungsinnenwand folgen.
Unter Berücksichtigung aller dieser Umstände kann man der Begrenzungskante 12 eine derartige Form geben, dass die Begrenzungskanten 12, 12' usw. der Flügel 10, 10' usw. an einem Kreis liegen. Die dazu geeignete Form der äusseren Begrenzungskante 12 ist in Fig. 3 wiedergegeben.
Durch diese konstruktiven Massnahmen am Flügelrad wird die Durchflussöffnung des Rohres 1 vom Flügelrad auf die optimalste Weise überdeckt und daraus ergeben sich die Bedingungen zur Erzielung eines recht guten Wirkungsgrades bei dem vorliegenden Flü- gelrad-Anemometer.
Die Nabe des Flügelrades 6 weist ferner eine zentrale Bohrung 16 auf, in welche das vordere Ende der Welle 4 eingesteckt ist. Die Rückseite der Nabe 9 ist mit einer Distanzscheibe 17 versehen.
Der walzenförmige Geber 7 ist im Einzelnen in Fig.
6 und 7 dargestellt. Der Geber 7 weist eine zentrale Bohrung 18 auf, mittels derer er mit der Welle 4 drehfest verbunden ist. Der Körper des Gebers 7 ist mit mindestens zwei radialen Schlitzen 19 ausgeführt. Falls mehrere radiale Schlitze 19 vorgesehen sind, müssen jeweils zwei von denselben miteinander fluchten, damit sie einen Pfad für eine Strahlung bilden. Dieser Geber 7 bildet nämlich einen Bestandteil eines Drehzahlum- formers, der nachstehend beschrieben wird.
Der Drehzahlumformer weist ausser dem genannten Geber 7 noch eine Strahlungsquelle 20 sowie einen Strahlungsabtaster 21 auf. Die Strahlungsquelle 20 ist in einer, z. B. oberen Stütze 2, des Anemometers und der Strahlungsabtaster 21 in der gegenüberliegenden Stütze untergebracht. Als Strahlungsquelle 20 können beispielsweise eine Leuchtdiode aus Galliumarsenid und als Strahlungsabtaster 21 ein Phototransistor verwendet werden. Diese zwei Elemente 20 und 21 sind mit ihren aktiven Flächen gegeneinander gerichtet und zwischen ihnen liegt der radial geschlitzte Teil des Gebers 7. Um die Elemente 20 und 21 richtig einstellen zu können, sind sie jweils in einer Distanzhülse 22 resp. 23 befestigt.
Die Distanzhülsen 22, 23 sind an seiner äusseren Seite jeweils mit einem Gewinde versehen, das mit entsprechendem Gewinde in der Innenwand der Stützen 2 eingreift. Die Stützen 2 sind dann gegen aussen mit Innensechskantschrauben 24 abgeschlossen.
Strömt ein Gas durch die Rohrleitung 1, versetzt es das Flügelrad 6 in Drehung. Da das Flügelrad 6 über die Welle 4 mit dem Geber 7 des Drehzahlumformers verbunden ist, ist die Drehzahl des Gebers 7 immer gleich der Drehzahl des Flügelrades 6. Die Ga-As-Diode 20 strahlt dabei eine Strahlung kontinuierlich ab, die gegen den Phototransistor 21 gerichtet ist. Zwischen der genannten Diode und dem Phototransistor liegt jedoch der geschlitzte Teil des Gebers 7, sodass die Strahlung während einer Zeiteinheit entsprechend der Drehzahl des Flügelrades sowie der Hälfte der Schlitzanzahl des Gebers unterbrochen wird. Die so erzeugten Strahlungsimpulse werden durch den Phototransistor 21 empfangen und in elektrische Impulse umgewandelt. Diese elektrischen Impulse werden dann in angeschlossenen elektronischen Schaltungskreisen ausgewertet, um die Drehzahl des Flügelrades festzustellen.