DE1473155B2

DE1473155B2 - Flow meter for a fluid medium

Info

Publication number: DE1473155B2
Application number: DE19641473155
Authority: DE
Inventors: Robert B. Eastleigh Hampshire Matthews (Großbritannien)
Original assignee: Plessey-Uk Ltd., Ilford, Essex (Grossbritannien)
Priority date: 1964-05-28
Filing date: 1964-05-27
Publication date: 1972-10-26
Also published as: SE338679B; DE1473155A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Strömungsmeßgerät für ein fluides Medium, welches in einem Kanal strömt, mit einer in dem Kanal angeordneten stationären Abweis- oder Ablenkeinrichtung, welche derart eilige- \ richtet ist, daß diese dem fluiden Medium eine Wirbelung oder eine Drehung um eine Achse des Kanals erteilt, einer Einrichtung zur Messung der auf diese· erzeugten Wirbelungs- oder Drehungsgeschwindigkeit. und einer auf Drehmomente ansprechende Reaktiönseinrichtung zur Messung einer Drehmomentenreaktion, die durph diese. Wirbelungsbewegung des fluiden Mediums, welches durch den Kanal strömt, erzeugt wird, und mit einer Direktanzeige der Massenströmungsrate durch Rechengeräte nach dem Patent 647. Dabei ist zwischen Abweis- oder Ablenkeinrichtung und Reaktionseinrichtung eine Meß vorrichtung zum Messen der Wirbelungsr oder Drehge-. schwindigkeitskomponente vorgesehen.The invention relates to a flow measuring device for a fluid medium which flows in a channel, with a stationary deflecting or deflecting device arranged in the channel, which is directed is that this the fluid medium a vortex or a rotation about an axis of the channel issued, a device for measuring the vortex or rotation speed generated on this. and a torque-responsive reaction device for measuring a torque reaction, who durph this. Vortex movement of the fluid medium which flows through the channel is generated and with a direct display of the mass flow rate by computing devices according to the patent 647. There is a measuring device between the deflection or deflection device and the reaction device for measuring the vortex or rotation. speed component provided.

Bei dem Strömungsmeßgerät nach dem Hauptpatent ist das Drehmoment unter allen gegebenen Bedingungen der den Kanal durchströmenden Masse des fluiden Mediums und der Wirbelungsgeschwindigkeit proportional, und da das Drehmoment und die Wirbelungsgeschwindigkeit durch die beiden erwähnten Einrichtungen bestimmt werden, kann die Strömungsmenge durch den Quotienten der beiden erhaltenen Meßdaten bestimmt werden. Das Gerät nach dem Hauptpatent hat ferner eine Recheneinrichtung, um automatisch den Quotienten zu bestimmen, der der Strömungsmenge proportional ist.In the flow meter according to the main patent, the torque is given below all Conditions of the mass of the fluid medium flowing through the channel and the turbulence speed proportional, and since the torque and the vortex speed by the two mentioned Facilities can be determined, the flow rate can be determined by the quotient of the two obtained measurement data can be determined. The device according to the main patent also has a computing device, to automatically determine the quotient that is proportional to the flow rate.

Bei dem Strömungsmeßgerät nach dem Hauptpatent ist die Abweis- oder Ablenkeinrichtung einstellbar, und es sind automatisch wirkende Vorrichtungen vorgesehen, welche die Einstellung der Ablenk- oder Abweisfiügel derart steuern, daß die Umfangsgeschwindigkeit und das Drehmoment konstant ist. Ferner soll eine Vorrichtung zur automatischen Veränderung der Einstellwinkel der Ablenk- oder Abweisflügel vorgesehen sein, welche das Drehungsmaß oder die Drehgeschwindigkeit in einer derartigen Weise steuern, daß die Umlaufgeschwindigkeit der Wirbelungs- oder Drehgeschwindigkeitsmeßvorrichtung bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten in zulässigen Grenzen gehalten wird, ohne daß diese Umlaufgeschwindigkeit bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten so weit abfällt, daß diese nachteilig durch die Reibung beeinflußbar ist. Dabei können die Führungsflügel derart befestigt sein, daß sich der Mittelpunkt des dynamischen Druckes an einer solchen Stelle befindet, daß dieser die Flügel beim Anstieg der Strömung in eine mehr axiale Stellung drückt, und es können Federn vorgesehen sein, welche die Flügel in der entgegengesetzten Richtung vorspannen. Da- · bei kann die Schwenkachse eines jeden Flügels außerhalb der Ebene des Flügels angeordnet sein. Es können aber auch schwenkbar gelagerte gekrümmte Ablenk- oder Abweisflügel vorgesehen sein, deren Schwenkachse im Flügel angeordnet ist, bei denen die Achsen der Strömungswiderstandskräfte von dieser Schwenkachse seitlich versetzt angeordnet sind, wenn am Austrittsende des Flügels der Einstellwinkel oder NeigungswinkelNull ist.In the flow meter according to the main patent, the deflection or deflection device is adjustable, and there are automatically acting devices are provided, which the setting of the deflection or control deflector wings in such a way that the peripheral speed and the torque are constant is. Furthermore, a device for automatically changing the setting angle of the deflection or Abweisflügel be provided, which the degree of rotation or the speed of rotation in such a Way control that the rotational speed of the vortex or rotational speed measuring device is kept within permissible limits at high flow velocities without this circumferential velocity at low flow velocities drops so far that this is disadvantageous the friction can be influenced. The guide wings can be attached in such a way that the center point of the dynamic pressure is located at such a point that it lifts the wings on the rise the flow pushes into a more axial position, and springs may be provided to hold the vanes preload in the opposite direction. The pivot axis of each wing can be outside be arranged at the plane of the wing. But it can also be pivoted curved deflection or deflector wings, the pivot axis of which is arranged in the wing, in which the Axes of the drag forces are arranged laterally offset from this pivot axis, if at the exit end of the wing the angle of inclination or angle of inclination is zero.

Zum Zwecke einer automatischen Einstellung werden bei dem Gerät nach dem Hauptpatent dynamische Kräfte ausgenutzt, die auf die Abweis- oder Ablenkflügel durch die Strömung der Flüssigkeit ausgeübt werden. Da die Kräfte, die durch eine derartige hydrodynamische Wirkung hervorgerufen werden, bei verschiedenen Massenströmungswertänderungen sich in schwer vorhersehbarer Weise ändern können, kann lediglich eine grobe Annäherung der automatischen ■ Einstellung mit diesen Vorrichtungen erzielt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatische Einstellvorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, daß einem bestimmten Einstellgesetz besser gefolgt werden kann.For the purpose of automatic adjustment, the device according to the main patent will be dynamic Exploited forces exerted on the deflector or deflector blades by the flow of the liquid will. Since the forces caused by such a hydrodynamic effect are at different mass flow rate changes can change in ways that are difficult to predict only a rough approximation of the automatic setting can be achieved with these devices. The invention is based on the object to provide an automatic adjustment device which it enables a certain setting law to be followed better.

Erfihdungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß ein die Ablenkvorrichtung betätigender Servomotor , in Verbindung mit einer.diesen Motor steuernden, auf den Ausgang des Rechengerätes ansprechende Nachlaufsteuerung für die Ablenkeinrichtung vorgesehen ist. Hierdurch wird erreicht, daß die Ablenkflügel auf einen Winkel eingestellt werden, der direkt durch die Massenströmung durch den Kanal bestimmt wird..:: ■'■. '; /j:::;::.-;;\-^:: '.-..■.:■ -.^:.'. ■"·._. According to the invention, this is achieved in that a servomotor which actuates the deflection device is provided for the deflection device , in conjunction with a servomotor which controls this motor and which responds to the output of the computing device. This ensures that the deflecting vanes are set to an angle which is determined directly by the mass flow through the channel .. :: ■ '■. ';^{/j:::;::.-;;\-:}'.- .. ■: ■ -.. ^: . '. ■ "· ._.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Nachlaufsteuerung an eine an den Ausgang des Rechengerätes angeschlossene, eine Nenndrehzahl bestimmende Recheneinrichtung und andererseits an eine die Drehzahl der Geschwindigkeitsturbine messende Einrichtung angeschlossen sein.In a preferred embodiment, the follow-up control can be connected to an output of the computing device connected, a nominal speed determining computing device and on the other hand a device measuring the speed of the speed turbine can be connected.

In den Figuren der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt In the figures of the drawing, exemplary embodiments of the invention are shown. It shows

F i g. 1 eine schematische axiale Schnittansicht durch einen Leitungsteil, der mit einem Strömungsmengenmeßgerät gemäß dem Hauptpatent ausgerüstet ist, wobei die Erfindung bei diesem Gerät verwendet wird,F i g. 1 is a schematic axial sectional view through a line part with a flow rate measuring device according to the main patent, the invention being used in this apparatus will,

F ig. 2 ein Strömungsmengenmeßgerät gemäß der Erfindung, mit einem abgeänderten Übertrager, wobei der elektrische Teil in Form eines Blockdiagramms gezeigt ist,Fig. 2 a flow rate measuring device according to the invention, with a modified transmitter, wherein the electrical part is shown in the form of a block diagram,

F i g. 3 eine Schnittdarstellung einer praktischen Ausführungsform des in F i g. 2 gezeigten Wandlers.F i g. 3 shows a sectional view of a practical embodiment of the in FIG. 2 converter shown.

Es sei zuerst auf F i g. 1 Bezug genommen. Ein Kanal oder eine Leitung 1, durch die ein fluides Medium in Richtung des Pfeiles A hindurchströmt, weist ein Turbinenrad 2 auf, welches mit Flügeln 3 ausgestattet ist und welches frei drehbar zwischen Spitzen 4 in einem Verkleidungskörper 5 gelagert ist. Stromaufwärts von den Turbinenflügeln 3 ist ein Satz von Leitschaufeln 6 angeordnet, welche Abweiselemente bilden. Die Winkel dieser Schaufeln gegenüber der Axialrichtung ist veränderlich, so daß eine hohe Wirbelungsgeschwindigkeit erzielt werden kann, die sicherstellt, daß die Schaufeln 3 ansprechen, auch wenn die Strömungsgeschwindigkeit gering ist, ohne daß dabei die Turbine 2 sich mit einer allzu großen Drehzahl bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten dreht. Eine Vorrichtung 7, die mit einer Geschwindigkeit Pulse erzeugt, die proportional zur Dreh- \ zahl der Turbine 2 ist, ist an der Kanalwandung vorgesehen und ein zweiter Schaufelkörper 8, der in gleieher Weise in der Ummantelung 5, zwischen Spitzen, wie bei 9 gezeigt, montiert ist, ist mit elektrostatischen, auf das Drehmoment ansprechenden Mitteln 10 ausgerüstet, die derart ausgebildet und angeordnet sind, daß diese bei 11 einen elektrischen Ausgang erzeugen, der das Drehmoment darstellt.Let us first refer to FIG. 1 referred to. A channel or line 1 through which a fluid medium flows in the direction of arrow A has a turbine wheel 2 which is equipped with blades 3 and which is freely rotatable between tips 4 in a fairing body 5. A set of guide vanes 6, which form deflector elements, is arranged upstream of the turbine blades 3. The angle of these blades relative to the axial direction is variable, so that a high turbulence speed can be achieved, which ensures that the blades 3 respond, even if the flow speed is low, without the turbine 2 rotating at too high a speed at high flow speeds turns. A device 7, which generates a speed pulses, is provided at the duct wall and is proportional to the rotational \ number of turbine 2 is a second blade body 8 shown in moving rather manner in the jacket 5, between spikes, as with 9 , is fitted with electrostatic torque responsive means 10 which are designed and arranged to produce at 11 an electrical output representative of the torque.

Es sei nun auf F i g. 2 Bezug genommen. Ein elektrischer Ausgang, der der Pulszählung entspricht und der die Drehzahl der Drehzahlturbine 2 darstellt, wird über eine Leitung 12 einem Rechengeräteingang 13 zugeführt. Diese Einheit 13 erzeugt einen Digitalausgang, der die Drehgeschwindigkeit oder Drehzahl der Wirbelung darstellt, während der Ausgang von der Leitung 11, der die Drehmomentenwirkung auf das Drehmomentenschauferwerk 8 repräsentiert, einen zweiten Computer-Eingang 14 zugeführt wird, dessen Ausgang den Digitalwert des Drehmomentes darstellt. Die Ausgänge der beiden Einheiten 13 und 14 werden einer Teilereinheit 15 zugeführt und der elektrische Ausgang dieser Teilereinheit, der bei 16 auftritt, wird einer Steuereinheit, einer Aufzeichnungseinheit oder einer Abgabeeinheit zugeführt, wobei bei 17 dieser Wert als Ausgang des Strömungsmeßgerätes auftritt. Zusätzlich wird der Ausgang der Teilereinheit 15 einer Programmeinheit 18 zugeführt, die dazu dient, aus dem Geräteausgang die Drehzahl N₁ zu bestimmen, mit welcher gemäß einer gewünschten Funktion die Geschwindigkeitsturbine für die festgestellte Strömung umlaufen soll. Der auf diese Weise bestimmte WertiV_z wird als positiver Eingang einer algebraischen Addierstufe 19 zugeführt, wobei dieser Stufe der tatsächliche Wert N zugeführt wird, der von der Rechengeräteingangsstufe 13 abgeleitet wird. Dieser Wert wird als zweiter, negativer Eingang zugeführt. Die algebraische Summe dieser beiden Eingänge bildet die Drehzahlabweichung und ein Signal entsprechender Polarität wird nach der Verstärkung durch einen Servoverstärker 20 einem Elektromotor 21 zugeleitet. Dieser Motor treibt einen Drehring 22 an, der die Einstellung der Leitschaufeln bewirkt. Die Richtung, in der der Motor 21 angetrieben wird, ist derart gewählt, daß die Drehzahlabweichung vermindert wird, und zwar durch eine Verminderung des Einstellwinkels der Schaufeln, wenn die Drehzahl N der Turbine 2 höher ist und durch eine Erhöhung des Einstellwinkels, wenn die Drehzahl der Turbine 2 kleiner ist als der Wert N₁, der vom Programmgerät 18 geliefert wird.Let us now refer to FIG. 2 referred to. An electrical output, which corresponds to the pulse count and which represents the speed of the speed turbine 2, is fed to a computer input 13 via a line 12. This unit 13 generates a digital output which represents the rotational speed or rotational speed of the vortex, while the output from the line 11, which represents the torque effect on the torque shovel 8, is fed to a second computer input 14, the output of which represents the digital value of the torque. The outputs of the two units 13 and 14 are fed to a divider unit 15 and the electrical output of this divider unit, which occurs at 16, is fed to a control unit, a recording unit or a delivery unit, this value occurring at 17 as the output of the flow meter. In addition, the output of the divider unit 15 is fed to a program unit 18 which is used to determine from the device output the speed N ₁ at which the speed turbine is to rotate for the determined flow according to a desired function. _{The value iV z} determined in this way is fed as a positive input to an algebraic adding stage 19, the actual value N derived from the arithmetic unit input stage 13 being fed to this stage. This value is supplied as a second, negative input. The algebraic sum of these two inputs forms the speed deviation and a signal of the corresponding polarity is fed to an electric motor 21 after amplification by a servo amplifier 20. This motor drives a rotary ring 22 which adjusts the guide vanes. The direction in which the motor 21 is driven is chosen so that the speed deviation is reduced by reducing the setting angle of the blades when the speed N of the turbine 2 is higher and by increasing the setting angle when the speed is higher of the turbine 2 is smaller than the value N ₁ which is supplied by the programming device 18.

Der Wandler des in F i g. 2 dargestellten Strömungsmeßgerätes und der Leitungsabschnitt, der diesen Wandler enthält, ist im einzelnen in F i g. 3 dargestellt. In F i g. 3 beziehen sich die gleichen Bezugszeichen, wie in den F i g. 1 und 2, auf die gleichen Einzelteile.The converter of the in FIG. 2 shown flow meter and the line section that this Contains converter is shown in detail in FIG. 3 shown. In Fig. 3 refer to the same reference numerals, as in Figs. 1 and 2, on the same items.

Aus F i g. 3 ist zu erkennen, daß die Leitung 12 zur Drehzahlzählung der stationären Kondensator-Elektrode 120 zugeführt ist, die in einem Isolationsmaterial 121 derart eingebettet ist, daß bei jedem Durchgang eines der Flügel 3 die Kapazität zum geerdeten Rotor ansteigt. Dieser Anstieg wird verwendet, um einen Zählimpuls in einer an sich bekannten Art zu erzeugen.From Fig. 3 it can be seen that the line 12 for counting the speed of the stationary capacitor electrode 120 is supplied, which is embedded in an insulation material 121 such that each Passage of one of the blades 3 increases the capacity to the grounded rotor. This increase is used to generate a counting pulse in a manner known per se.

Zu diesem Zweck wird das Torsions-Schaufelwerk gegen eine Drehung dadurch gehalten, daß im Stator ein Permanentmagnet 110 angeordnet ist, der ein Feld erzeugt, welches sich diametral durch das Torsionsschaufelwerk hindurch erstreckt, wobei dieses einen diametral sich erstreckenden magnetischen Anker aufweist, der die Neigung hat, sich selbst gegenüber diesem Feld auszurichten und der deshalb für kleine Ablenkungen aus der neutralen Stellung ein Moment erzeugt, welches proportional zur Ablenkung ist. Dadurch ist es möglich, daß das Torsionssignal in der Leitung 11 in einer etwa ähnlichen Weise, wie das Drehzahlsignal erzeugt werden kann, indem eine Kondensatorelektrode im Torsionsschaufelwerk vorgesehen ist, welche mit zwei stationären Elektroden derart zusammenwirkt, daß zwei Kondensatoren gebildet werden, die, wenn kein Drehmoment auftritt, gleich sind, die jedoch entgegengesetzt verändert werden, wenn das Torsionsmeß-Schaufelwerk aus seiner Nullage heraus verdreht wird. Eine Kapazitätsmeßbrücke, die die beiden Kondensatoren enthält, kann deshalb verwendet werden, um einen Signalausgangswert zu erzeugen, der der Winkelver- · Schiebung proportional ist und der demzufolge der Drehmomentenreaktion des Schaufelwerkes proportional ist.For this purpose, the torsion blade system is held against rotation in that in the stator a permanent magnet 110 is arranged, which generates a field which diametrically extends through the torsion blade system extends therethrough, this one diametrically extending magnetic Has anchor that has the tendency to align itself with this field and therefore for small distractions from the neutral position a moment is generated which is proportional to the distraction is. This makes it possible that the torsion signal in the line 11 is approximately similar Way the speed signal can be generated by placing a capacitor electrode in the torsion paddle is provided, which cooperates with two stationary electrodes in such a way that two capacitors are formed which are the same when no torque occurs, but which are changed in the opposite direction when the torsion measuring vanes is rotated out of its zero position. A capacitance measuring bridge, which contains the two capacitors can therefore be used to generate a signal output value that represents the angular displacement Shift is proportional and consequently proportional to the torque reaction of the paddle mechanism is.

Es sei bemerkt, daß Einzelheiten der beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen abgeändert werden können, wobei diese Abänderungen im Rahmen der Erfindung liegen. Beispielsweise kann die Schaufelwinkeleinstellvorrichtung einen anderen Aufbau haben und kann beispielsweise anstatt elektrisch hydraulisch betrieben werden, falls dies gewünscht ist und alle Rechengeräteelemente oder einzelne Rechengeräteelemente, die verwendet werden, können Elemente eines Analogrechners sein, anstatt Elemente eines Digitalrechners.It should be noted that details of the described and illustrated embodiments have been modified can be, these modifications being within the scope of the invention. For example, the The blade angle adjustment device may have a different construction and, for example, instead of electrical operated hydraulically, if so desired and all computing device elements or individual computing device elements, that are used can be elements of an analog computer instead of elements a digital computer.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Flow meter for a fluid medium flowing in a channel with one in the channel arranged stationary deflection or deflection device, which is set up in such a way that this gives the fluid medium a vortex or a rotation about an axis of the channel, a device for measuring the vortex or rotation speed generated on this ig and a torque-responsive reaction device for measuring a torque reaction caused by said vortex motion of the fluid medium which flows through the channel is generated, and with a Direct display of the mass flow rate by computing devices according to patent 1 284647, characterized by a deflection device (6) actuating servomotor (21) in connection with a controlling this motor on the Output of the computing device (13,14,15) responsive follow-up control (19) for the deflection device.

2. Flow meter according to claim 1, characterized in that the follow-up control (19) to one of the output of the arithmetic unit (13,14,15) connected, a nominal speed (N ₁ ) determining computing device (18) and on the other hand to a speed of the Speed turbine (2) measuring device (13) is connected.