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Strömungsmesser für in offenen Rinnen oder Kanälen fließende Medien
Für die Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und Durchflußmengen in Rinnen und
offenen Kanälen ist es bekannt, einen sogenannten Venturikanal anzulegen. Diese
Meßmethode erfordert größere bauliche Maßnahmen und ist vor allem dort nicht anwendbar,
wo der Meßort in kurzer Zeit verlegt werden soll.
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Bekannt ist es auch, die Strömung in Kanälen mit einer in das zu
messende Medium eintauchenden Schaufel zu messen, deren Schwenkung in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit mechanisch auf einen Schreiber übertragen wird.
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Ein weiteres bekanntes Meßverfahren nutzt das Gefälle einer Strömung
aus, das als Maß für die Geschwindigkeit dienen kann. Dieses Gefälle wird mit Hilfe
von zwei Schwimmern gemessen und angezeigt.
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Die Eichung des Meßgerätes kann nur empirisch erfolgen. Außerdem werden
grobe Meßfehler durch Anderung der Viskosität des Mediums und durch Ablagerungen
oder Erosionserscheinungen in der Rinne verursacht.
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Für die Messung von Strömungen in offenen Rinnen hat man auch bereits
Schaufelräder verwendet, deren Schaufeln zusammen mit feststehenden Seitenwänden
Meßkammern bilden. Diese Schaufelräder sind so tief innerhalb der Strömung gelagert,
daß dieMeßkammem bei der Rotation ganz mit Flüssigkeit gefüllt werden.
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Man geht dabei von der Voraussetzung aus, daß praktisch fast keine
Flüssigkeit zwischen den Schaufelkanten und den feststehenden Seitenwänden hindurchtreten
kann. Die Durchflußmenge ergibt sich aus der Zahl der Kammerfüllungen und damit
der Anzahl der Umdrehungen des Schaufelrades. Diese Meßeinrichtung ist für Flüssigkeiten,
die Fremdstoffe mitführen, insbesondere Abwässer, nicht geeignet.
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Auf dem Gebiet der Wasserdurchflußzähler gibt es verschiedene Konstruktionen,
die turbinenähnliche Schaufelräder aufweisen. Eine Sonderausführung für die Durchflußmessung
von Säuren, Laugen od. dgl. besitzt ein Schaufelrad, dessen Schaufeln auf einem
gegen die Meßflüssigkeit abgedichteten Hohlzylinder angebracht sind. Innerhalb dieses
Hohlzylinders ist das Zählwerk angeordnet. Auf diese Weise wird eine flüssigkeitsdichte
Durchführung vermieden.
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Bekannt ist es ferner, die Schaufeln eines Flügelrades für Wassermesser
auf einem mit Kork gefüllten Hohlzylinder anzubringen. Auf diese Weise sollen die
Lager des um eine vertikale Achse rotierenden Systems druckentlastet werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsmesser
für offene Rinnen oder Kanäle zu schaffen, der auch bei stark verschmutzten Flüssigkeiten,
insbesondere Abwässern,
einwandfrei arbeitet. Außerdem soll das Meßgerät sich den
verschiedenen Flüssigkeitsständen in der Meßstrecke anpassen. Das Gerät soll ohne
große bauliche Veränderungen an der Meßstelle eingesetzt werden können. Eine weitere
Aufgabe der Erfindung besteht darin, außer der Strömungsgeschwindigkeit auch die
Größe des Strömungsquerschnittes zu erfassen und aus beiden Größen die Durchflußmenge
zu ermitteln.
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Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser für in offenen Rinnen
oder Kanälen fließende Medien mit einem von der Strömung beaufschlagten rotierenden
System. Gemäß der Erfindung besteht dieses System aus einem horizontal gelagerten
Schwimmkörper, der in das Medium eintauchende Schaufeln besitzt, die so zwischen
Stirnflächen des rotierenden Systems angeordnet sind, daß beim Eintauchen der Flügel
in das Medium Luftkammern entstehen, deren Volumen sich bei der Drehung des Systems
ständig verändert.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels gemäß Fig.
1 bis 3 der Zeichnung erläutert.
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Fig. 1 stellt eine Seitenansicht des rotierenden Systems dar; Fig.
2 zeigt eine Draufsicht, während Fig. 3 die gesamte Meßstrecke veranschaulicht.
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Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Das um die Welle 1 rotierende System weist einen Hohlzylinder 2 auf,
der mit Hohlschaufeln 3 symmetrisch bestückt ist. An den Seiten sind Stirnflächen
4 und 5 vorgesehen, die gegen die Schaufelkanten abgedichtet sind. Ein Teil der
Stirnfläche 4 ist entlang dem Schnitt A-B entfernt. Hierdurch wird die Innenseite
der hinteren Stirnfläche 5 sichtbar. Beim Eintauchen in die Flüssigkeit entstehen
zwischen je zwei
Schaufeln und den zugehörigen Sektoren der Stirnflächen
Luftkammern, die einen zusätzlichen Auftrieb bewirken. Der Auftrieb wird weiterhin
vergrößert durch die in den Hohlschaufeln eingeschlossene Luft.
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Das rotierende System erhält so viel 4uftrieb, daß die Wasserlinie
6 etwa bis zum unteren Rand des inneren Hohlzylinders 2 reicht.
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Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß das rotierende System in einer Gabel
oder einem Schwenkarm 7 aufgehängt ist, in deren Enden 8 ünd 9 die Welle 1 gelagert
ist.
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Die durchbrochene Linie 10 deutet eine biegsame Welle an, mit deren
Hilfe die Drehung des Systems zu einem in Fig.3 dargestellten Geber übertragen wird.
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In Fig. 3 ist die Meßstrecke, ein offener Kanal, mit 11 bezeichnet.
Das linke Ende der Gabel 7 ist an einer Welle 12 befestigt, die von den Lagern 13
und 14 gehalten wird. Bei Anderung des Flüssigkeitsstandes führen die Gabel 7 und
die Welle 12 eine Winkel-Schwenkbewegung aus. Die Drehbewegung der Welle 12 kann
zur Messung des Flüssigkeitsstandes benutzt werden, indem man den Abgriff eines
Potentiometers 15 mit der Welle kuppelt. Eventuell kann zwischen Welle und Potentiometer
eine Obersetzung eingeschaltet werden, um zu genügend großen Winkelausschlägen zu
gelangen. Mit 16 ist ein Impulsgeber bezeichnet, der die Drehung der biegsamen Welle
10 in elektrische Impulse umwandelt. Dieser Impulsgeber kann beispielsweise aus
einer von der biegsamen Welle angetriebenen Sektorenscheibe und einer lichtelektrischen,
induktiven oder kapazitiven Abtastvorrichtung bestehen, die pro Umdrehung der Scheibe
einen oder mehrere Impulse liefert. Diese Impulse können auf einen Mittelwertschreiber
gegeben werden, der beispielsweise in Abständen von 3 Minuten Ordinatenlinien aufzeichnet,
deren Länge der Impulszahl in der Periode und damit der Strömungsgeschwindigkeit
proportional ist. Das Potentiometer 15 wird entsprechend dem Flüssigkeitsstand in
der Meßstrecke verstellt. Dieses Potentiometer kann daher einen zweiten Schreiber
aussteuern, der zur Registrierung des jeweiligen Flüssigkeitsstandes dient. Falls
der Kanal an der Meßstelle genau rechteckigen Querschnitt hat, ist der jeweilige
Strömungsquerschnitt dem am Potentiometer abgreifbaren elektrischen Wert proportional.
Normalerweise wird jedoch der Kanal einen trapezförmigen oder einen nicht durch
gerade Strecken begrenzten Querschnitt haben. Wenn man nun die Durchflußmenge ermitteln
will, ist außer der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der jeweilige Strömungsquerschnitt
zu ermitteln. Da dieser Strömungsquerschnitt in den meisten Fällen nicht linear
mit dem Füllstand wächst, kann die Wicklung des Potentiometers 15 empirisch so ausgelegt
werden, daß der an ihm abgreifbare Widerstand nicht dem Flüssigkeitsstand sondern
dem jeweiligen Strömungsquerschnitt proportional ist. Man erhält dann die Durchflußmenge
Q aus dem jeweiligen Strömungsquerschnitt F und der mittleren Geschwindigkeit vm
nach der Formel: Q = F Vm.
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Wenn man ein kombiniertes Registriergerät benutzt, das sowohl einen
Mittelwertschreiber als auch einen Linienschreiber mit Drehspul- oder T-Spul-Meßwerk
besitzt, kann man auf einem gemeinsamen Papierstreifen nebeneinander die Geschwindigkeitsordinaten
und die Füllstandslinie oder die Kurve des Strömungsquerschnittes auftragen. Aus
den zugehörigen Ordinaten kann man mit einem Ableselineal
durch Multiplikation die
Durchflußmenge zu beliebigen Zeitpunkten ermitteln.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erhält man eine
direkte Anzeige und/oder Registrierung der Durchflußmenge dadurch, daß man die Impulse
des Gebers 16 mit Hilfe einer Integrationsschaltung in eine der Impulszahl und damit
der Strömungsgeschwindigkeit proportionale elektrische Größe umwandelt und diese
Größe mit einem elektrodynamischen Meßwerk mit der am Potentiometer 15 abgreifbaren
elektrischen Größe multipliziert. In diesem Falle ist es zweckmäßig, einen Geber
zu verwenden, der eine relativ große Impulszahl liefert. Man kann aber auch mit
der biegsamen Welle 10 eine kleine Tachodynamomaschine antreiben, die direkt eine
drehzahlproportionale elektrische Größe liefert.
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Ein solcher Drehzahlgeber erfordert zwar ein höheres Drehmoment als
ein lichtelektrischer, induktiver oder kapazitiver Geber, jedoch ist hierdurch keine
Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit zu erwarten, da das rotierende System aus strömungstechnischen
Gründen ohnehin so groß sein muß, daß es durch das übertragene Drehmoment kaum abgebremst
wird.
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Da die gesamte Meßeinrichtung der Witterung ausgesetzt ist und die
zu messende Strömung chemisch aggressive Flüssigkeiten enthalten kann, ist es zweckmäßig,
das gesamte rotierende System und auch die Aufhängegabel aus einem gegen chemische
Einflüsse resistenten Kunststoff herzustellen. Das rotierende System weist keine
scharfen Kanten oder Ecken auf, so daß die Gefahr gering ist, daß sich Schmutzteile
in ihm festsetzen. Die Verschmutzung wird insbesondere dadurch verhindert, daß sich
beim Eintauchen der Schaufeln in die Flüssigkeit in ihrer Form und Größe fortlaufend
verändernde Luftkammern bilden, die einer Wirbelbildung und damit einer Ablagerung
von groben Schmutzteilen zwischen den Schaufelflächen entgegenwirken.