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Vorrichtung zur Messung und/oder Summierung des Durchflusses eines
Strömungsmittels Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchflußmessung von
Strömungsmitteln und zur Summierung der Durchflußgrößen, um die gesamte Strömungsmittelmenge
anzuzeigen, die einem vorgegebenen Zeitabschnitt abgeströmt ist.
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Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind 13 rennstoffzufuhrvorrichtungen
für Flugzeuge, bei denen es für den Piloten überaus wichtig ist, zu jeder Zeit zu
wissen, ob die Brennstoffeinspeisung jedes Flugmotors noch einwandfrei arbeitet,
und wie groß der bisherige Gesamt-Brennstoffverbrauch bzw. der noch in den Tanks
verbliebene Brennstoffrest ist.
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Die vorliegende Erfindung bringt zahlreiche Verbesserungen für solche
Meßgeräte.
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Bekannte, auf elektrischem Wege arbeitende Durchfluß messer verwenden
entweder einen entgegen der Kraft einer Ausgleichsfeder von der durchströmenden
Flüssigkeit abgelenkten Flügel, eine von der Flüssigkeit angetriebene Turbine oder
eine auf Differentialdruck ansprechende Vorrichtung od. dgl., welche den Durchfluß
in mechanischer Bewegung umwandelt, und einen elektrischen Signalerzeuger, welcher
durch Widerstandsänderung oder auf induktivem oder kapazitativem Wege die Bewegung
in ein elektrisches Signal umwandelt, welches dann zu einem ferngelegenen Anzeigeorgan
übertragen wird. Ein Maß für die gesamte in einer bestimmten Zeitperiode übertragenen
Flüssigkeitsmenge kann dann durch Integration oder Summenbildung der einzelnen Durchflußgrößen
mit Hilfe eines Motor- oder Summenzählers erzielt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung und/oder Summierung
des Durchflusses eines Strömungsmittels verwendet einen Motor mit veränderlicher
Drehzahl und eine Anordnung (z. B. einen Tachometergenerator), welche ein der Umlaufgeschwindigkeit
des Motors proportionales Rückkopplungssignal erzeugt, wobei der Motor durch ein
Differenzsignal betätigt wird, welches der algebraischen Summe des vom Durchflußmesser
gelieferten Durchfluß signals und des Rückkopplungssignals entspricht.
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Bei automatischen Reglersystemen ist es bekannt, durch Einführung
eines Tachometersignals in den Erregungskreis des Motors die Proportionalität der
Steuerung wesentlich zu verbessern. Die erfindungsgemäß Verwendung eines solchen
Tachometersignals bei der Mengenmessung mit Hilfe eines elektrischen Signals ermöglicht
es, speziell für die Durchflußmessung eine Meßanordnung zu schaffen, die mit wesentlich
höherer Präzision und Maßhaltigkeit arbeitet als die bisher bekannten.
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Es sind bereits zahlreiche Anordnungen vorgeschlagen worden, um an
Stelle einer volumetrischen Durchflußmessung eine gravimetrische Durchfluß -messung
des Strömungsmittels zu erzielen. Dieses Erfordernis ist ebenfalls von ganz besonderer
Bedeutung bei der Bemessung von Flugbrennstoff, da sich die Dichte des flüssigen
Brennstoffes ganz beträchtlich in Abhängigkeit von der Art des Brennstoffes, der
Flughöhe und der Umgebungstemperatur ändert.
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Die Erfindung bringt eine verbesserte gravimetrische Meßanordnung,
die mit besonderem Vorteil in Verbindung mit der zuvor gekennzeichneten Durchfluß
messung verwendet werden kann.
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Einige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sollen jetzt
beispielsweise beschrieben werden, ohne daß sich die Erfindung auf diese Beispiele
beschränkt, und sind in den Zeichnungen dargestellt, in welchen Fig. 1 eine schematische
Gesamtdarstellung einer ersten Ausführungsform ist; Fig. 2 ist eine schematische
Teildarstellung einer anderen Ausführungsform ; Fig. 3 ist ein schematischer Schnitt
durch Ausführungsform nach der Fig. 2 und zeigt die verwendete densitometrische
Vorrichtung; Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 5 zeigt einen schematischen Schnitt durch diese weitere Ausführungsform; Fig.
6 zeigt eine Einzelheit der Fig. 5, von vorn gesehen.
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Die in der Fig. 1 gezeigte Fördermengemeßvorrichtung 11 besitzt einen
»Differentialdruckmotor« 13, der aus zwei aneinander anliegenden Balgen 14 und 16
be-
steht, die durch eine Platte 24 aneinander befestigt sind. Der
Balg 14 steht durch ein Rohr 17 mit dem Venturirohr 21 in Verbindung, das in der
Leitung 19 angeordnet ist, in welcher die Flüssigkeit fließt, deren Fördermenge
gemessen werden soll; der Balg 16 steht durch das Rohr 23 mit dem Hals des Venturirohres
in Verbindung. Wenn eine Flüssigkeit in der Leitung 19 fließt, so verschiebt sich
die Platte 24 unter dem Einfluß des Differentialdruckes, um in eine Lage zu kommen,
deren Abstand gegenüber der mittleren Lage bekanntlich der Quadratwurzel des Druckverlustes
im Venturirohr entspricht; da andererseits die Abflußgeschwindigkeit durch das Venturirohr
ebenfalls der Quadratwurzel des Druckverlustes entspricht, so sieht man, daß die
Verschiebungen der Platte 24 der Abflußgeschwindigkeit und infolgedessen der volumetrischen
Fördermenge der Flüssigkeit entsprechen wird. Eine nicht gezeichnete Rückzugsfeder
ist mit den Balgen verbunden, um zu gewährleisten, daß die Verschiebungen der Platte
in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit in einer geraden Linie stattfinden.
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Ein mit einer Verlängerung der Platte 24 fest verbundener Finger
25 greift zwischen die Schenkel einer Gabel, die sich auf der entgegengesetzten
Seite eines Zahnsektors 26 erstreckt, der auf einer auf einem feststehenden Halter28
angeordneten Achse 27 drehbar gelagert ist. Der Sektor 26 kämmt mit einem Triebrad
29, dessen Achse 30 entweder unmittelbar oder mittelbar durch Vermittlung einer
beliebigen, in der Zeichnung gestrichelt gezeigten Ubertragung die bewegliche Sekundärwicklung
32 eines veränderlichen Transformators33 antreibt, der als Signalerzeuger wirkt.
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Die feststehende Primärwicklung 34 wird in einer weiter unten erläuterten
Weise mit Wechselstrom gespeist.
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Die durch die Sekundärwicklung 32 abgegebene Spannung ist bekanntlich
gleich dem Produkt der Speisespannung der Primärwicklung multipliziert mit dem Kosinus
des Winkels zwischen den elektrischen Achsen der beiden Wicklungen. Wenn die Erregungsspannung
konstant ist, so ist daher die abgegebene Spannung eine Funktion des Winkelabstandes
der beweglichen Wicklung gegenüber einer Bezugsstellung.
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Dieses Signal kann somit zur Messung der volumetrischen Fördermenge
der Flüssigkeit dienen.
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Damit dieses Signal nun die Massenfördermenge der Fliissigkeit und
nicht deren Volumenmenge mißt, wird erfindungsgemäß ein Berichtigungsglied eingeschaltet,
durch welches das nicht immer notwendigerweise gleichbleibende spezifische Gewicht
der Flüssigkeit berücksichtigt wird. Zu diesem Zweck wird in dem dargestellten Ausführungsheispiel
ein elektrisches Densitometer oder Dichtenmesser 36 verwendet, das bzw. der in den
Speisestromkreis der Primärwicklung des Signalerzeugers 33 eingeschaltet ist.
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Dieser Dichtenmesser besitzt einen veränderlichen Widerstand, der
aus mehreren miteinander in Reihe geschalteten Elementarwiderständen 40 besteht,
die je genau fiir einen besonderen Wert der Flüssigkeitsdichte geeicht und über
eine Verbindungsleitung 37 mit der feststehenden Primärwicklung34 verbunden sind.
Diese Widerstände können durch miteinander verbundene, durch Schwimmer 42 betätigte
Schalter 44 einzeln ausgeschaltet werden. Diese Schwimmer, die in der Flüssigkeit,
deren Fördermenge gemessen wird, vollständig eingetaucht sind, werden so eingestellt,
daß sie nacheinander ihre höchste Stellung erreichen, für welche der betreffende
Schalter eingeschaltet ist, wenn die Werte des spezifischen Gewichtes mehr und mehr
steigen; auf diese Weise bleibt jeder
Schwimmer für einen besonderen Veränderungsbereich
des spezifischen Gewichtes wirksam. Wenn alle Schwimmer ihre tiefe Stellung einnehmen
(geringes spezifisches Gewicht), so sind alle Schalter ausge schaltet, und alle
Widerstände sind eingeschaltet; der Gesamtwiderstand hat dann seinen höchsten Wert.
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Wenn das spezifische Gewicht größer wird, was eine Folge einer Temperaturänderung
oder der Verwendung eines anderen Brennstoffes sein kann, so erreichen die Schwimmer
nacheinander ihre höchste Stellung, so daß der Gesamtwert des Widerstandes des Dichtenmessers
stufenweise abnimmt, bis sämtliche Schwimmer ihre höchste Stellung erreicht haben.
wodurch der Gesamtwiderstand auch seinen niedrigsten Wert erreicht.
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In der Zeichnung sind fünf Widerstände und fünf damit verbundene
Schwimmer dargestellt, aber es versteht sich von selbst, daß die Erfindung sich
keinesfalls auf diese Anzahl beschränkt, die nach Belieben geändert werden kann.
Beispielsweise kann erwähnt werden, daß die dargestellte Anordnung für einen flüssigen
Brennstoff verwendet wurde, dessen spezifisches Gewicht zwischen 0,660 und 0.870
schwanken kann, wobei der Wirkungsbereich der einzelnen Schwimmer einer Änderung
des spezifischen Gewichtes von 0,015 entspricht.
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Man sieht also, daß die Speisespannung der Primärwicklung 34 des
Signalerzeugers desto größer sein wird je größer das spezifische Gewicht der Fliissigkeit
selbst ist.
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Die Vorrichtung kann so geeicht werden, daß die durch die Sekundärwicklung
32 des Signalerzeugers 33 im wesentlichen dem Produkt aus der volumetrischen Fördermenge
und dem spezifischen Gewicht, d. h. der Massenfördermenge entspricht.
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Dieses Spannungssignal wird durch eine Leitung 48 der Ausgangswicklung
50 eines sogenannten »Geschwindigkeitsgenerators « 51 zugeführt, dessen Zweck weiter
unten angegeben wird. Alsdann gelangt dieses Signal noch über eine Verbindungsleitung
52 zum üblichen Verstärker 46. Das verstärkte Signal gelangt dann durch Vermittlung
eines einfachen Umkehrschalters 55, dessen Zweck ebenfalls weiter unten angegeben
wird, in die Wicklung mit veränderlicher Phase 56 eines umschaltbaren Zweiphasenmotors
mit veränderlicher Geschwindigkeit 58, dessen Wicklung mit fester Phase durch eine
Wechselstromquelle erregt wird. Die Geschwindigkeit des Motors 58 wird hinsichtlich
ihrer Richtung und ihrer Größe durch die Phase und die Höhe der verstärkten Spannung
bestimmt, die zur Speisung der Antriebswicklung 56 des genannten Motors dient, und
sie entspricht somit dem vom veränderlichen Transformator 32 erzeugten Signal.
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Der Motor 58 treibt den obenerwähnten Geschwindigkeitsgenerator 51
unmittelbar durch eine Übertragung mit dem Übertragungsverhältnis 1 an, die durch
die gestrichelte Linie 60 dargestellt ist. Die Wicklung mit fester Phase 62 des
Generators wird ständig durch einen Wechselstrom erregt. Wenn der Generator durch
den Motor angetrieben wird, so erzeugt er in der Wicklung 50 ein Signal, das der
Geschwindigkeit des Generators und infolgedessen auch des Motors 58 entspricht,
und dessen Phase der Phase des durch den veränderlicheI1 Transformator 33 unmittelbar
gelieferten Spannungssignals entgegengesetzt ist; die Größe dieses Signals wird
somit von derjenigen des direkten Signals abgezogen. Die Einstellung ist eine solche,
daß das Geschwindigkeitssignal hinsichtlich seines absoluten Wertes stets kleiner
als das direkte
Signal ist; das resultierende Signal ist dann gleich
ihrem Unterschied zuzüglich des Wertes des Signals und infolgedessen der Fördermenge.
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Falls die Fördermenge in der Leitung 19 größer wird, ohne daß sich
das spezifische Gewicht der Flüssigkeit ändert, so entfernt sich die Platte 24 von
ihrer mittleren Stellung, und die Wicklung 32 entfernt sich ebenfalls von ihrer
neutralen Lage; der Generator 33 liefert dann ein starkes augenblickliches Spannungssignal,
das sofort dem Motor 58 zugeführt wird und die Geschwindigkeit dieses Motors erhöht.
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Dieses ergibt jedoch eine gleichzeitige Erhöhung der Geschwindigkeit
des Generators 51 und infolgedessen des Rückfolgesignals, so daß das dem Motor zugeführte
Antriebsdifferentialsignal abnimmt und bestrebt ist, die Geschwindigkeit des Motors
zu verringern, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, der der neuen Stellung
der Platte 24 entspricht. Wenn sich die Fördermenge auf ihren neuen erhöhten Wert
stabilisiert hat, so ist das Steuersignal größer als bei der vorhergehenden Fördermenge,
und die Geschwindigkeit des l ! Motors hat ebenfalls zugenommen. Das Steuersignal
und die Geschwindigkeit des Motors 58 sind jederzeit im wesentlichen der Fördermenge
der Flüssigkeit proportional.
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Der Motor 58 treibt durch Vermittlung einer magnetischen Rutschkupplung
65 oder einer sonstigen gleichwertigen Vorrichtung eine Nadel 70, die sich vor einer
Skala 71 bewegt, die in Einheiten der Massenfördermenge passend geeicht ist. Beispielsweise
besteht die dargestellte Rutschkupplung 65 aus einer Magnetscheibe oder einem Magnetstab
67, die bzw. der sich in einer Schale 68 dreht. Die Drehung des Magneten 67 erzeugt
Wirbelströme in der Schale, die sich daher entgegen einer Spiralfeder 69 verschiebt.
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Die Vorrichtung kann ebenfalls die Flüssigkeitsmasse anzeigen, die
in jedem in Betracht kommenden Augenblick durch die Leitung 19 geflossen ist. Hierzu
genügt es, die Massenfördermenge auf das Zeitintervall zu integrieren, das der Dauer
des Durchflusses entspricht. Da sich der Motor 58 stets in derselben Richtung dreht,
solange der Durchfluß stattfindet, so genügt es, die Drehzahl des Motors zu zählen.
Zu diesem Zweck kann der Motor mittels bei 64 punktiert dargestellten Reduziergetriebes
einen nicht dargestellten und einfach durch eine Schautafel angegebenen Tourenzähler
antreiben. Diese Tafel ist mit 63 bezeichnet. Es genügt, die Getriebeverhältnisse
zweckmäßig zu wählen, um diesen Zähler in gewählten Masseneinheiten eichen zu können.
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Andererseits kann der Zähler 63 oder ein sonstiger beigeordneter
Zähler dazu dienen, die Flüssigkeitsmenge anzuzeigen, die noch in dem Behälter oder
in den Behältern zur Verfügung steht. Hierzu genügt es, die anfängliche Flüssigkeitsmenge
im Zähler zu registrieren und diesen so anzuordnen, daß die aufeinanderfolgenden
Drehungen des Motors 58 von der so registrierten Zahl diejenigen Massen abziehen,
die nacheinander verbraucht worden sind. Bei der Verwendung der Vorrichtung zur
Messung des Brennstoffverbrauches in einem Flugzeug ist es somit möglich, die in
den Behältern noch bleibende Brennstoffmasse jederzeit unmittelbar abzulesen.
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Der Umkehrschalter 55 ermöglicht es, die Drehrichtung des Motors
58 umzukehren, um den Zähler 63 auf Null zurückzustellen. Bei der in der Zeichnung
dargestellten Stellung des Umkehrschalters ist nämlich die Steuerwicklung des Motors
58 mit dem Ausgang des Verstärkers 46 verbunden, um den Motor in einer bestimmten
Richtung anzutreiben, für welche
die Angaben des Zählers z: B. zunehmen. Um den Zähler
auf Null zurückzustellen, verbindet man die Steuerwicklung 56 mit der Wechselstromqùelle,
die die Wicklung mit der festen Phase 59 speist; der Motor dreht sich dann in der
entgegengesetzten Richtung, bis der Zähler auf Null zurückgestellt worden ist.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform derin Fig. 1 dargestellten
Anordnung können der Motor 58 und der Generator 51 anstatt sowohl den Summenzähler63
als auch über die Schleppkupplung 65 den Durchflußanzeiger 70 anzutreiben, so angeordnet
werden, daß sie nur den Zähler 63 antreiben, während der Durchflußanzeiger 70 über
einen ein NachlaufdrehfeIdsystem und einen Verstärker aufweisenden Parallelkreis
von einem gesonderten Motor angetrieben wird, welcher ebenfalls von dem auf den
Flüssigkeitsstrom ansprechenden Signalgenerator 33 erregt wird.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen eine andere Ausführungsform der densitometrischen
Berichtigungsvorrichtung 36, die in den Speisestromkreis für den Signalerzeuger
33 der Fig. 1 eingeschaltet werden kann.
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In der Fig. 2 ist die Primärwicklung 34 des veränderlichen Transformators
33 mit dem Läufer 73 eines zweiten veränderlichen Transformators oder Signalerzeugers
74 in Reihe geschaltet, dessen Ständer 75 über die Sekundärwicklung 76 eines Leistungsumformers
durch Vermittlung eines Leistungsumformers 78 mit Wechselstrom gespeist wird. Der
veränderliche Transformator 74 gehört zu einer in der Fig. 3 dargestellten densitometrischen
Vorrichtung 80.
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Dieser Dichtemesser 80 besitzt ein Gegengewicht oder einen Schwimmer
81, das bzw. der auf einem Arm 82 sitzt, der an einem auf einer Welle 84 aufgekeilten
Halbring 83 befestigt ist, wobei alles in einem an der Leitung 19 anliegenden und
mit Ein- und Ausgangsöffnungen 87 bzw. 88 versehenen Gehäuse 86 liegt; durch den
Gehäuseraum 86 fließt somit ständig mit einer sehr geringen Geschwindigkeit ein
Teil der in der Leitung fließenden Flüssigkeit, von welcher Muster durch eine jetzt
zu beschreibende Vorrichtung entnommen werden können.
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Der Schwimmer 81 ist in der Flüssigkeit vollständig eingetaucht,
so daß sich sein scheinbares Gewicht mit dem spezifischen Gewicht der Flüssigkeit
ändert. Die Achse 84 wird durch eine Spiralfeder 89 derart beeinflußt, daß der Drehungswinkel
der Achse dem spezifischen Gewicht entspricht. Diese Drehung wird auf den Läufer73
des veränderlichen Transformators oder Signalerzeugers 74 mittels einer magnetischen
Übertragung 90 übertragen, die aus einem ringförmigen Magnet 91 besteht, der auf
der Achse aufgekeilt ist und in welchem sich eine Magnetscheibe 92 dreht, die auf
der Achse 93 des Läufers des Generators 74 aufgekeilt ist, wobei die Scheibe von
dem Ring durch eine nichtmagnetische Abschirmung 95 getrennt wird; diese Abschirmung95
dient gleichzeitig dazu, das Gehäuse 86 von dem den Generator 74 enthaltenden Gehäuse
96 in dichter Weise zu trennen, wobei das letztgenannte Gehäuse flüssigkeitsieer
ist.
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Jede Änderung des spezifischen Gewichtes der Flüssigkeit hat eine
Verschiebung des Schwimmers 81 und eine Drehung der Achse 84 und der Wicklung 73
zur Folge; die vom Generator 74 der Primärwicklung 34 des Generators 35 gelieferte
Spannung ist somit eine Funktion des spezifischen Gewichtes, so daß es möglich ist,
zu demselben Ergebnis zu gelangen wie dasjenige, das bei der Ausführungsform nach
Fig. 1 dank dem Dichtemesser mit Widerständen. 36 erhalten
worden
ist, aber im vorliegenden Fall ändert sich das Berichtigungssignal offenbar nicht
mehr stufenweise, sondern kontinuierlich.
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Die Fig. 4, 5 und 6 beziehen sich auf eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher der gleiche Dichtemesser wie bei den Fig. 2 und 3 verwendet
wird; diese andere Ausführungsform unterscheidet sich von denjenigen der Fig. l
einerseits und der Fig. 2 und 3 andererseits durch die für die volumetrische Fördermenge
empfindliche und die zur Erzeugung der Signale verwendete Vorrichtung.
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Die gegen die volumetrische Fördermenge empfindliche Vorrichtung
ist hier eine sogenannte Vorrichtung »ohne Druckverlust«, die aus einer Flügelschraube
oder aus einem Flügelrad 98 besteht, die bzw. das in der Leitung 19 (Fig. 5) angeordnet
ist. Die Flügelschraube 98 wird durch den Flüssigkeitsstrom gedreht und treibt den
Anker eines Geschwindigkeitssignalerzeugers 99 an, der in der Verlängerung der Flügelschraubenachse
angeordnet ist. Dieser Signalerzeuger (Fig. 4) besteht aus einer Eingangswicklung
100 und einer veränderlichen Ausgangswicklung 102. Die Eingangswicklung 100 wird
durch Vermittlung der beweglichen Wicklung 73 des Generators 74 mittels des Leistungsumwandlers
78 gespeist. Das durch die veränderliche Wicklung 102 des Geschwindigkeitsgenerators
99 gelieferte Signal ist dem Produkt aus Speisespannung der Wicklung 100 und der
Winkelgeschwindigkeit der Flügelschraube 98 proportional.
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Ist n die Winkelgeschwindigkeit der Flügelschraube, so kann man nämlich
für die volumetrische Fördermenge der Geschwindigkeit: Qv = kn schreiben, wo k eine
Konstante ist. Die Massenfördermenge Qm ist gleich dem Produkt aus der volumetrischen
Fördermenge und dem spezifischen Gewichtp der Flüssigkeit; man darf daher schreiben:
Qm = kpn.
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Der durch die Flügelschrauben angetriebene Anker des Geschwindigkeitssignalgenerators
99 liefert der Ausgangswicklung 102 eine Spannung, die der Geschwindigkeit dieses
Ankers und somit der volumetrischen Fördermenge entspricht, aber da die Speisespannung
der Eingangswicklung 100 des Generators 99 dem spezifischen Gewicht der Flüssigkeit
proportional ist, so ist die durch die Wicklung 102 gelieferte, dem Produkt der
beiden vorigen Spannungen entsprechende Spannung auf diese Weise der Massenfördermenge
proportional.
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PATENTANSPROCRE: 1. Vorrichtung zur Messung und/oder Summierung des
Durchflusses eines Strömungsmittels unter Verwendung von durch das Strömungsmittel
betätigten Signalerzeugern, die ein elektrisches, der Durchfluß geschwindigkeit
entsprechendes Signal liefern, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Motors
(58) mit einer veränderlichen Drehzahl und einer Anordnung (60, 51, 50), die ein
der Umlaufgeschwindigkeit des Motors entsprechendes Rückkopplungssignal erzeugt,
wobei der Motor durch ein Differenzsignal betätigt wird, welches der algebraischen
Summe des Durchflußsignals und des Rückkopplungssignals entspricht.