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Durchflußmesser für Gase und Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht sich
auf einen Durchflußmesser für Gase und Flüssigkeiten.
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Es ist eine Einrichtung zur Messung des Durchflusses nach dem Differenzdruckverfahren
bekannt, bei welcher der auf einen Meßkörper wirkende Differenzdruck über einen
Verstärker eine Kraft steuert, welche der durch den Differenzdruck hervorgerufenen
Kraft entgegenwirkt und das dem Differenzdruck entgegenwirkende Kraftglied von einem
magnetischen Verstärker gespeist wird. Als Meßkörper dienen zwei fest miteinander
gekuppelte Wellrohrkörper, deren Zwischenraum mit einer Übertragerflüssigkeit gefüllt
ist, wobei das Verbindungsglied der beiden Wellrohrkörper den Fühler des magnetischen
Verstärkers steuert und die Übertragung der den zu messenden Differenzdruck kompensierenden
Kraft des elektromagnetischen Kraftgliedes ebenfalls durch das Verbindungsglied
der beiden Welfrohrkörper erfolgt.
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Bei dieser bekannten Einrichtung wird die die Druckdifferenz kompensierende,
durch einen Elektromagneten erzeugte Kraft mit dem Erregerstrom des Magneten gemessen.
Beim Erfindungsgegenstand dagegen wird die von diesem Magneten erzeugte Luftspaltfeldstärke
herangezogen, die mit einem besonderen Feldstärke-Meßgerät erfaßt wird. Bei der
bekannten Einrichtung sind zwei Ausführungsmöglichkeiten für den Magneten für die
Kompensationskraft genannt. Bei der einen Ausführung besteht genaue Proportionalität
zwischen dem elektrischen Strom J und mechanischer Kraft K und bei der anderen eine
weniger genaue, von den Hystereseeigenschaften des ferromagnetischen Kernes und
Ankers des Elektromagneten beeinträchtigte quadratische Beziehung K~J2. Gegenüber
der ersten Ausführungsform wird durch den Erfindungsgegenstand eine lineare Strömungsgeschwindigkeitsanzeige
erreicht. Gegenüber der zweiten Ausführungsform ergibt sich durch den Erfindungsgegenstand
eine größere Meßgenauigkeit.
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Die bekannte Einrichtung ist auf Proportionalität zwischen H und J
angewiesen. Durch die Hysterese des Kernmaterials besteht aber ein Feldunterschied
bei steigenden und fallenden Stromwerten, der sich wie ein Reibungsfehler auswirkt,
so daß ansteigende Meßwerte zu hoch und fallende zu niedrig angezeigt werden.
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Es ist bekannt, Strömungsgeschwindigkeiten mit Venturirohren oder
Rohrblenden an Hand der an diesen Stellen entstehenden Druckdifferenz a p zu messen.
Ein Nachteil derartiger Meßeinrichtungen ist der enge Meßbereich, der sich wegen
des mit dem Quadrat der Geschwindigkeit ändernden Druckgefäl-
les ergibt. Bei einem
Strömungsmeßbereich, dessen Grenzwerte sich wie 1:3 verhalten, verhalten sich die
zu messenden Kräfte oder Drücke wie 1: 9, so daß bei einer Meßgenauigkeit bis auf
1 ovo der größten vorkommenden Kraft dieMeßunsicherheit an der unteren Meßbereichgrenze
bereits auf ge/o gestiegen ist.
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Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß die Strömungsgeschwindigkeit
v über Venturirohr oder Staudüse in eine v2 proportionale Druckdifferenz X p übergeführt
wird, diese über einen Membrankolben oder Gleitkolben in eine zlp p proportionale
mechanische Kraft K, diese über einen kontaktgesteuerten oder auf andere Weise von
der Lage des Kolbens abhängig gesteuerten Stromkreis in Übereinstimmung oder Gleichgewicht
mit der Zugkraft Krii eines Elektromagneten gebracht wird und daß die yk proportionale
magnetische Feldstärke H im Luftspalt dieses Elektromagneten mit an sich bekannten
Magnetfeldmessern gemessen wird, so daß H proportional v angezeigt wird. Einer weiteren
Ausgestaltung entsprechend ist die magnetische FeldstärkeH nach dem an sich bekannten
Prinzip des Kernresonanzmagnetfeldmessers oder dem eines mechanischen Resonanzschwingers
in eine ihr proportionale Frequenz eines Wechselstromes oder einer Wechselspannung
übergeführt, wobei dieser bzw. diese gemessen wird. Zweckmäßig werden die Perioden
der Frequenz f in einem Zähler gezählt, so daß das Zählergebnis der während der
Zähldauer durchgeströmten Menge proportional ist.
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Da sich Reibungskräfte an einem Membrankolben und bei der Steuerung
des Elektromagneten auf
Gleichgewicht zwischen Druckkraft und magnetischer
Zugkraft vermeiden lassen und da die magnetische Zugkraft dem Quadrat der magnetischen
Feldstärke streng proportional ist, besteht bei einem Strömungsmesser nach der Erfindung
eine völlige Proportionalität zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der zu messenden
Feldstärke, so daß bei einer Messung auf 1 9/o der maximalen Strömungsgeschwindigkeit
genau der relative Meßfehler erst bei einem Neuntel des Maximalwertes auf 99/o ansteigen
würde. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Strömungsmessers besteht in der
linearen Anzeige, die sich bei der üblichen Druckmeßmethode über radizierende Getriebe
nur unvollkommen und mit erhöhter Meßunsicherheit infolge von Lagerreibung der Getriebehebel
erreichen läßt.
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Wie bereits oben ausgeführt, wird die Messung des magnetischen Feldes
mit solchen Magnetfeldmessern vorgenommen, die eine Meßfrequenz abgeben, die der
zu messenden Feldstärke proportional ist. Als solche kommen Magnetfeldmesser in
Frage, die nach dem Prinzip der magnetischen Kernresonanz arbeiten und eine Frequenz
liefern, die auf 10-4 genau oder besser der magnetischen Feldstärke proportional
sind, oder solche Magnetfeldmesser, die eine Dreh-oder Schwingspule geringer Richtkraft
am Meßort aufweisen, deren der Feldstärke proportionale Resonanzfrequenz gemessen
wird. Durch die Wechselwirkung von in der Dreh spule durch Schwingungen induzierter
Spannung und der durch elektrischen Strom bewirkten Drehmomente wirkt sich das Trägheitsmoment
der Drehspule im elektrischen Stromkreis wie eine Kapazität aus, die dem Quadrat
der magnetischen Feldstärke H umgekehrt und dem Trägheitsmoment direkt proportional
ist. Zusammen mit der Induktivität der Drehspule ergibt sich daher eine Resonanzfrequenz,
die der Feldstärke H proportional ist, unabhängig sogar von Temperatureinflüssen,
da sich die temperaturabhängige Dehnung der Dreh spule auf Induktivität und Kapazität
mit gleichen Beträgen, aber entgegengesetztem Vorzeichen auswirkt. Die Proportionalität
zwischen Feldstärke und Frequenz ist daher auch beim Resonanzschwinger auf etwa
10 - 4 genau erfüllt.
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Die Messung erfolgt entweder in einer Brückenschaltung unter Veränderung
der Speisefrequenz so lange, bis die in einem Brückenzweig liegende Drehspule sich
wie ein ohmscher Widerstand verhält, (Reihenresonanz) oder in einer Rückkopplungsschaltung
über einen Verstärker, durch die sich die Resonanzfrequenz des Drehspulsystems selbsttätig
erregt. Die durch die Richtkraft und das Trägheitsmoment bedingte mechanische Eigenfrequenz
des Drehspulsystems wird durch kleine Richtkraft klein gegen die kleinste Meßfrequenz
an der unteren Meßbereichgrenze gemacht. Ist sie 10mal kleiner als diese, so ist
die dadurch bedingte Abweichung des Proportionalitätsfaktors zwischen Feld und Frequenz
an der unteren Meßbereichsgrenze nur 1 °/o.
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Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
mit weiteren vorteilhaften Ausbildungen näher erläutert.
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Nach der Fig. 1 wird die in dem Venturirohr 1 zwischen den Anzapfstellen
2 und 3 auftretende Druckdifferenz auf eine Meßdose 4, auf beide Seiten der Membran
5 gegeben, die den pilzförmigen Anker 6 eines Elektromagneten 7 trägt, der in geeigneter
Weise in der Meßdose angeordnet ist. Der
Balgen 8 dient zur Abdichtung des Feldmeßraumes
im Elektromagneten 7 gegen den Druckraum, um auch Strömungsgeschwindigkeiten von
aggressiven Gasen und Flüssigkeiten messen zu können.
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Bei Gleichdruck in beiden Kammern 17. 18 der Meßdose 4 kommt ein
Kontakt 9 des Ankers 6 eben nicht zum Ansprechen mit einem weich federnden, durch
einen Anschlag 21 begrenzten Gegenkontakt 19. Bei dem kleinsten Überdruck in dem
Druckmeßraum 18 dagegen schließt dieser Kontakt 9 mit dem Kontakt 19 und schaltet
vorzugsweise über einen den Kontakt 9 elektrisch entlastenden Verstärker 10 den
Elektromagneten 7 ein. Die sich dadurch ausbildende magnetische Zugkraft öffnet
den Kontakt 9 immer wieder in rascher Folge wie bei einem Wagnerschen Hammer, und
der durch nicht dargestellte Glättungsglieder sich einstellende, nur wenig schwankende
mittlere Strom im Elektromagneten 7 hält den Anker 6 gegen die Druckkraft im Gleichgewicht
an der Schaltgrenze des Kontaktes 9.
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Da also auch der Luftspalt des Magneten 7 sich bei unterschiedlichen
Drücken und Feldstärken nicht ändert, ist die zweckmäßig am Ort größter Feldstärke
mit der Sonde 11 eines nicht weiter dargestellten Magnetfeldmessers im Luft spalt
20 (Feldmeßraum 16) in Spulenmitte gemessene Feldstärke der Wurzel aus der Kraft,
also der Strömungsgeschwindigkeit, proportional.
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Eine andere, besonders empfindliche Ausführungsform der Erfindung
zeigt Fig. 2, bei der der Anker 12 noch mit im Druckmeßraum 18 enthalten ist und
seine Fläche die wirksame Kolbenfläche vergrößert und bei welcher der feste Teil
des Elektromagneten aus zwei Teilen 14 und 15 besteht, die so geformt sind, daß
die beiden Luftspalte 22, 23 zum Anker 12 hin großen Querschnitt und der Luftspalt
20 im Feldmeßraum 16 kleinen Querschnitt hat, so daß mit verhältnismäßig großen
und daher leicht zu messenden Feldern im Feldmeßraum 16 nur kleine Felder im Ankerluftspalt
und damit kleine Kräfte entstehen und entsprechend kleine Druckdifferenzen zur Aussteuerung
ausreichen. Diese Wirkung läßt sich durch große Membranflächen noch fast beliebig
steigern. Die Teile 14, 15 des Elektromagneten können auch auf die Wandung der Meßdose
4 von außen aufgesetzt sein, so daß diese Wandung gewissermaßen durch den Luftspalt
22, 23 des Elektromagneten geht.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Strömungsmessers beruht
darin, daß sich die der Strömungsgeschwindigkeit proportionale Meßfrequenz, die
sich durch die Verwendung der Magnetfeldmesser ergibt, mit bekannten, vorzugsweise
elektronischen Zählern zählen läßt und man damit eine genaue digitale Anzeige der
im Zählzeitraum durchgeströmten Menge erhält.