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Gerät und Verfahren zum Messen des Massenflusses eines Strömungsmediums
Die Erfindung betrifft in erster Linie ein Gerdt zum Messen des Massenflusses eines
Strömungsmediums.
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Es sind Geräte bekannt, bei denen das Strömungsmedium einen ringförmigen
Kanal durchströmt, wobei ihm ein Drall erteilt wird. Die Reaktion (T) des durchgewirbelten
Strömungsmediums mißt man an Leitflächen ; anschließend an diese Messung erfolgt
die Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit (V) des Strömungsmediums. Man gibt diesen
-beiden Messungen entsprechende Signale in einen Rechner ein, welcher die Masse
(M) des Strömungsmediums pro Zeiteinheit dadurch errechnet, daß er die Reaktion
(T) durch die Rotationsgeschwindigkeit des Strömungsmediums teilt.
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Der Drall kann dem Strömungsmedium mithilfe eines motorgetriebenen
Rotors oder durch schräg angeordnete Leitflächen
erteilt werden.
Bei Verwendung von schräg angeordneten Leitflächen, wenn der Massenfluß des Strömungsmediums
und damit auch die lineare Geschwindigkeit des Mediums ansteigen, vergrößern sich
sowohl die Reaktion als auch die Rotationsgeschwindigkeit des Strömungsmediums beträchtlich,
so daß der Bereich, innerhalb dem das Gerät genau arbeitet, begrenzt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein GerAt zum Messen des Massenflusses
eines Strömungsmediums zu schaffen, welches über einen großen Meßbereich genau funktioniert.
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Das erfindungsgemäße Gerät umfaßt eine Einrichtung, die dem Strömungsmedium
einen Drall erteilt, eine Meßvorrichtung, die an der Drallerteilungseinrichtung
auftretende, von dem Strömungsmedium hervorgerufene Reaktionsdrehkräfte mißt, und
eine Einrichtung zur Bestimmung der Drallgeschwindigkeit des Strömungsmediums. Das
erfindungsgemaße Gerät ist gekennzeichnet durch eine Zweigleitung zur Umgehung der
Drallerteilungseinrichtung und durch eine gegenüber der Drallgeschwindigkeits-Meßeinri.
chtung stromaufwärts gelegene Mischkammer, in die die Zweigleitung und der Auslaß
der Drallerteilungseinrichtung einmunden. In der Zweigleitung. sind vorzugsweise
Leitflächen angeordnet.
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Zur Veränderung der Menge des Massenflusses durch die Zweigleitung
gegenüber der durch die Drallerteilungseinrichtung strömenden Menge des Strömungsmediums
ist ein in
seiner offnungsweite variierbares Ventil vorgesehen.
Das s Ventil kann beispielsweise durch winen Servo-Mechanismus oder durch die Reaktion
des Strömungsmediums auf ein mit dem Ventil verbundenes Reaktionsglied gesteuert
werden.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren erlEutert.
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Es stellen dar : Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Gerät in Vergrößerung
und teilweise in Achsrichtung geschnitten, Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des
Gerätes.
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Gemäß Figur 1 weist das Gerät ein hohlea, annähernd kreisförmiges
Gehäuse 11 auf. Das Gehäuse hat einen erweiterten Mittelteil 12, dessen Einström-und
Ausströmseiten 13 konisch auagebildet sind. Innerhalb des Gehauses, an einem seiner
Enden 14 (stromaufwErts gelegenes Ende) befindet sich ein Drehmomentmesser 15. Der
Drehmomentmesser 15 wird durch Verstrebungen 16 im Zentrum des Gehäuses 11 gehalten,
wobei die Verstrebungen gleichzeitig dazu dienen, den Flüssigkeitsstrom in anndhernd
axialer Richtung zu führen. Der Drehmomentmesser 15 ist strömungsgnsfig ausgebildet.
Bine mit dem Drehmomentmesser 15 verbundene Welle 17 weist in ihrem Umfang innerhalb
des Mittelteils 12 des GehEuses 11 eine Mehrzahl von schraubenförmig angeordneten
Leitfläohen 18 auf. Die Welle 17 hat eine
Fortsetzung 19, deren
Durchmesser geringer ist als der Durchmesser der Welle 17. Diese Fortsetzung 19
trägt ein frei umlaufendes auf Lager 22 gelagertes Schaufelrad 21w An ihrem freien
Ende ist die Fortsetzung 19 der Welle 17 unter Zwischenschaltung von Lagern 24 mittels
Verstebungen 23 gehalten. Das Schaufelrad 21 trigt annåhernd axial angeordnete Beitflichen.
Das Schaufelrad 21 und die Drallerteilungseinrichtung 18 haben das gleiche mittlere
spezifische Gewicht wie das zu messende Strömungsmedium.
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Innerhalb des Mittelteils 12 des Gehäuses 11 befindet sich ein sich
in Achsrichtung erstreckendes zylindrisches Rohr 36, das die schraubenförmig angeordneten
Leitflächen 18 der Drallerteilungseinrichtung umgibt und das Innere des Gehäuses
11 bzw. 12 in eine innere und in eine äußere Ringkammer 26 bzw. 27 unterteilt. Ein
weiteres zylindrisches Rohrstück 25 ist von einer Mehrzahl von snnChernd axial angeordneten,
sich vom Mantel des Gehäuses 11 aus nach innen erstreokenden Leitflächen 28 gehalten.
In dem Gehäuse 11 ist ein zylindrischer Ventilkörper 29 untergebracht, welcher durch
einen Bervo-Motor 30 über einen Zahnstangentrieb (nicht dargestellt) bewegbar ist,
um die Einlaßöffnung 31 in die äußere Kammer 27 zu verändern (von Null bis zu einem
Maximum wenn die Durchflußmengeduroh das Gerdt von einem Minimum zu einem Maximum
ansteigt. Der Raum zwischen dem Auslaß 32, der äußeren Kammer 27 und dem Schaufelrad
21 bildet eine Mischkammer 33,
die genAgend lang ist, um die aus
den Kammern 26 und 27 kommenden Teilströme des Strömungsmediums zu vermischen, die
jedoch nicht so lang-ist, daB in ihr Reibungsverluste, hervorgerufen durch die Reibungswiderstände
der Seiten des Gehduses ll, auftreten. Zur Messung der Drehgeschwindigkeit des Schaufelrades
21 ist ein Geschwindigkeitsmesser 34 von gewöhnlicher Bauart vorgesehen. Die von
dem Geschwindigkeitsmesser 34 sowie von dem Drehmomentmesser 15 erhaltenen Meßergebnisse
werden einem in der Figur 1 schematisch dargestellten Rechner 35 zugeleitet, der
den Massendurchfluß durch das Gerät errechnet und mit einem nicht dargestellten
Zähler (totaliser) verbunden sein kann.
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Die schraubenförmigen Leitflächen weisen eine Ummantelung 36 auf,
deren Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchsich messer des RohrstEckes 25,
so daßlzwischen der Ummantelung 36 und dem Rohrstück 35 Strömungsmedium befindet.
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An den Enden des Gehäuses 11 sind Flansche 37 vorgesehen, womit das
Gerät an ein Leitungssystem anschließbar ist.
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Das Gerdt arbeitet in folgender Weise : Das in das Gerdt einströmende
Strömungsmedium teilt sich in innere und äußere, die Kammern 26 und 27 durchfließende
Teilströme.
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Die Leitflächen 18 erteilen dem inneren Strom einen Drall.
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Die Reaktion (T) dieses Teilstromes an den Leitflächen 18 wird durch
den Drehmomentmesser 15 gemessen. Im Anschluß daran vereinigen und mischen sich
die beiden Teilströme in der Mischkammer 33. Die zu einem Gesamtstrom vereinigten
Teilstrdme
bewirken dann eine Rotationsbewegung des Schaufelrades 21. Das Schaufelrad 21 dreht
sich mit einer Geschwindigkeit (V), die der Hauptdrallgeschwindigkeit der vereinigten
leilströme entspricht. Der Geschwindigkeitsmesser 34 gibt die Drehzahl des Schaufelrades
21 an.
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Die Meßwerte des Drehmomentmessers 15 und des Drehzahlmessers 34 werden
einem Rechner 35 zugeleitet, der den Massendurchfluß berechnet, wobei folgende Uberlegungen
zugrundegelegt werden : Ist die Mischkammer 33 kurz, dann ist das Drehmoment (rotational
momentum) des Strömungsmediums an dem Schaufelrad dasselbe wie das durch die Leitflächen
18 dem inneren Teilstrom erteilte Drehmoment, so daß mlvl=MV ist.
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M, ist der Massendurchfluß des inneren Teilstromes, vl ist die Drehgeschwindigkeit
des inneren Teilstromes, M ist der gesamte MassendurchfluB durch das Gerät und V
ist die Drehzahl des Schaufelrades.
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Es gilt nun mlvl-TK T ist das Drehmoment und K eine Konstante.
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T = KMV und M = su Der Rechner 35 steuert auch einen Servo-Motor
30, der das Ventil 29 betätigt, derart, daß-wenn der gesamte MassendurchfluB durch
das Gerät ansteigt-das Ventil 29 die Offnungsweite der Einlaßöffnung 31 und damit
die Durchflußmenge
durch die äußere Kammer 27 vergrößert. Das Ventil
29 kann so betätigt sein, daß das auf die Leitflächen wirkende Moment und die Drehzahl
des Schaufelrades 21 sich in vorherbestimmter Weise andern. Es gilt beispielsweise
T proportional 11i und V proportional l/tw' Es wird bemerkt, daß jede zwischen dem
Schaufelrad 21 und der Fortsetzung 19 der Welle 17 auftretende Reibung der Reaktion
an den Leitflachen entgegenwirkt. Dies bewirkt einen kompensierenden Abfall des
an dem Drehmomentmesser 15 gemessenen Drehmoments, der die Wirkung des aufgrund
von Reibung auftretenden Schaufelraddrehzahlverlustes ausgleicht oder auf ein Minimum
herabsetzt. Das Gerät wird deshalb immer genaue Ergebnisse liefern.
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Die ußere Kammer 27 bildet eine Zweigleitung, die es einem Teil des
Strömungsmediume ermöglicht, die schraubenförmig angeordneten Leitflächen 18 zu
umgehen, (nicht das Schaufelrad 21).
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Das in Figur 2 dargestellte Serät ist abgesehen von der Konstruktion
und Betätigung des Ventils identisch mit dem in Figur 1 dargestellten Gerät. In
dieser Ausführungsform ist das Rohrsttick 25a (nicht die Leitflachen 28a) axial
beweglich und an ihren Enden mit Lippen 51 und 52 versehen. Etwas stromabwärts von
den schraubenförmig angeordneten Beitflichen 18 befindet sich ein weiterer, nach
innen zur
Achse hin abstehender Flansch 53. Die Ummantelung 36a
der Leitflächen 18 trägt an ihrem stromaufwärts gelegenen Ende einen Lippenrand
54. Zwischen dem Lippenrand 54 und der Lippe 51 befindet sich eine schraubenförmige
Druckfeder 55, welche das Rohrstück 25a gegen einen Vorsprung 56 drkngt und die
EinlaBöffnung 31 zu der äußeren Kammer 25 verändert.
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Das Rohrstück 25a wirkt auf diese Weise als Yentil. Die Kraft der
Feder 55 ist so bemessen, daß die Einlaßöffnung 31 zur Kammer 27 bei einem Minimum
an Massendurchfluß durch das Gerät geschlossen ist. Der Flüssigkeitsstrom beaufschlagt
die Lippen 51,. 52 und den Flansch 53 und bewirkt ein Öffnen der Einlaßöffnung 31
durch das Rohrstiiek 25a.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen und in den Zeichnungen
dargestellten Details beschrankt. Anstelle einer ringförmigen Umgehungskammer kann
die Zweigleitung g aus einer oder mehreren getrennten, mit Steuerventilen ausgestattenen
Kanälen gebildet sein. Auf einer oder an beiden Seiten der axialen Leitfläohen können
Trimmfläohen vorgesehen sein, die den Flüssigkeitsstrom glEtten. Das Sroßenverhåltnis
des durch die Drallerteilungseinrichtung fließenden Teiletromes und des durch die
Zweigleitung atrdmenden Teilatromes kann durch ein Ventil verändert werden, ein
Ventil, welches den Durchfluß durch die Drallerteilungseinrichtung drosselt. Dieses
Ventil kann so beschaffen eein, daß es die Einlaßöffnung in die Zweigleitung dann
vergrößert, wenn wie den Zufluß zu der Drallerteilungaeinrichtung
drosselt
und umgekehrt. Die Leitflächen 28 können schrdg und auf der gleichen oder gegenEberliegenden
Seite der ReaktionsflCchen 18 angeordnet sein. Die Schaufeln des Sohaufelrades sollen
dann in gleicher Weise geneigt und auf der gleichen Seite angeordnet sein.