-
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Durchflußmengen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Messung der Durchflußmenge von Fluden wie Flüssigkeiten,
Gasen und pulverförmigen Material. Die entsprechende Vorrichtung benötigt keine
rUmmungen oder umlauf enden Teile im Strömungsweg.
-
Es besteht ein großes BedUrEnis nach Mengenmessern, welche die in
der Zeiteinheit durchströmende Masse mit kleinstem Strömungswiderstand und ohne
bewegte FlAchen im Strömung weg, die von dem strömenden Material angegriffen werden,
oder es verunreinigen könnten bzv. Undichtigkeiten verursachen könnten, messen.
Beispielsweise ist es in der Verfahrenstechnik häufig erforderlich, korrodierende
Flüssigkeiten in genau festgelegten Gewichtsverhältnissen zu mischen. eim kuBtanken
von Flugzeugen aus der Luft ist es vorteilhaft, die abgegebene Brennstoffmenge gewichtsmäßig
bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten und sehr geringen
Druckverlusten
zu erfassen. In der Nahrungsmittelindustrie ist es vor allem vichtig, daß das Meßgerät
so gebaut ist, werden daß die strömende Masse nicht verunreinigtVoder in Ecken und
umlaufenden Teilen hängenbleiben kann, sowie daß eine leichte Reinigungsmöglichkeit
gegeben ist. Bei Rohrleitungen ist die Mengenmessung von Flüssigkeiten, z. B.
-
Rohöl, der volumetrischen Messung überlegen, weil Dichteschwankungen,
die z.B. von eingeschlossenen Gasen herrühren, bei der Mengenmessung keinen Meßfehler
verursachen. Die Mengenmessung ist auch vorteilhaft ftir gasförmige Brennstoffe,
weil die Heizwerte mit der Dichte schwanken. Ferner muß die Gasmessung bei sehr
geringen Druckverlusten vor sich gehen.
-
Als Mengenmesser mit hindernisfreien Strömungswegen sind die umlaufenden
oder oszillierenden treiselmesser verschiedener Art bekannt. Der treiselmesser hat
den Nachteil, daß eine oder mehrere Schleifen mit entsprechenden krümmungen und
Windungen zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Meßgerätes erforderlich sind. Um
eine genaue'Strömungsmessung zu ermöglichen, muß außerdem der Durchmesser der Schleife
10 bis 20 oder mehrmals so groß wie der Bohrdurchmesser sein (bei kreisförmigem
Querschnitt), weshalb das Gerät groß und unhandlich wird. Wegen der erforderlichen
Leitungskriimmungen ist der rreiselmesser schwierig von innen zu reinigen; wenn
geradlinige Strömung vorgeschrieben ist, ist
das Gerät ganz unbrauchbar.
Außerdem erfordert der umlaufende treiselmesser umlaufende Flüssigkeitsdichtungen,
die zu ernsten Leck- und Reibungsproblemen führen.
-
Andere bekannte Strömungsmesser' die keine umlaufenden Teile, Krümmungen
oder Hindernisse im Strömungsweg besitzen, nämlich akustische und elektromagnetische
MeßgerSte, messen eine Durchschnittsgeschwindigkeit. aus der eine volumetrische
Strömungsgeschwindigkeit abgeleitet wird. Um den Massendurchsatz zu erhalten, muß
eine gesondert Dichtemessung mit anschließender Berechnung vorgenommen werden.
-
Das erfindungsgemäße Meßverfahren wiest diese Nachteile noicht auf.
Es macht Gebrauch von einem geradlinigen, den Strömungsquerschnitt nicht verengenden
Rohrstück, und ist dadurch gekennzeichnet. daß das beweglich gelagerte Rohrstück
in Schwingungen quer zur Strömungsrichtung Versetzt wird und daß die auf das Strömungsmittel
übergehende Bewegungsgröße, die ein Maß fUr die das Rohrstück durch setzende Nasse
darstellt gemessen wird.
-
Die Erfindung beruht auf folgender srscheinung:Wenn von einem Erreger
eine Schwingung auf eine seitlich begrentte Materialströmung gegeben wird und eine
Different zwischen einer senkrecht zur Strömungsrichtung gerichteten Bewegungsgröße
des in den Erreger eintretenden und des ihn
verlassenden Materials
vorhanden ist, so wird mechanische Energie von dem Erreger abgeführt und der Strömung
zugeführt, und zwar ist die übergehende Energiemenge unmittelbar proportional zum
Massendurchsatz des strömenden Mittels. Dies kann mathematisch folgendermaßen ausgedrückt
werden, wobei der Einfachheit halber unter Flüssigkeiten alle sich ähnlich wie Flüssigkeiten
verhaltenden Flude verstanden sein sollen: Wenn ein Rohrstück, durch das eine Flüssigkeitsströmung
in einer Richtung stattfindet, translatorisch senkrecht zur Strömungsachse bewegt
wird und die Querverschiebung mit X1, die entsprechende Geschwindigkeit mit x1 und
die entsprechende Beschleunigung mit x1 bezeichnet werden und wenn angenommen wird,
daß keine Querströmung der Flüssigkeit vor dem Eintritt in das Rohrstück vorhanden
war, so läßt sich die Querkraft Ft, die zur Bewegung des Rohrstücks und zur Erzeugung
der quergerichteten Beuegungsgrdßenänderung der Flüssigkeit beim Durchgang durch
das Rohrstück erforderlich ist, wie folgt angeben: (1) Ft = (m + m') X1 + MX1 Hierbei
sind m die jeweils in dem Rohrstück befindliche Flüssigkeitsmasse, m' die feste
Masse des bevegten ohrstücks und M die Durchflußgeschwindigkeit der Masse, also
der Massendurchsatz durch das Rohrstück. Das zveite Glied
(x1M)
beansprucht in Beziehung zu der Erfindung das Hauptinteresse, da es zeigt, daß eine
zum Massendurchsatz proportionale Kraft existiert, die einen Energieaustausch zwischen
dem bewegten Rohrstück und der Flüssigkeit hervorruft. Dies gilt unabhängig davon,
ob die Quergeschwindigkeit konstant oder periodisch ist. Erfindungsgemäß wird dem
Rohrstück eine Vibration mit kleiner Amplitude erteilt (obwohl die Amplitude theoretisch
Jeden beliebigen Wert haben könnte), so daß sich eine periodische Querkraft ergibt
und der ausströmenden Flüssigkeit eine periodische Bewegungsgröße in Querrichtung
hinzugefügt wird; beide sind in Phase mit der Quergeschwindigkeit des Rohrstücks.
-
Wird der Energieübergang durch Messung der mechanischen Sckeingungsverluste
des schwingenden Rohrstücks infolge der Massenströmung bestimmt, so erkennt man,
daß die Durchflußmenge als Dämpfung auftritt und auch die Dimensionen derselben
hat. Sie kann also mittels einer der vielen bekannten Meavorrichtungen für die Viskosität
von Flüssigkeiten oder die innere Dämpfung von Festkörpern, bei denen ein festes
Probestück in Schwingungen versetzt wird, gemessen werden. Der Energietibergang
und damit die Durchflußmenge kann auch durch Messung der Bevegungsgröße in Querrichtung
der das schwingende Rohrstück verlassenden Flüssigkeit besteht werden, z.B. mittels
eines veiteren stromabwärts angeordneten Rorstücke's, das von der ausströmenden
FlKssigkeit in Querschwingungen versetzt wird, oder durch Messung
des
dynamischen Drucks senkrecht zur Strömungsachse.
-
Das Erfindungsprinzip ist nicht darauf beschränkt, daß das schwingende
Rohrstück eine reine Translationsbewegung ausführt. Es kann auch um ein Zentrum
verschwenkt werden, das auf der Strömungsachse an oder vor dem Einlaß des Rohrstücks
gelegen ist. In diesem Falle läßt sich das Quermoment Tt, das erforderlich ist,
um das Rohrstück um einen Winkel § zu verschwenken und eine bestimmte änderung der
Bewegung sgröße der Flüssigkeit in Querrichtung hervorzurufen, folgendermaßen angeben
: (2) Tt = (I + I') Q1 + ML2Q1 Hierbei ist angenommen, daß das Rohrstück gleichmäßigen
Querschnitt hat und um eine Achse in. der Einlaßebene verschwenkt wird. 1, ist das
Trägheitsmoment der in einem bestimmten Zeitpunkt im Rohrstück befindlichen Flüssigkeit.
um das Zentrum, I' das feste Trägheitsmoment des rohrstücks um dieses Zentrum, Q1
die Winkelgeschwindigkeit, o1, die Winkelbeschleunigung und L die - Länge -des:
Rohrstücks, Wie vorher ist das zweite Glied (ML2Q1) am wichtigsten ; erfindungsgemäß
ist ferner die Winkelbewegung periodisch. Wenn am freien Ende des Rohres eine Vibrationskraft
Ft in Querrichtung angreift, so ist der Teil mVQ1 der Kraft, der, zur Überwindung
des dämpfenden Einflusses der strömenden, Masse erforderlich ist, einer Coriolis-Kraft
gleichwertig,
wobei V die Strömungsgeschwindigkeit und Vo1 eine
Coriolis-Beschleunigung ist. Für kleine Winkelauslenkungen und große Radien von
der Schwenkachse zum Auslaß des Rohrstücks gilt: Ft = MLQ1 ist etwa gleich Nx1 und
es ist klar, daß die Messung der Durchflußmenge sowohl mit einem translatorisch
bewegten Rohrstück, als auch mit einem eine Schvenkbevegung ausführenden Rohrstück
durchgeführt werden kann, wobei der Fehler von der Größe der Winkelauslenkung abhängt.
Der Fehler ist vernachlässigbar für eine Winkelamplitude unterhalb + 50 und eine
Amplitude bis zu + 100 ist noch zulassig.
-
Vernachlässigt man die-sähigkeitseinflüsse und vermeidet alle bewegten
Teile in der Strömung, so kann das-schwingende Rohrstück der Strömung nur eine Bewegungskomponente
mitteilen, die senkrecht zur Strömungsrichtung an irgendeiner Stelle innerhalb des
Strömungskanals verläuft, Die erfindungsgemäß zu erfüllende Bedingung' bestehtnur
darin, daß die das schwingende Rohrstück verlassende Flüssigkeit eine periodische
Querkomponente der Geschwindigkeit aufweist, die sie beim Eintritt in das Rohrstück
noch nicht hat.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele
erläutert. Hierin sind
Fig. 1 ein Vektordiagramm der auftretenden
Vibrationskräfte; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Durchflußmengenmessers
mit translatorischer Bewegung des Meßgliedes; Fig. 3 eine perspektivische Ansicht
des Meßteils der Anordnung nach Fig. 3; Fig. 4 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Durchflußmengenmessers, bei dem das Meßrohr verschwenkt wird;
Fig. 5 ein Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 4; Fig. 6 ein Schnitt längs der Linie
CC in Fig. 4; Fig. 7 ein Grundsatzschaltbild der elektrischen Einrichtung von Fig.
4; Fig. 8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Durchflußmengenmessers,
bei dem die der Flüssigkeit mitgeteilte Bevegungsgröße unmittelbar durch ein zweites
bewegliches Rohrstück gemessen wird; Fig. 9 ein Schnitt längs der Linie D-D in Fig.
8; Fig. 10 ein Schnitt längs der Linie E-E in Fig. 8; und Fig. 11 eine schematische
Darstellung einer Rückführung bei der Anordnung nach Fig. 8.
-
Der in Fig. 2 und 3 dargestellte Durchflußmengenmesser besteht aus
dem eigentlichen Meßsystem 1, das Iit schem Wechselstrom der Kreisfrequenz W über
einen Xegeltransformator
2 versorgt wird, und verschiedenen elektrischen
Meßinstrumenten, die einzeln oder gemeinsam zur Anzeige der Durchflußmenge verwendet
werden können. Dargestellt sind ein Amperemeter 3 für den Antriebsstrom, ein Wattmeter
4, ein Stromphasenmesser 5ein Voltmeter 6, ein Spannungsphasenmesser 7 und ein zweites
Voltmeter 8.
-
Sämtliche Meßinstrumente haben bekannte Konstruktion und kennen je
nach den Betriebsbedingungen und Feder geforderten Meßgenauigkeit wahlweise eingesetzt
werden. Das Meßsystem 1 besteht aus einem Gehäuse 9, einem Schwinger 10, einer Schwingspule
11 und einer Abnahmespule 12. Das Gehäuse 9 enthält einen zentralen Hohlraum 13,
der mit einem Einlaß 14 silber einen Kanal 15 und mit einem Auslaß 16 über einenkanal
17 in Verbindung steht. Der Schwinger 10 besteht aus einem zylindrischen Rohr 18,
Blattfedern 19 und 20, die in der Mitte des Rohres 18 diametral gegenüber angeordnet
sind, wobei die den Langseiten der Blattfedern parallele Mittelebene derselben die
Längsachse des Rohres 18 enthält7 Perner aus der Schwingspule 11, die an dem Rohr
18 mittels eines Stabes 22 befestigt ist, und aus einem zylindrischen Dauermagnetkern
23, der an dem Rohr 18 mittels-eines Stabes 24 betestigt ist. Die Längsachsen der
Spule 11 und s Xerns 23 fallen zusammen und diese gemeinsame Achse schneidet die
Längsachsender Blattfedern 19 und 20 und des Rohres 18 rechtuinklig. Der Schwinger
10 ist im Hohlraue 13 mittels der Blattefedein 19 und 20, deren äußere
Enden
in den Wänden 25 und 26 des Gehäuses eingespannt sind, aufgehängt. Die Schwingspule
11 kann sich innerhalb eines Dauermagneten 21 in Axialrichtung x1-x1 frei bewegen.
-
Der Magnetkern 23 ist koaxial und frei beweglich innerhalb der Aufnahmespule
12.in der gleichen Achsenrichtung x1-x1.
-
Das Rohr 18 kann sich durch Biegeschwingungen der Federn 19 und 20
translatorisch in Richtung x1-x-1 bewegen. Um die Kanäle 15 und 17 gegen den Hohlraum
13 abzudichten befinden sich hohle Dichtungsringe 27 und 28 in Berührung mit der
Oberfläche des Rohres 18 und mit Nuten in len-Kanälen. Diese Dichtungsringe müssen
sehr leicht biegsam sein und geringe innere Dämpfung haben, damit sie nicht die
Federkonstante beeinflussen oder die Dämpfungskräfte der Flüssigkeit erhöhen. Stattdessen
können auch V-oder U-förmige Ringe oder Membranen zur Abdichtung verwendet werden
Handelt es sich um Strömungsmittel~geringer Zähigkeit, : können die Dichtungsringe
ganz wegfallen. Ein Wechselstrom mit konstanter Spannung Es wird der Frimärwicklung
des Regel transformators 2 zugeführt, dessen Sekundärwicklung einen Antriebsstrom
ip liefert, der über die Adern 31 und 32 zu den Klemmen 29 und 30 und damit zur
Schwingspule 11 gelangt. Der antriebsstrom ip fließt über einen kleinen Widerstand
33, der eine-zum Strom proportionale Spannung ei mit der gleichen- Phase- auf den
Spannungsphasenmesser-7 gibt. Die Ausgangsspannung e. der Abnahmespule 12 wird über
die Klemmen 34 und 35 auf Adern 36 und 37 und dann auf
den Phasenmesser
7 und das Voltmeter 8 gegeben.
-
Im Betrieb wird der Wechselstrom ip vom Transformator 2 auf die Schwingspule
11 gegeben, die durch Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Dauermagneten 21 eine
Vibrationskraft Pd auf die Schwingspule 11 und damit auf den ganzen Schwinger 10
erzeugt, welche in Phase mit und proportional zu dem Strom i ist. Das Rohr 18 schwingt
infolgedessen in Richtung x1-x1 mit einer Amplitude x1 unter einem Phasenwinkel
#, wobei die angelegte Kraft Pd ist. Das Strömungsmittel mit einem Massendurchsatz
M und einer resultierenden Geschwindigkeit, welche identisch mit der Achsengeschwindigkeit
VA ist, tritt in das Meßsystem durch den Kanal 40 der in das Gehäuse 9 eingeschraubten
Armatur 38 ein, gelangt in den kanal 15 und dann in das Innere 41 des schwingenden
Rohres 18, woraufhin es in den Kanal 17 mit einer resultierenden Geschvindigkeit
Vo austritt.
-
Letztere ist die Vektorsumme der ursprünglichen Axialgeschwindigkeit
VA und der im Rohr 18 ervorbenen Quergeschwindigkeit VT. Um Störungen durch- die
Ränder des schwingenden Rohres und der Armaturen bei großen Amplituden zu vermeiden,
haben die Strömungskanäle in Strömungsrichtung fortschreitend zunehmenden Durchmesser,
so daß der Austrittskanal 42 breiter als 4er kanal 41 und dieser wieder breiter
als der Kanal 40 ist. Die Armaturen 38 und 39 sind so nahe wie möglich am schwingenden
Rohr 18 angeordnet,
um eine Ausbreitung der Strömung in die Kanäle
15 und 17 möglichst gering zu halten. Die Ränder der Armaturen 38 und 39 und des
Rohres 18 sind abgeschrägt, um Reibungswiderstände möglichst klein zu machen. Gemäß
der Erfindung hat die das schwingende Glied (Rohr 18) verlassende Flüssigkeit eine
quer zur Strömungsachse gerichtete Geschwindigkeit VT, die in Größe und Phase mit
der Vibrationsgeschwindigkeit x1 des Rohres ,18 übereinstimmt. Da die Abnahmevorrichtung
nur auf Geschwindigkeiten anspricht, ist die an den klemmen der Spule 12 auftretende
Induktionsspannung ex1 proportional zu und in Phase mit x1, so daß der Phasenwinkel
zwischen dem Antriebsstrom p und der induktionsspannung den Wert (900 + #) hat.
-
Es sollen nun die verschiedenen in Fig. 2 gezeigten MeB-vorrichtungen
für die Durchflußmenge im einzelnen erläutert werden. Unter Annahme rechtwinkliger
toordinaten und mit Berücksichtigung der mechanischen Kräfte der Federn 19 und 20
lautet die Bewegungsgleichung; (3) (m+m') x1 + (M+Do) x1 + Ksx1 = Pd Hierbei sind
Do der kombinierte Koeffizient der Viskosität und der inneren Reibung des Schwingsystems
und Ks die Federn konstante.
-
Unter der Annahme, daß die periodische Vibration vol einer aufgeprigten
Sinuskmaft ait fester Amplitude Po und Kreisfrequenz # erseugt wird und daß die
Systemkoeffisiemtem
konstant sind, ändert sich auch die Verschiebung
des schwingenden Gliedes sinusförmig mit der gleichen Frequenz, eilt aber der aufgeprägten
Kraft um einen zeitlichen Phasenwinkel α nach. Die Vektorbeziehungen zwischen
den Amplituden der aufgeprägten Kraft und den Blind- und Wirkkräften des Schwingsystems
ergeben sich aus Fig. 1.
-
Flir stationären Zustand muß ein Gleichgewicht einerseits zwischen
der @indkomponente und der auf geprägten Kraft PO und den Blindkräften des Systems
und andererseits zwischen der Wirkkomponente der auf geprägten Kraft und der Dämpfungskra£t
des Systems herrschen. Bezeichnet man noch mit X1 die Amplitude der Verschiebung
und mit X1 die Amplitude der Geschwindigkeit des Schwingers, so ergeben sich folgende
Bedingungsgleichungen: Blindgleichgewicht Po cos@ + (m+m') x1# -KSX1/# = 0 oder
Po cos α + (m+m') X1#2 - KSX1 = O Virkgleichgevicht Po sinα - (M + Do)
X1 = O oder PO sin α = (M + Do) X1 # = O Damit kann die Durchflußmenge bzw'.
der Massendurchsatz ausgedrUckt werden alss
Po sinα (4) M
= - Do x1 : P@ sinα oder M = » - D@ x1 # Um die Durchflußmenge durch die Beziehung
nach Gleichung (4) zu berechnen, kann sie wie folgt geschrieben werden: IP sinα
M = K4 - Do Ex1 Hierbei sind 1 die Amplitude des Antriebsstromes, Ex1 die Amplitude
der an der Abnahmespule gemessenen Spannung und K ein Proportionalitätsfaktor. Die
Gesamt dämpfung kann aus Ablesungen des Amperemeters 3, des Phasenmessers 7 und
des Voltmeters 8 berechnet werden. Ein Festwert Do, der sich aus der Ablesung bei
versubvindender Durchflußgeschvindigkeit ergibt, muß von allen Meßwerten der Gesamtdämpfung
abgezogen werden, um die Einflüsse de@ Zähigkeit und der inneren Reibung zu berücksichtigen
und die wahre Durchflußmenge zu ergeben.
-
Um die Genauigkeit und Empfindlichkeit zu verbessern, ist es erwünscht,
die Vibrationsgeschwindigkeit bei allen Werten der Durchflußmenge konstant zu halten.
Hierdurch lassen sich die Einflüsse von Nichtlinearitäten des Vibrationssystems
ausschalten, sowie unmittelbar proportionale statt reziproke Ablesungen der Durchflußmenge
gewinnen.
-
Dies geschieht dadurch, daß der Regeltransformator 2 solange verstellt
wird, bis am Voltmeter 8 der vorgegebene Festwert der Schwingspannung e abzulesen
ist. xl Dann l§ßt sich der Massendurchsatz aus den Ablesungen des Amperemeters 3
und des Phasenmessers 7 berechnen, wobei der gewählte Festwert von ex1 in eine neue
Proportionalitätskonstante t1 einbezogen werden kann.
-
Wenn das Strömungsmittel unveränderliche Dichte hat und die Erregungsfrequenz
gleich der konstanten und stabilen Eigenfrequenz des Schwingsystems gemacht wird,
so gilt sin α = 1; wird dann wie vorher ex1 durch Äderung des Antriebsstromes
konstant gehalten, so kann die Durchflußmenge direkt vom Amperemeter 3 abgelesen
werden. Die Eigenfrequenz und die Erregungsfrequenz werden einfacher auf dem gleichen
Wert gehalten, wenn ein Verstärker 43 verwendet wird, der die Ausgangsspannung e'
von den Klemmen 34 und 35 xl über Adern 44 und 45 erhält und einen antriebsstrom
ip in Phase mit e über die Adern 46 und 47 auf die Klemmen 29] xl und 30 gibt. Der
Verstärker 43 und das Schwingsystem bilden also einen rückgekoppelten elektromechanischen
Oszillator und da der Antriebsstrom in Phase mit der Ausgangsspannung und also Qit
der Vibrationsgeschwingdigkeit, gilt sin 1. ex1 kann durch Verstellung des Verstärkungsgrades
am Verstärker 43 von Hand oder durch eine automatische Verstärkungsregelung in bekannter
Weise konstant gehalten werden. Beispielsweise wird hiersu eine Sättigunsdrossel
verwendet,
die durch einen mit ex1 veränderlichen Gleichstrom vormagnetisiert
wird, oder die Ausgangsgleichspannung wird zur Vorspannungserzeugung einer Regleröhre
verwendet.
-
Es zeigt sich, daß die Dichtungen 27 und 28 oder ihre Äquivalente
in einem Ausmaß, dai von der Konstruktion abhängt, druckempfindlich sind. Dies hat
die Wirkung einer schwankenden Federkonstante und beeinflußt in geringerem Ausmaß
auch die innere Reibung, wodurch leichte Verschiebungen der Resonanzfrequenz eintreten.
Un die Genauigkeit und Empfindlichkeit zu verbessern, sowie die Belastung der Dichtungen
und damit die Reißgefahr zu verringern, steht vorzugaweise die Kammer 13 unter einem
äußeren Gasen druck, der den Druckunterschied beiderseits der dichtungen auf einem
verschwindenden oder geringen positiven Wert Mit. Stattdessen könnte die Kammer
13 auch lit einer inkompressiblen Flüssigkeit geringer Zähigkeit gefüllt sein; in
diesem Falle ist ein. äußere Druckasübung nicht erforderlich.
-
Aus den oben angeschriebenen Gl eichgewichtsbedingungen des Schwingsystems
ergibrt sich, daß der Massendurch@ats auch durch die folgende Gleichung definiert
werde kann: (5) H = # Ks /# - (m+m')## tanα-Do pur konstante Verte der Federkenstante.
der Flüssigkeitsdichte und der Zrregunsfrequens kann demach der Massendurchsatz
bzw.
die Durchflußmenge einfach durch Ablesung des Phasenmessere 7 allein bestimmt werden
und wenn die Skala des Phasenmeters 7 entsprechend eingeteilt ist, so läßt sich
die Durchfliußmenge unmittelbar ablesen, Für diese Messung kann die Erregungsfrequenz
Cg Jeden beliebigen Wert außer der Resonanzfrequenz des Schwing systems haben.
-
Die Durchflußmenge kann ferner durch folgende Gleichung ausgedrUckt
werden:
Wenn wieder die Flüssigkeitsdichte, die Federkonstante und die Erregungsfrequenz
konstant sind und die Vibrationsgeschvindigkeit abermals auf einem konstanten Wert
gehalten wird, so gibt sich aufgrund dieser Gleichung die Durchflußmengc durch einfache
Ablesung des Amperemeters 3 bestimmen, da:
Hierbei sind t6 und C6 tonstanten.
-
Auch der folgende Ausdruckkann zur Bestimmung der Durchflußmenge herangezogen
werden: 2 # (7) M = - Do (x1) 2
Hierbei ist @ die der Vorrichtung
zugeführte Leistung.
-
Wieder empfiehlt es sich, ex. also die Vibrationsfrequenz, durch Verstellung
des Regeltransformators konstant zu halten.
-
In diesem Falle kann die Leistung direkt am Wattmeter 4, dessen Skala
in Einheiten der Durchflußmenge geeicht sein kann, abgelesen werden. Stattdessen
kann die Durchflußmenge auch aus den Ablesungen des Amperemeters 3, des Voltmeters
6 und des Phasenmessers 7 errechnet werden. Wie bei den anderen Messungen wird ein
Grundbetrag von der abgelesenen Größe abgezogen, um den Einfluß der Dämpfung für
verschwindende Durchflußgeschwindigkeit auszuschalten. Auf grund der Gleichung (7)
wird die Durchflußmenge durch unmittelbare Bestimmung der vom Schwinger abgegebenen
Energie gemessen, während die übrigen Meßvorschläge darauf beruhen, die Durchflußmenge
durch Bestimmung der vom Energieübergang in die Flüssigkeitsströmung verursachten
Änderungehder mechanischen Impedanz des Schwingers zu erfassen.
-
Die in Fig. 4 bis 7 dargestellte lzsfUhrungsSorm des erfindungsgemäßen
Meßgerätes bezieht sich auf einen Drehschwinger entsprechend Gleichung (2). Wie
Fig. 4 zeigt, ist das Schvenkbewegungen ausführende Rohr am einen Ende fest eingespannt,
so daß das Rohr auch als Tragbalken wirkt, der seine eigene Rückstellkraft aufbringt.
Stattdessen konnte das Xohr am einen Ende auch gelenkig gelagert sein und mit einer
besonderen Feder versehen werden. Die dargestellte
Vorrichtung
ist im wesentlichen ein Phasenmesser, der den Sinus des Phasenwinkels zwischen der
erregenden Kraft und der Rohrauslenkung als Maß der Durchflußmenge anzeigt. Hierbei
wirkt das Rohr als Motoranker zur Aufbringung der erregenden Kraft und gleichzeitig
als Generator zur Induktion des Ausgangssignals. Es wird eine Schaltung verwendet,
die eine konstante Schwingungsamplitude gewährleistet und unerwtinschte falschphasige
Komponenten vom Ausgang fernhält.
-
Die Vorrichtung besteht aus dem eigentlichen Meßgerät 48, einer Gleichspannungsquelle
49, die mit Wechselstrom der Kreisfrequenz # gespeist wird, einer elektronischen
Antriebsregelschaltung 50, einer Kompensationsschaltung 51 und verschiedenen zusätzlichen
elektrischen Bauteilen, die im einzelnen veiter unten beschrieben werden.
-
Das Meßgerät 48 besitzt ein Gehäuse 52 mit EinlaßtS£fnung 53, die
zu einer langen zylindrischen Bohrung 54 führt. Diese endet in einer kürzeren zylindrischen
Kammer 55 von uesentlich größerem Durchmesser als die Bohrung 54. Das Schwingrohr
56 ist ein dünnwandiges Rohr mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt, dessen
Achse im Ruhetustand mit der Längsachse des Gehäuses 52 zusammenfällt, Der Durchiesser
der Bohrung 54 ist lehrlals abgestuft, und zwar ist in eiaei Bereich 57 der Durckaesser
etwas geringer als die lichte Weite des schwingrohres 56, so daß sich eine Schulter
ergibt,
die als Anschlag in Längsrichtung für das Schwingrohr dient.
Der Durchmesser der Bohrung 54 im Bereich 59 ist gleich dem Außendurchmesser d des
Schwingrohres 56 innerhalb der Toleranzen eines Paßsitzes. Um eine Längsverschiebung
des Schwingrohres 56 im Gehäuse 52 zu verhindern können eine oder mehrere Feststellschrauben
60 verwendet werden. Im Bereich 61 ist die Bohrung 54 hinterschnitten und mit einer
Nut versehen, um einen O-Ring 62 aus Gummi oder dgl. auf zunehmen, der das Eindringen
des Strömungsmittels in die Ringräume zwischen dem Schwingrohr 56 und dem Gehäuse
52 in der Bohrung 54 und der rammer 55 verhindern soll. Dank dieser Bauart kann
das Schwingrohr 56 leicht in das Gehäuse 52 eingebaut und ausgebaut werden. Am anderen
Ende ist das Schwingrohr 56 unlösbar mit einer gewellten topf£örmigen.Membran 63
aus Metall oder dgl. verbunden.
-
Die Membran 63 hat einen Flansch 64, der zwischen der Auslaßarmatur
65 und einer Deckplatte 66 mittels Schrauben 67 eingeklemmt ist. Dichtungen 68 aus
Gummi oder dgl. sind beiderseits des Flansches 64 zur Abdichtung vorgesehen. Bei
der in Fig. 4 dargestellten Konstruktion werden das Schwingrohr 58, die Membran
63, die Endarmatur 65, die Deckplatte 66 und die Dichtungen 68 vorher zusammengebaut;
dann wird die ganze Anordnung in das Gehäuse 52 eingeschoben und mittels der Schrauben
69 und 60 befestigt. Die Membran 63 dient sowohl als Flüssigkeitsabdichtung, als
auch als Zuleitung.für den elektrischen Strom von der klemme 71 zum
Schwingrohr
56. Die Dichtungen 68 dienen auch als elektrische Isolatoren für den Flansch 64
der Membran 63. Wenn ein nichtleitendes Material für die Membran 63 verwendet wird
oder wenn keine Dichtung erforderlich ist tz. B. bei Gasmengenmessern), so ist ein
zusätzlicher biegsamer Leiter, z.B. ein schraubenförmig gewickelter Draht, zur Zufuhr
der elektrischen Energie zum Schwingrohr erforderlich. Bei der Anordnung nach Fig.
4 fließt der das Schwingrohr 56 durchfließende elektrische Strom über die Wand des
Gehäuses 52 im Bereich 59 zur Erde zurück.
-
Wenn eine stark leitfähige Flüssigkeit gemessen wid, so muß das Schwingrohr
vom XhSuse isoliert sein. In diesem Falle dient eine isolierte elektrische Ader
zur Rückleitung des Stromes an die negative Klemme der Spannungsquelle 49, die dann
ebenfalls von Erde isoliert sein wird.
-
Der zur Anregung der Vibrationen dienende Feldmagnet 72 ist im Ringraum
der Kammer 55 zwischen dem Schwingrohr 56 und dem Gehäuse 52 untergebracht. Der
Feldmagnet besteht aus einer geteilten Feldspule 73 und 73a, die auf den beiden
Schenkels eines Weicheisenkerns 74 untergebracht ist. Die Polschuhe 75 und 76 desselben
erzeugen einen Wechselmagnetfluß 6, der den vom Schwingrohr 56 eingenommenen Raum
durchsetzt und sowohl zur Längsachse des Strömungsrohres 56, als auch zu seiner
Vibrationsrichtung xs senkrecht verläuft. Die Feldspulen werden über Adern 77
und
78 erregt, während eine Ader 79 die Spulen 73 und 73a verbindet. Der Feldmagnet
72 gemäß Fig. 4 und 5 wird im Gehäuse 52 angebracht, bevor das Schwingrohr und die
Deckplatte eingesetzt werden. Die Abnahmespule 80 für die Vibrationen wird ebenfalls
vorgewickelt, wobei ihre Leiter 81 in Längsschlitze des Gehäuses 52 eingesetzt werden.
-
Diese Wicklung entspricht der Käfigwicklung bei den bekannten Induktionsmotoren.
Die Leiterachsen verlaufen parallel zur Längsachse des Schwingrohres 56. Die in
der Wicklung 80 erzeugte Ausgangsspannung eO wird über Adern 83 und 84 der elektrischen
Schaltung zugeführt.
-
Die Gleichspannungsquelle 49 besteht aus einem Transformator 85, der
mit Wechselstrom der Vibrationsfrequenz ( gespeist wird und dessen Sekundärwicklung
einen niedergespannten Wechselstrom auf einen Zweiweggleichrichter 86 mit Siebschaltung
gibt. Der Gleichrichter liefert also einen Gleichstrom lt mit der Scheitelamplitude
seines Eingangswechselstromes über einen Widerstand 87 auf die Klemme 71 und damit
zum Schwingrohr 56. Die Regelschaltung 50 für den Antriebsstrom besteht aus einem
Gleichstromverstärker 88 hoher Verstärkung und einer Sättigungsdrossel 89 im Eingangskreis
des Transformators 85. Das Blockschaltbild in Fig. 7 zeigt die Funktion der Regelschaltung.
Ihre Aufgabe ist es, den Gleichstrom It unmittelbar proportional zur Amplitude eO
der Ausgangsspannung der Abnahmespule 80 zu
halten. Für die Regelfunktion
sind Elemente des Gleichrichters 49 und des Regelverstärkers 50 wesentlich; die
Übertragungsfunktion a( EM) umfaßt beispielsweise die Eigenschaften der Sättigungsdrossel
89, des Transformators 85 und des Gleichrichters mit Filter 86. Die Ausgangswechselspannung
eO der Abnahmespule 80 wird in einem elektronischen Wechselstromverstärker 90 auf
einen Wert e verstärkt, der unmittelbar proportional zu eO ist.
-
Die Wechselspannung e'O wird ihrerseits einem Gleichrichter 91 mit
Siebschaltung zugeführt, der in gleicher Art wie der Gleichrichter 86 aufgebaut
sein kann. Die Ausgangsgleichspannung ER des Gleichrichters 91 ist proportional
zur Spannungsamplitude eO und stellt die Bezugsspannung dar, die von links in die
Schaltung der Fig. 7 eingespeist wird. Die Spannung ER tritt an den Adern 92 und
93, auf.
-
Eine Gleichspannung EH, die proportional zum Antriebsstrom It ist,
fällt am Widerstand 87 ab und tritt zwischen den Adern 93 und 94 auf. Die Adern
92 und 94 liefern also eine Eingangsspannung Ee für den Verstärker 88, welche die
Differenz zwischen den Gleichspannungen ER und EH darstellt.
-
Sie ist identisch mit der Spannungsabweichung E e des geschlossenen
Regelkreises in Fig. 7.
-
Die rompensationsschaltung 51 besteht aus einem Stromtransformator
95 und einem Wechselspannungsgleichrichter 96.
-
Die Primärwicklung des Stromtransformators 95 liegt in
Reihe
mit der Feldspule 73 und wird vom Feld strom iF durchflossen. Die Ausgangsspannung
ec des Stromtransformators 95 ist eine Wechselspannung, die um 900 phasenverschoben
gegen den Feldstrom iF ist. Die Spannungec wird dem Spannungsgleichrichter 96 über
die Adern 97 und 98 zugeführt. Die Ausgangsspannung e'c des Verstärkers 96 ist proportional
zur Spannung ec mit der Schwingfrequenz # und hat ebenfalls eine Phasenverschiebung
von 900 gegen den Feldstrom iF. Der Zweck des Verstärkers 96 besteht darin, eine
Belastung des Stromtransformators 95 zu vermeiden.
-
Die verstärkte Ausgangsschwingspannung e'0 tritt am Widerstand 99
zwischen den Klemmen 100 und 101 auf. Die geregelte tompensationsspannung e' tritt
am Widerstand 102 zwischen den Klemmen 101 und 103 auf; Somit ist die Spannung ei
am Eingang des an die Klemmen 100 und 103 angeschlossenen Anzeigevoltmeters 104
gleich der Momentandifferenz zwischen den Spannungen e'O und e'c. Die Spannung ei
ist unmittelbar proportional zum gesamten Dämpfungskoeffizient des schwingrohres
56 und damit zur Durchflußmenge.
-
Die richtige Arbeitsweise der Anordnung. nach Fig. 4 hangt von den
jeweiligen Beziehungen zwischen mehreren veränderlichen Größen ab, die nun beschrieben
werden. In der nachfolgenden Betrachtung beziehen sich die Buchstaben C und r auf
tonstanten. Wird die Wechselspannung Es auf die Feldspule 73 gegeben, so fließt
in dieser ein Wechselstroa
iF = IF sin# t, der einen Wechselfluß
= F sin # t zwischen den Polschuhen 75 und 76 hervorruit. Die Wechselwirkung des
MagnetPlusses mit dem in Längsrichtung in der Wand des Schwingrohres 56 fließenden
Gleichstrom It ergibt eine Vibrationskraft Pd = Po sin # t in Richtung x-x, d.h.
senkrecht zu den Richtungen des Magnetflusses f und des Gleichstromes lt. Die Auslenkung
xf des Schwinrohres 56 in der Zentral ebene der Pol schuhe hinkt hinter der einwirkenden
Kraft um eine zeitliche Phase α nach, so daß gilt xf = xf sin (# t-α).
In diesem Schwingzustand ist die Auslenkung xs des Schwingrohres 56 in der Zentralebene
der Abnahmespule 80 gleichphasig mit und proportional zu x£, wobei der Proportionalitäts£aktor
C1 eine Konstante ist. Es gilt also xs ~ C1Xf. Die Ausgangsspannung eo der Abnahmespule
80 ist proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des Magnetflusses #o, der dem Gleichstrom
It zugeordnet ist. Die Änderung wird durch die Vibration verursacht. Es gilt #o
= Ks It xs
dxf = xp # cos (#t - α) = xf # [cos@t cosα+sin#t sinα] Die Ausgangsspannung
e'0 des Verstärkers 90 ist in Phase und proportional zur Spannung eo, e'o = c'e'o
= C'KoKsC11t# [cos#t cosα + sin#t sinα]
e'c = E'o [cos#t
cosα+sin#t sin@@]=Co#ItXf[cos@t cosα+sin#t sinα] Aus Fig. 7 kann
entnommen werden, daß die Übertragungsfunktion des Regelkreises folgendermaßen ausgedrückt
werden kann:
Ist die Verstärkung des Verstärkers 88 so hoch, daß gilt a#sKgHB
so vereinfacht sich dies zu ER = HBIt Der Wert von HB ist praktisch gleich demjenigen
des Widerstandes 87. Die Große von ER ist gleich der Amplitude E' der Wechselspnnung
e'o. Somit ist CoItXf# = HBIT und HB = CoXf@. Für konstanter Erregungsfrequenz gilt:
Po cos α Kf Es It cos α xP # = = .
-
[Ks/#-(m+m')#] - [Ks/# - (m+m')#] Hierbei sind Es die Amplitude der
netzwechselspannung es2, o Ks eine Ersatzfederkonstante für das Schwingrohr und
(m+m') eine konzentrierte Ersatzmasse für das Schwingrohr mit Inhalt. Nun kann man
aufl-3sen:
Die Ausgangsspannung eo des Transformators 95 ist um 900 phasenverschoben
gegen den Feldstrom iF, d.h. eo = Ec (sin # t#/2) = -Ec cos # t. Durch entsprechende
Wahl des Verstärkungsgrades des Verstärkers 96 läßt sich erreichen, daß die amplixude
E' der Wechselspannung c der Amplitude E'o der Wechselspannung e'o gleichkommt,
so daß gilt [Ks/# - (m+m')E] E'c = E'o = HB2 CcKfEs Kombiniert man die Spannungen
e' und e'o so, daß die Glieder mit cos bJ t entgegengestetzte Polarität aufweisen,
indem die Widerstände 99 und @02 in entsprechender Weise angeschlossen urerilen,
so findet man für die Wechselspannung ei, die @m Voltmeter 104 angezeigt wird, den
folgenden Ausdrucl:
Aus Fig. 1 liest rian ab (M+Do) X M + Do tan α = = (KsC/#- (m+m')#x) (Ks/#-(m+m')
#) und die Amplitude Ei der Wechselspannung ei ist (Ks/# - (m+m')#] (M+Do) (8) E1
= HB CoKfEs [Ks/# - (m+m')#], also
Ei = Cj (M+Do) Das schließlich
erhaltene Meßergebnis ist eine Wechsel Spannung mit der Vibrationsfrequenz, deren
Amplitude proportional zur Gesamtdämpfung bzv. unter Vernachlässigung von Verlusten
zur Durchflußmenge ist. Da die Anlage in Wirklichkeit die Änderungen des Vibrationsphasenwinkels
mit der Dämpfung mißt, kann sie bei jeder Frequenz außer der Resonanzfrequenz betrieben
verden; im letzteren Falle wXre nämlich der Phase winkel konstant bei 900. Das Meßgerät
48 kann aber auch anstelle des Meßgerätes 1 zusammen mit einer der in Fig. 2 dargestellten
Anzeigevorrichtungen verwendet werden Die konstruktiven Abmessungen des Mengendurchflußgerätes
hängen von der vorgeschriebenen Genauigkeit, der Empfindlichkeit und der zur Verfügung
stehenden elektrischen Leistung ab.
-
Das Verhältnis der Länge Lt zur lichten Weite d2 des Schwingrohres
56 ist durch die von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Kräfte, durch die Federnachwirkung
und die mechanische Spannungsverteilung beschränkt. Die von der Strömungsgeschwindigkeit
athängige Kraft ist eine Reaktionskraft. die durch dieKrümmung des Schwingrohres
und damit des 8trd ungsweges verursacht wird. Diese Kraft ist proportional zur Durchflußmenge,
multipliziert mit der Axialgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeitskraft bat die Wirkung,
die Federkonstante und damit die Resonanzfrequenz des Schwingsystems zu ändern.
Je länger für eine gegebene Vibrationsamplitude das Schwingrohr ist, desto geringer
ist seine Krümmung und desto klein ist der Einfluß der Geschwindigkeitskräfte.
-
Um also die Geschwindigkeitskräfte möglichst klein zu halten, ist
ein großer Wert von (Lt/d2) erwünscht. Da die Federnachwirkung ebenfalls eine Dämpfungskraft
darstellt, kann sie die Messung der vom Massentransport herrührenden Dämpfung stören.
-
Deshalb ist es erwünscht, das Verhältnis der Gesamtdämpfung zur Federkraft
so hoch wie möglich zu machen. Dies läßt sich durch eine starke Durchbiegung des
Schwingrohres bei der gibt ration, d. h. ein' kleines Verhältnis von Länge zu Durchmesser
erzielen. Der Kleinstwert von (Lt/d2) wird durch die-Spannungsverteilung im Querschnitt
bestimmt. Wegen der Abhängigkeit des Meßsystems von einfachen harmonischen Schwingungen
sollen die Vibrationen des Schwingrohres der einfachen Balkentheorie folgen. Nach
dem Saint-Venasntschen Prinzip stimmt im Abstand eines Durchmesser vom eingespannten
Rohrende die Spannungsverteilung mit der reinen Biegung überein. Deshalb soll die
Abnahmespule nicht näher als 1 1/2 Rohrdurchmesser am festen Ende angebracht sein,
so daß für den Kleinstwert von (Lt/d) der Wert 2 angenommen werden kann.
-
Im allgemeinen werden die folgenden Werte für die Konstruktion des
Schwingrohres empfohlen: Verhältnis der Länge zur lichten Weite (Lt/d2): Nicht mehr
als 15 : 1 oder weniger als 2 : 1, vorzugsweise zwischen 10 : 1 und 5 : 1.
-
Verhältnis des äußeren zum inneren Durchmesser (d1/d2): nicht mehr
als 1,05:1 oder weniger als 101:1.
-
Maximale Strömungsgeschwindigkeit: 15 bis 30 m/sek. für Flüssigkeiten
und 60 - 150 m/Sek. für Gas.
-
In Fig. 8 bis 11 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei
der die dem Flüssigkeitsstrom von einem schwingenden Glied zugeführte periodische
Bewegungsgröße von einem unabhångigen beweglichen Glied festgestellt wird. Am Ausgang
des beweglichen Gliedes kann der Massendurchsatz gemessen werden. Dieses Meßgerät
besteht aus einem gehäuse 15, einem Schwingrohrsystem 106, einem Fühlrohrsystem
107, einer Antriebsvorrichtung 108,'einer Abnahmevorrichtung 109, einem dieDurchflußmenge
anzeigenden 1O.
-
Voltmeternd - verschiedenen Zusatzteilen. Das Schwingrohrsystem 106
besteht aus einem Schwingrohr 111, das mittels einer stange 112 an einer Welle 113
aufgehängt ist, welche in zwei Kugellagern 114 und 115 gelagertd ist. Das obere
Ende der Stange 112 ist ab gesetzt und abgerundet, um als Nockenabtaster zu dienen.
Das Fühlrohrsystem 107 besteht aus einem vom Strömungsmittel durchflossenen Rohr
116, das mittels eines Stabes 117 an Steinlagern 118 und 119 aufgehängt ist. Das
Einlaßende des Rohres 111 ist an einer ringförmigen Tellerfeder 120 befestigt, die
von einem Sprengring 121 in der Wand der festgehalten und mittels eines O-Rings
122 abgedichtet wird.
-
Das Auslaßende des Rohres 116 ist in gleicher Weise mit einer ringförmigen
Tellerfeder 124 verbunden, die von einem Sprengring 125 festgehalten und mittels
eines O-Ringes 126 abgedichtet wird.
-
Eine doppelseitige Ringfeder 127 verbindet das Auslaßende des Rohres
111 und das Einlaßende des Rohres 116. In ihrem Mittelquerschnitt drückt die Feder
127 gegen die Wand der Bohrung 123--und
verhindert so eine Bewegungsübertragung
vom Rohr 111 auf das Rohr 116 über die Feder. An ihrem linken Ende steht die Bohrung
123 mit der Einlaßöffnung 128 und am rechten Ende mit der Auslaßöffnung 129 in Verhindung.
Seitliche Bohrungen 130 und 131 nehmen die Stangen 112 und 117 auf. In die Einlaßöffnung
128 ist eine Armatur 132 und in die Auslaßöffnung 129 eine Armatur 133 eingeschraubt.
Der Durchmesser der Stromungskanäle in der Einlaßarmatur 132, dem Rohr 111, dem
Rohr 116 und der Auslaßarmatur 133 nimmt in der angegebenen Reihenfolge fortschreitend
zu, um Störungen des Strömungsbildes bei Auslenkungen der bewegten Rohre zu verhindern.
Die Antriebsvorrichtung 108 besteht aus einem Synchronmotor 134, der an einem mit
Schrauben 136 am Gehäuse 105 befestigten Träger 135 anmaiert ist. Eine doppelt wirkende
Nockenscheibe 137 ist an der Welle 138 des Motors 134 befestigt. Die Nockenscheibe
wirkt auf das obere Ende der Stange 112 ein und erteilt dem Rohr 111 eine periodische
Schwingung in Richtung Xd (Fig. 9) mit einer Frequenz, die proportional zur Synchrondrehzahl
des Motors 134 und damit zur Netzfrequenz ist. Die Aufnahmevorrichtung 109 für die
Bewegungen des Rohrstücks 116 besteht aus Magneten 139 und 140, die an entgegengesetzten
Seiten der Stange 117 befestigt sind und sich in Richtung xo, (Fig. 10) frei in
den Mittelaussparungen 142 und 143 der zweiteiligen Abnahmespule 141, 141a bewegen
können. Die Bewegung der Magnete 139 und 140 induziert eine Spannung in der Spule
141, 141a, die proportional zur Quergeschwindigkeit des Rohrstücks 116 ist. Diese
Spannung wird über die
Adern 144 und 145 auf das Wechselspannungsvoltmeter
110, das die Durchflußmenge anzeigt, gegeben. Ein Schutzdeckel 146 ist mit Schrauben
147 am Gehäuse 105 befestigt.
-
Die Gewichte der Magnete 139 und 140, sovie des mit dem Strömung mittel
gefüllten Rohres 116 und die Hebelarme der Stange 117 sind so gewählt, daß die Trägheitsmomente
beiderseits der Lager 118 und 119 ausgeglichen sind. Das Fühlsystem 107 ist infolgedessen
unempfindlich gegen lineare Beschleunigungen, die über das Gehäuse übertragen werden.
Die Ringfedern 124 und 127 dienen nicht nur als Dichtungen, sondern zentrieren auch
das Rohrstück 116 und verleihen dem Fühlsystem 107 induktives Verhalten.
-
Die auf das bewegte Strömungsmittel durch das Schwingrohr 111 übertragene,
quer zur Strömungsdichtung wirkende Kraft ergibt sich aus der folgenden Gleichung:
Pd = Pd sin#t = MXd#sin#t Ist die Eigenfrequenz des Fühlsystems 107 erheblich größer
als die Erregungsfrequenz, Blind- so wird die Reaktion des Fühlsystems durch seinen
mechanischen widerstand besteht, Die Auslenkung ist dann: xo = xo sin#t = # (xd
- xo) sin #t.
-
Rierbei ist Ko die Federkonstante des Fühlsystems. Der Wert der Auslenkung
des Rohres 116 wird normalerweise um eine Größenordnung
kleiner
als diejenige des Rohres 111 sein und kann nachstehend vernachlässigt werden. Deshalb
gilt M (9) xo = Xd sin#t co und die Ausgangsspannung eo = M Xd# sin# t Ko F@r konstante
e Frequenz und konstante Auslenkungsamplitude Xd des schwingrohres 111 ist die Ausgangsspannung
eine Wechselspannung mit der Erregungsfrequenz und einer Amplitude, die proportional
zur Durchflußmenge ist. Infolgedessen ist die Anzeige am Voltmeter 110 direkt proportional
zur Durchflußmenge.
-
Fig. 11 zeigt eine Abänderung des Fühlsystems, bei dem die rücktreibende
Kraft hauptsächlich durch eine elektromagnetische Anordnung und nicht durch die
Ringfedern geliefert wird. Hierzu ist das Rohr 116 am unteren Ende mit zwei Spulen
148 und 149 verbunden. Die Spule 148 befindet sich im Luftspalt 150 eines Dauermagneten
15%, und die Spule 149 im Luftspalt 152 eines Dauermagneten 153. Die beiden Spulen
sind über den Draht 154 elektrisch in Reihe geschaltet, so daß der gleiche Strom
durch beide Spulen geht und eine Kraft in der gleichen Richtung erzeugt. Die Abnahmevorrichtung
besteht aus zwei entgegengesetzt gewickelten Schiebtransformatoren 155 und 156 an
Stelle der geteilten Spule 141 und 141a und aus zwei gegenüberliegenden ferromagnetischen
Kernen 157 und 158 an Stelle der Dauevagnete 139
und 140. Die Primärwicklung
des Transformators 155 wird mit einer Trägerfrequenz, fc über die Adern 159 und
160 erregt.
-
Die Ausgangsspannung der Seltundärwicklung des Transformators 15g
wird über Adern 162 und 163 auf einen Verstärker 161 gegeben. Die Primärwicklung
des Transformators 156 wird über die Adern 164 und 165 ebenfalls mit der Trägerfrequenz
f c erregt und die Ausgangsspannung dieses Transformators gelangt über die Adern
166 und 167 ebenfalls auf den Verstärker 161.
-
Die Ausgangsspannungen der Transformatoren 155 und 156 werden im Verstärker
161 verglichen und eine etwaige Restspannung wird über ein Trägerfrequenzfilter
geleitet und erzeugt einen dazu proportionalen Strom io mit der Vibrationsfrequenz,
der über die Adern 168 und 169 den beiden Spulen 148 und 149 zugeführt wird. Hat
der Verstärker 161 einen hohen Verstärkungsgrad, so kann die Auslenkung X0 des Rohres
116 vernachlässigbar klein gemacht werden und die Amplitude 1o des Wechselstromes
i0 ist unmittelbar proportional zur durch die Flüssigkeitsströmung ausgeübten Querkraft
und damit zur Durchflußmenge. Diese Stromstärke wird vom Amperemeter 170 angezeigt,
das unmittelbar in Einheiten der Durchflußmenge geeicht ist.