DE1473146C - Stromungsmassenmeßgerat - 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. Mit. 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

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

Fig. 2 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles.

Wie Fig. 1 zeigt, sind zwei Flügelräder 1 und 2 vorgesehen, die den gleichen Aufbau haben und die an entgegengesetzten Enden einer torsionselastischen hohlen Welle 3 angeordnet sind. Diese Welle ist im Drehschwingungsanker 4 eines Vibrationsmotors 4, 4 α befestigt, und zwar derart, daß sich diese Welle axial zur Leitung 5 erstreckt, durch welche die Flüssigkeit strömt, die zu messen ist. Die Flügel eines jeden Flügelrades 1 und 2 erstrecken sich in Richtung der Leitungsachse und damit in Richtung der Strömung. Ein Flügelrad 1 ist in einem Gehäuse 6 angeordnet, wobei sich das Gehäuse innerhalb der Lei-• tung 5 befindet. Dieses Gehäuse 6 ist derart geformt, daß es der Strömung durch die Leitung einen minimalen Widerstand entgegensetzt, und das Gehäuse ist im Abstand von der Wandung der Leitung 5 angeordnet. Die Anordnung des Gehäuses und die Ausbildung der Leitung 5 sind derart getroffen, daß im wesentlichen ein konstanter Strömungsquerschnitt aufrechterhalten wird. Die Leitung 5 weist im Teil 15, der das Gehäuse umgibt, einen vergrößerten Durchmesser auf. Die Wandung des Gehäuses 6 ist mit Öffnungen 7 versehen. Die Wandung des Gehäuses kann auch aus einem durchlässigen Material gefertigt sein. Auf diese Weise steht der Innenraum des Gehäuses 6 hydrostatisch mit der Flüssigkeit in der Leitung 5 in Verbindung. Die Flüssigkeit innerhalb des Gehäuses 6 nimmt jedoch nicht im wesentlichen an der axialen Strömungsbewegung der Hauptströmung teil.

Innerhalb der torsionselastischen Welle 3 ist koaxial eine starre innere Welle 8 angeordnet. Ein Ende dieser Welle ist am Flügelrad 1 und an einem Ende der torsiönselastischen Welle-3 befestigt, während das andere Wellenende 8 sich durch das freie Ende der torsionselastischen Welle 3 am äußeren Ende des Flügelrades 2 hindurch erstreckt. Die starre Welle 8 trägt an diesem Ende ein Felderzeugungsglied, beispielsweise einen elektromagnetischen Stab 9. Zwei voneinander getrennte Induktionsglieder 10 und 11 sind am Ende der hohlen torsionselastischen Welle 3 und an einem stationären Bauteil 12 angeordnet. Beide Induktionsglieder 10 und 11 sind in der Nähe des freien Endes der Welle 3 angeordnet, um die elastische Verdrehung der starren Welle 8 gegenüber der torsionselastischen Welle 3 und der festen Wandung der Leitung 5 festzustellen. Wenn durch den Motor 4, 4 α der Welle 3 eine Drehschwingung vorzugsweise mit einer derartigen Frequenz erteilt wird, daß sich eine Resonanz einstellt, ist der Widerstand des Flügelrades 1 gegen die Drehung, der Geschwindigkeit und der Amplitude proportional. Dadurch ist dieser Widerstand proportional zur augenblicklichen Winkelbeschleunigung, multipliziert mit dem Trägheitsmoment des Flügelrades 1 und einem zusätzlichen Trägheitswert, der durch die sich ergebende Bewegung der Flüssigkeit erzeugt wird. Die Bewegung des Flügelrades 2 muß einen zusätzlichen Widerstand überwinden, welcher der augenblicklichen Winkelgeschwindigkeit des Flügelrades multipliziert mit der Strömungsmenge proportional ist, welche in das Flügelrad mit der Winkelgeschwindigkeit Null eintritt und welche dieses Flügelrad mit einer Winkelgeschwindigkeit 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

ίο erzeugen so im Induktionsglied keine Anzeige. Eine Erregung des Induktionsgliedes 10 zeigt deshalb lediglich das Produkt der Strömungsmenge und der Winkelgeschwindigkeit an, während andererseits die Bewegung des Feldgliedes 9 gegenüber dem Induktionsglied 11 lediglich den Trägheitswiderstand des Flügelrades 1 anzeigt, und dieser Widerstand ist im Falle von rein sinusförmigen Schwingungen proportional zur maximalen Winkelgeschwindigkeit des Motorankers 4. Es ist zu erkennen, daß der Quotient, der durch eine Division der Anzeige des Induktionsgliedes 11 durch die Anzeige des Induktionsgliedes 10 gewonnen wird, proportional der Strömungsmenge ist, die auf diese Weise in üblicher Form gemessen werden kann, beispielsweise durch die gegenseitige Verschiebung von zwei logarithmischen Skalen.

Da lediglich das Verhältnis von zwei Ausgangswerten zur Bestimmung der Strömungsmenge verwendet wird, wird das Ergebnis nicht durch die Frequenz beeinflußt, mit der der Vibrationsmotor arbeitet. Ein Betrieb mit Resonanzfrequenz ist jedoch erwünscht, da dieser eine maximale Auslenkung erzeugt und da dadurch" eine maximale Genauigkeit der Messung erzielt wird.. Weiterhin gleicht sich dadurch die Bewegung wesentlich mehr an eine echt sinusförmige Bewegung an. Da der Motoranker 4 lediglich Vibrationsbewegungen durchführt, kann dessen drehender Teil federnd im stationären Teil gelagert sein. Dadurch kann die Welle 3, welche die Flügelräder 1 und 2 trägt, derart montiert werden, daß keine Lager vorgesehen sein müssen. Da die Schwingungsamplitude des Motors klein sein kann, kann dieser Motor, falls gewünscht, als piezoelektrischer Antrieb ausgebildet sein.

Der in Fig. 1 dargestellte Aufbau kann für eine Strömung in jeder Richtung, die durch die Pfeile A und B angezeigt wird, verwendet werden. Das eine Flügelrad 2 ist ein der Strömung ausgesetztes Beschleunigungsrad, während das andere Flügelrad 1 ein Kompensationsrad ist, welches dazu dient, das Eigenträgheitsmoment des Beschleunigungsrades zu kompensieren.

F i g. 2 zeigt schematisch einen ähnlichen Aufbau eines Meßgerätes wie Fig. 1. Dieses Meßgerät wird in einer Richtung durchströmt, wie es durch den Pfeil C dargestellt ist. Bei diesem Meßgerät werden zwei Flügelräder 21, 22 vom gleichen Aufbau verwendet. Diese beiden Flügelräder sind elastisch miteinander und mindern Vibrationsmotor 24 über eine torsionselastische Welle 23 verbunden. Wie zuvor ist das Flügelrad 21 in einem stromlinienförmigen Gehäuse 26 angeordnet, das koaxial in einer Leitung 25 liegt, durch die die Strömung, die gemessen wird, in Richtung des Pfeiles C hindurch geht. Die Leitung ist an dieser Stelle um dieses Gehäuse herum verbreitert, um so wenig wie möglich die Strömung des Strömungsmittels durch die Leitung 25 zu stören. Das andere Flügelrad 22 liegt in der Strömung des Strömungsmittels in der Leitung 25. Ähnlich wie bei dem

in F i g. 1 dargestellten Gerät ist das Innere des Gehäuses über Öffnungen 27 in der Gehäusewandung mit dem Strömungsmittel verbunden, welches durch die Leitung 25 hindurchgeht, so daß das Gehäuse ein Strömungsmittel enthält, welches dem Strömungsmittel in der Leitung entspricht, wobei dieses im Gehäuse befindliche Strömungsmittel an der Strömungsbewegung nicht teilnimmt. Da in diesem Fall die Strömung immer in Richtung des Pfeiles C erfolgt, ist das Flügelrad 22, welches in der Strömung angeordnet ist, am Ende des Gehäuses 26 angeordnet, welches zum Einlaßende der Leitung 25 hinweist. Dieses Flügelrad weist einen Nebenabschnitt auf, der eine zylindrische Verlängerung des benachbarten Endes des Gehäuses 26 bildet. Dieser Nebenabschnitt ist gegenüber der Strömung durch einen stationären Konus 35 abgeschirmt. Das andere Ende des Gehäuses ist geschlossen und bildet einen stromlinienförmigen Konus, der einen minimalen Widerstand gegen die Strömung leistet. Die Anordnung des Flügelrades 22 am Einlaßende des Gehäuses stellt sicher, daß dieses Flügelrad in einem Abschnitt der Strömung angeordnet ist, der so wenig wie möglich durch Störungen beeinflußt wird, die durch die Ausbeulung des Gehäuses 26 hervorgerufen werden und durch die Ablenkungen der Strömung in der Leitung 25, um das Gehäuse herum.

Um die Amplituden der Verdrehungen aufzunehmen, die durch den Vibrationsmotor 24 auf das Beschleunigungsrad 22 und das Kompensationsrad 21 aufgebracht werden, sind zwei Aufnahmewicklungen 33 und 34 den beiden Flügelrädern zugeordnet. Jede Wicklung wird durch einen Felderzeugungsbauteil induziert, der mit dem entsprechenden Ende der Welle 23 schwingt, so daß die Amplituden der Verdrehung, die den beiden Flügelrädern erteilt wird, einzeln aufgenommen werden.

Es können gegenüber den in den Figuren der

ίο Zeichnung dargestellten Ausführungsformen bauliche Abänderungen vorgenommen werden, die im Rahmen der Erfindung liegen. Für die beiden Flügelräder ist es nicht wesentlich, daß diese gleich sind, da, vorausgesetzt, daß deren relative Trägheit bekannt ist, die torsionselastische Welle derart aufgebaut werden kann, daß sie Flügelräder unterschiedlicher Trägheit kompensieren kann. In gleicher Weise ist es für eines der Flügelräder nicht wesentlich, daß dieses in ruhende Flüssigkeit eintaucht. Das Flügelrad kann in Flüssigkeit eintauchen, deren Geschwindigkeit ein bekannter Bruchteil der Geschwindigkeit der Flüssigkeit ist, die durch das andere Flügelrad hindurchgeht.. In diesem Fall wird durch die Messung des Unterschiedes der Winkelbewegung zwischen den beiden Flügelrädern vollständig die Trägheitseinwirkung ausgeschaltet, es wird jedoch ein bekanntes Verhältnis der Drehimpulseinwirkung ebenfalls abgezogen. Dadurch wird jedoch in die. Berechnung lediglich ein 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, dadurchge 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.