DE1473146B2 - Stroemungsmassenmessgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Strömungsmassenmeßgerät mit einem in die Strömung eingebauten, aus zwei torsionselastisch miteinander gleichachsig verbundene, im Strömungsmedium arbeitenden Flügelräder bestehenden Einsatz und einem Motor, der an den Einsatz so angeschlossen ist, daß die beiden Flügelräder entsprechend ihrer Formgebung und Anordnung in der Strömung auf das zu messende Medium einen unterschiedlichen Drehimpuls übertragen und bei denen die dadurch erzielte elastische Verdrehung der die beiden Flügelräder und den Motor verbindenden Wellen als Maß für die Strömungsmasse dient.

Aus der deutschen Patentschrift 925 622 ist ein derartiges Strömungsmassenmeßgerät bekannt, bei der der Motor das Flügelrad mit einer im wesentlichen gleichförmigen Drehzahl dreht und bei der die Messung der Massenströmung unter Verwendung der Tatsache durchgeführt wird, daß bei einer gegebenen Drehzahl der Drehmomentwiderstand eines Rades, welches die Beschleunigung der Strömung in einer Pumpe erzeugt, proportional zur Massenströmung ίο des Strömungsmittels durch das Rad ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strömungsmassenmeßgerät zu schaffen, welches, obwohl es die gleichen Vorteile aufweist, wie dieses bekannte Meßgerät, die Notwendigkeit ausschaltet, die Flügelräder in Drehlagern zu lagern.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Motor ein Vibrationsmotor ist, welcher auf die beiden Flügelräder Drehschwingungen um eine unveränderliche Mittellage überträgt und daß eines der beiden Flügelräder ein der Strömung ausgesetztes Beschleunigungsrad ist, während das andere ein Kompensationsrad ist, welches dazu dient, das Eigenträgheitsmoment des Beschleunigungsrades zu kompen- " sieren.

In vorteilhafter Weise ist es möglich, dieses Strömungsmassenmeßgerät infolge seines lagerfreien Aufbaus zur Messung der Strömungsmasse von Medien zu verwenden, die abrassive Bestandteile enthalten, die zu einer Beschädigung von Lagern führen können.

Die Verwendung von Vibrationen für die Messung von Strömungsmassen wird in der USA.-Patentschrift 3 080 750 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird ein Tauchspulenmechanismus zusammen mit einer Rückkopplung verwendet, um Vibrationsauslenkungen auf ein Rohr zu übertragen, durch das die Strömung hindurch geführt wird. Der Strom in der Tauchspule wird so eingestellt, daß unter allen Strömungsbedingungen eine konstante Auslenkungsamplitude erreicht wird. Die Größe des Stromes wird als ein Maß für die Strömungsmasse verwendet. Ein derartiges System ist lediglich für die Messung von sehr geringen Strömungsmassen geeignet, da erhebliche Strömungsmassen Rohre mit verhältnismäßig großen Durchmessern erforderlich machen, die auf Grund ihres Aufbaus zu starr wären, um auch unter Resonanzbedingungen ausreichende Auslenkungen für eine zulässige Empfindlichkeit des Gerätes zu erzielen. In vorteilhafter Weise ist es durch die erfindungsgemäße Verwendung von Drehschwingungen möglich, die Verwendung von Lagern in einem Strömungsmassenmeßgerät auszuschalten, welches auch für sehr große Strömungsmassen geeignet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Kompensationsrad in einem von der Strömung umschlossenen Gehäuse angeordnet sein, dessen Inneres durch Öffnungen mit der Strömung kommuniziert, ohne von ihr durchflossen zu werden.-JVIit besonderem Vorteil kann dabei das Kompensationsrad in Form, Abmessung und Masse mit dem Beschleunigungsrad übereinstimmen. Vorteilhafterweise können Meßeinrichtungen vorgesehen sein, und zwar zur Bestimmung der Drehschwingungsamplituden der beiden Drehflügelräder gegeneinander bzw. gegenüber einem fest stehenden Teil des Gerätes. Dabei kann insbesondere eine Einrichtung zur direkten Anzeige des Quotienten der auf die beiden Flügelräder übertragenen Drehmomente vorgesehen sein.

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Leitung, durch welche die Strömungsmenge hindurchgeführt wird und in der ein Strömungsmeßgerät gemäß der Erfindung angeordnet ist.

F i g. 2 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles.

schwindigkeit des Flügelrades multipliziert mit der Strömungsmenge proportional ist, welche in das Flügelrad mit der Winkelgeschwindigkeit Null eintritt und welche dieses Flügelrad mit einer Winkelge-5 schwindigkeit verläßt, die gleich der des Flügelrades 2 ist. Da die durch die Trägheit erzeugten Drehmomente an den beiden Enden der Welle 3 gleich sind, erzeugen diese keinerlei relative Verschiebung zwischen den freien Enden der Welle 3 und 8 und

Wie F i g. 1 zeigt, sind zwei Flügelräder 1 und 2 io erzeugen so im Induktionsglied keine Anzeige. Eine vorgesehen, die den gleichen Aufbau haben und die Erregung des Induktionsgliedes 10 zeigt deshalb lean entgegengesetzten Enden einer torsionselastischen diglich das Produkt der Strömungsmenge und der hohlen Welle 3 angeordnet sind. Diese Welle ist im Winkelgeschwindigkeit an, während andererseits die Drehschwingungsanker 4 eines Vibrationsmotors 4, Bewegung des Feldgliedes 9 gegenüber dem Induk-4 α befestigt, und zwar derart, daß sich diese Welle 15 tionsglied 11 lediglich den Trägheitswiderstand des axial zur Leitung 5 erstreckt, durch welche die Flüs- Flügelrades 1 anzeigt, und dieser Widerstand ist im sigkeit strömt, die zu messen ist. Die Flügel eines je- Falle von rein sinusförmigen Schwingungen proporden Flügelrades 1 und 2 erstrecken sich in Richtung tional zur maximalen Winkelgeschwindigkeit des der Leitungsachse und damit in Richtung der Strö- Motorankers 4. Es ist zu erkennen, daß der Quotient, mtfng. Ein Flügelrad 1 ist in einem Gehäuse 6 an- 20 der durch eine Division der Anzeige des Induktionsgeordnet, wobei sich das Gehäuse innerhalb der Lei- gliedes 11 durch die Anzeige des Induktionsgliedes tung 5 befindet. Dieses Gehäuse 6 ist derart geformt, 10 gewonnen wird, proportional der Strömungsmendaß es der Strömung durch die Leitung einen mini- ge ist, die auf diese Weise in üblicher Form gemessen malen Widerstand entgegensetzt, und das Gehäuse ist werden kann, beispielsweise durch die gegenseitige im Abstand von der Wandung der Leitung 5 an- 25 Verschiebung von zwei logarithmischen Skalen, geordnet. Die Anordnung des Gehäuses und die Aus- Da lediglich das Verhältnis von zwei Ausgangsbildung der Leitung 5 sind derart getroffen, daß im werten zur Bestimmung der Strömungsmenge verwesentlichen ein konstanter Strömungsquerschnitt wendet wird, wird das Ergebnis nicht durch die Freaufrechterhalten wird. Die Leitung 5 weist im quenz beeinflußt, mit der der Vibrationsmotor arbei-Teil 15, der das Gehäuse umgibt, einen vergrößerten 3° tet. Ein Betrieb mit Resonanzfrequenz ist jedoch erDurchmesser auf. Die Wandung des Gehäuses 6 ist wünscht, da dieser eine maximale Auslenkung ermit Öffnungen 7 versehen. Die Wandung des Gehäu- zeugt und da dadurch eine maximale Genauigkeit der ses kann auch aus einem durchlässigen Material ge- Messung erzielt wird. Weiterhin gleicht sich dadurch fertigt sein. Auf diese Weise steht der Innenraum des die Bewegung wesentlich mehr an eine echt sinusför-Gehäuses 6 hydrostatisch mit der Flüssigkeit in der 35 mige Bewegung an. Da der Motoranker 4 lediglich Leitung 5 in Verbindung. Die Flüssigkeit innerhalb Vibrationsbewegungen durchführt, kann dessen dredes Gehäuses 6 nimmt jedoch nicht im wesentlichen hender Teil federnd im stationären Teil gelagert sein, an der axialen Strömungsbewegung der Hauptströ- Dadurch kann die Welle 3, welche die Flügelräder 1 mung teil. und 2 trägt, derart montiert werden, daß keine La-

Innerhalb der torsionselastischen Welle 3 ist koa- 4° ger vorgesehen sein müssen. Da die Schwingungsamxial eine starre innere Welle 8 angeordnet. Ein Ende plitude des Motors klein sein kann, kann dieser Modieser Welle ist am Flügelrad 1 und an einem Ende tor, falls gewünscht, als piezoelektrischer Antrieb der torsionselastischen Welle 3 befestigt, während ausgebildet sein.

das andere Wellenende8 sich durch das freie Ende Der in Fig. 1 dargestellte Aufbau kann für eine

der torsionselastischen Welle 3 am äußeren Ende des 45 Strömung in jeder Richtung, die durch die Pfeile A Flügelrades 2 hindurch erstreckt. Die starre Welle 8 und B angezeigt wird, verwendet werden. Das eine trägt an diesem Ende ein Felderzeugungsglied, bei- Flügelrad 2 ist ein der Strömung ausgesetztes Bespielsweise einen elektromagnetischen Stab 9. Zwei schleunigungsrad, während das andere Flügelrad 1 voneinander getrennte Induktionsglieder 10 und 11 ein Kompensationsrad ist, welches dazu dient, das sind am Ende der hohlen torsionselastischen Welle 3 50 Eigenträgheitsmoment des Beschleunigungsrades zu und an einem stationären Bauteil 12 angeordnet. Bei- kompensieren.

de Induktionsglieder 10 und 11 sind in der Nähe des Fig. 2 zeigt schematisch einen ähnlichen Aufbau

freien Endes der Welle3 angeordnet, um die elasti- eines Meßgerätes wie Fig. 1. Dieses Meßgerät wird sehe Verdrehung der starren Welle 8 gegenüber der in einer Richtung durchströmt, wie es durch den torsionselastischen Welle 3 und der festen Wandung 55 Pfeil C dargestellt ist. Bei diesem Meßgerät werden der Leitung 5 festzustellen. Wenn durch den Mo- zwei Flügelräder 21, 22 vom gleichen Aufbau vertor 4, 4 α der Welle 3 eine Drehschwingung Vorzugs- wendet. Diese beiden Flügelräder sind elastisch mitweise mit einer derartigen Frequenz erteilt wird, daß einander und mit dem Vibratipnsmotor 24 über eine sich eine Resonanz einstellt, ist der Widerstand des torsionselastische Welle 23 verbunden. Wie zuvor ist Flügelrades 1 gegen die Drehung, der Geschwindig- 60 das Flügelrad 21 in einem stromlinienförmigen Gekeit und der Amplitude proportional. Dadurch ist häuse 26 angeordnet, das koaxial in einer Leitung 25 dieser Widerstand proportional zur augenblicklichen liegt, durch die die Strömung, die gemessen wird, in Winkelbeschleunigung, multipliziert mit dem Trag- Richtung des Pfeiles C hindurch geht. Die Leitung ist heitsmoment des Flügelrades 1 und einem zusätzli- an dieser Stelle um dieses Gehäuse herum verbreitert, chen Trägheitswert, der durch die sich ergebende Be- 65 um so wenig wie möglich die Strömung des Ströwegung der Flüssigkeit erzeugt wird. Die Bewegung mungsmittels durch die Leitung 25 zu stören. Das des Flügelrades 2 muß einen zusätzlichen Widerstand andere Flügelrad 22 liegt in der Strömung des Ströüberwinden, welcher der augenblicklichen Winkelge- mungsmittels in der Leitung 25. Ähnlich wie bei dem

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in Fig. 1 dargestellten Gerät ist das Innere des Ge- schleunigungsrad 22 und das Kompensationsrad 21

häuses über Öffnungen 27 in der Gehäusewandung aufgebracht werden, sind zwei Aufnahmewicklungen

mit dem Strömungsmittel verbunden, welches durch 33 und 34 den beiden Flügelrädern zugeordnet. Jede

die Leitung 25 hindurchgeht, so daß das Gehäuse ein Wicklung wird durch einen Felderzeugungsbauteil in-

Strömungsmittel enthält, welches dem Strömungsmit- 5 duziert, der mit dem entsprechenden Ende der Welle

tel in der Leitung entspricht, wobei dieses im Gehäu- 23 schwingt, so daß die Amplituden der Verdrehung,

se befindliche Strömungsmittel an der Strömungsbe- die den beiden Flügelrädern erteilt wird, einzeln auf-

wegung nicht teilnimmt. Da in diesem Fall die Strö- genommen werden.

mung immer in Richtung des Pfeiles C erfolgt, ist das Es können gegenüber den in den Figuren der Flügelrad 22, welches in der Strömung angeordnet io Zeichnung dargestellten Ausführungsformen bauliche ist, am Ende des Gehäuses 26 angeordnet, welches Abänderungen vorgenommen werden, die im Rahzum Einlaßende der Leitung 25 hinweist. Dieses Flü- men der Erfindung liegen. Für die beiden Flügelrägelrad weist einen Nebenabschnitt auf, der eine zy- der ist es nicht wesentlich, daß diese gleich sind, da, lindrische Verlängerung des benachbarten Endes des vorausgesetzt, daß deren relative Trägheit bekannt ist, Gehäuses 26 bildet. Dieser Nebenabschnitt ist gegen- 15 die torsionselastische Welle derart aufgebaut werden über der Strömung durch einen stationären Konus 35 kann, daß sie Flügelräder unterschiedlicher Trägheit abgeschirmt. Das andere Ende des Gehäuses ist ge- kompensieren kann. In gleicher Weise ist es für eines schlossen und bildet einen stromlinienförmigen Ko- der Flügelräder nicht wesentlich, daß dieses in runus, der einen minimalen Widerstand gegen die Strö- hende Flüssigkeit eintaucht. Das Flügelrad kann in mung leistet. Die Anordnung des Flügelrades 22 am 20 Flüssigkeit eintauchen, deren Geschwindigkeit ein Einlaßende des Gehäuses stellt sicher, daß dieses bekannter Bruchteil der Geschwindigkeit der Flüssig-Flügelrad in einem Abschnitt der Strömung angeord- keit ist, die durch das andere Flügelrad hindurchgeht.· net ist, der so wenig wie möglich durch Störungen In diesem Fall wird durch die Messung des Unterbeeinflußt wird, die durch die Ausbeulung des Ge- schiedes der Winkelbewegung zwischen den beiden häuses 26 hervorgerufen werden und durch die Ab- 25 Flügelrädern vollständig die Trägheitseinwirkung lenkungen der Strömung in der Leitung 25, um das ausgeschaltet, es wird jedoch ein bekanntes Verhalt-Gehäuse herum, nis der Drehimpulseinwirkung ebenfalls abgezogen. Um die Amplituden der Verdrehungen aufzuneh- Dadurch wird jedoch in die Berechnung lediglich ein men, die durch den Vibrationsmotor 24 auf das Be- bekannter Koeffizient eingeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Strömungsmassenmeßgerät mit einem in die Strömung eingebauten, aus zwei torsionselastisch miteinander gleichachsig verbundenen, im Strömungsmedium arbeitenden Flügelrädern bestehenden Einsatz und einem Motor, der an den Einsatz so angeschlossen ist, daß die beiden Flügelräder entsprechend ihrer Formgebung und Anordnung in der Strömung auf das zu messende Medium einen unterschiedlichen Drehimpuls übertragen, und bei dem die dadurch erzielte, elastische Verdrehung der die beiden Flügelräder und den Motor verbindenden Wellen als Maß für die Strömungsmasse dient, d a d u r c h g e k.e η η zeichnet, daß der Motor (4, 4a; 24) ein Vibrationsmotor ist, welcher auf die beiden Flügelräder (1, 2; 21, 22) Drehschwingungen um eine unveränderliche Mittellage überträgt und daß eines der beiden Flügelräder ein der Strömung ausgesetztes Beschleunigungsrad (2, 22) ist, während das andere ein Kompensationsrad (1, 21) ist, welches dazu dient, das Eigenträgheitsmoment des Beschleunigungsrades (2, 22) zu kompensieren.

2. Strömungsmassenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationsrad (1, 21) in einem von der Strömung umflossenen Gehäuse (6, 26) angeordnet ist, dessen Inneres durch öffnungen (7, 27) mit der Strömung kommuniziert, ohne von ihr durchflossen zu werden.

3. Strömungsmassenmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationsrad (1, 21) in Form, Abmessung und Masse mit dem Beschleunigungsrad (2, 22) übereinstimmt.

4. Strömungsmassenmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Meßeinrichtungen (9, 10, 11, bzw. 21, 24; 22, 32) zur Bestimmung der Drehschwingungsamplituden der beiden Flügelräder (2, 22; 1, 21) gegeneinander bzw. gegenüber einem feststehenden Teil (3, 33) des Gerätes.

5. Strömungsmassenmeßgerät nach Anspruch 2 und 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur direkten Anzeige des Quotienten der auf die beiden Flügelräder (2, 22; 1, 21) übertragenen Drehmomente.