DE1548900A1 - Vorrichtung zur Durchfuehrung von Messungen an einem Stroemungsmittel - Google Patents

Vorrichtung zur Durchfuehrung von Messungen an einem Stroemungsmittel

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DE1548900A1 DE19661548900 DE1548900A DE1548900A1 DE 1548900 A1 DE1548900 A1 DE 1548900A1 DE 19661548900 DE19661548900 DE 19661548900 DE 1548900 A DE1548900 A DE 1548900A DE 1548900 A1 DE1548900 A1 DE 1548900A1
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Description

  • Vorrichtung zur Durchführung von Messungen an einem Strömungsmittel Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durch@ fuhrung von Messungen en einem Strömungsmittel.
  • Es sind bereits zahlreiche Durchflu#messer bekannt, mit denen kontinuierlich entweder das durch einen Querschnitt einer Rohrleitung strömende Volumen eines StrUmungsmittels oder auch das in eintm bestimmten Zeitintervall durchgeströmte Volumen bestimmt werden kann.
  • In gewissen Fällen will man jedoch nicht die Volumine, sondern die Masse des durchströmenden Strömungsmittels wissen.
  • Man benutzt in diesen Fällen Spezialwaagen, die jedoch in Aufbau und Wirkungsweise kompliziert sind, insbesondere wenn es sich um die Wägung eines strömenden Gases handelt.
  • Um die Masse eines strömenden Gases zu bestimmen, geht man bisher so vor, daB man das Volumen ermittelt und es mit der spezifischen Masse des Strömungsmittels multipliziert. In vielen Fällen ist Jedoch die Dichte nicht hinreichend genau bekannt, sei es, well die chemische Zusammensetzung des Strömungsmittels veränderlich oder schlecht definiert ist, sei es, weil andere Kenngrdßen des Stromungs mittels, beispielsweise seine Temperatur, schwanken.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ein richtung zur Durchführung von Messungen an einem Strömungsmittel zu schaffen, mit der die unmittelbare Bestimmung der Masse des Strömungsmittels möglich ist und die dauber hinaus auch Angaben über das Volumen, die spezifische Masse sowie den dynamischen Druck des Strdmungsmittels liefert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemä# dadurch gelöst, daß zwei koaxial zueinander angeordnete Rotoren vorgesehen sind, deren Achse aenkrecht zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels liegt, da8 ferner jeder Rotor einen Kurbelzapfen enthält, der mit einem rauhen Rotationskörper, beispielsweise einem Zylinder mit parallel zur Drehachse der Rotoren liegender Aehae fest verbunden ist, da# weiterhin eine Binrichtung vorgeaehen ist, die die beiden Rotoren mit gleicher Drehgeschwimdigkeit antreibt, da9 ferner eine Einrichtung zur Messung des Antriebsdrehmomentes beider Rotoren vorgesehen ist, wobei aus der Summe und der Differenz der beiden Drehmomentme#werte die Werte ableitbar sind, die zur Bestimmung der geforderten Masse, des grförderten Volumes, der spezifischen Masse und des dynamischen Drucks des Stromungsmittels notwendig sind.
  • Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles hervor. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Stromungskanales, in den die erfindungsgemä#e Me#vorrichtung eingeschaltet ist ; Fig. 2, 3, 4, 5 und 6 Vertikalschnitte longs der Linien 11-11, III III, IV-IV, V-V und VI-VI der Flg. 1 ; Fig. 7 einen Schnitt longs der Linie VII-VII der Flg. 1 ; Fig. 8 einen Schnitt lings der Linie VIII-VIII der Fig., Fig. 9 ein elektrisches Schaltbild der Einrichtung, die die der Summe utld der Differenz der Drehmomente proportionalen Informationen liefert.
  • Erfindungsgemä# taucht man in das Strömungsmittel zwei koaxiale Rotoren, die je eine Kurbelwelle 12, 12' enthalten, an der ein rauher Rotationskdrper, beispielsweise ein Zylinder 9 bzw. 9'angebracht ist. Die beiden Kurbelwellen 12 und 12'rotieren um eine gemeinsame Achse, die senkrecht zur Strömungsrichtung liegt. Sie laufen mit derselben konstanten Drehgeschwindigkeit um und bleiben in Phasenopposition Man mi#t mit Hilfe von zwei Drehmomentmessern das Drehmoment beider Rotoren und bildet die Summe sowie die Differenz der beiden Meßwerte. Die beispielsweise durch eine Recheneinrichtung in geeigneter Weise umgeformten resultierenden Grö Ben liefern : Die gefdrderte Masse # S Vo das geförderte Volumen S V die suezifische Mass6*f der dynamische Druck 1/2 #Vo2 In diesen AusdrUcken bedeuten 8 den Querschnltt der Leitung, Vo die StrSmungsgeschwindigkeit und # die spezifische Masse des Strömungsmittels.
  • Der Widerstandskoeffizient Cx eines der rauhen Zylinder ist konstant und unabhängig von V, ebenso wie von der realtiven Geschwindigkeit V# gegenüber dem Strömungsmittel, sofern eine hinreichende Rauhigkeit unter BerUcksichtigung der Reynolds-Zahl vorhanden ist. Wenn h die Höhe des Zylinders ist, r sein Durchmesser und R der Abstand seiner Achee von der Drehachse, so ergibt sich der Widerstand T jedes Zylinders wie folgt : T = 1/2 # V#2 h r Cx Um V# nach Grö#e und Richtung zu bestimmen, mu# am-, i Vo mit - #R zusammensetzen, wobei # der konstante Wert der auRgeprXgten Winkelgeschwindiglreit ist. Bezeichnet man miton den Winkel, den die Ebene der Kurbelwelle mit einer senkrecht zu V liegenden Ebene bildet, so erhält man : V#2 = Vo2 ~ #2 R2 + 2 #R Vo cos # Diesen Wert von Va* erhAlt man durch Projektion von V auf'die Richtnng der Drehgeschwindigkeit eines der Zylinder 9, 9'undaufdiesenkrechtzudieserGeschwindigkeitliegende Richtung sowie durch anschließendes Zusammensetzen der beiden aus diesen Projektionen sich ergebenden Werte V sin « und Vo cos Der Winkel ß, den die Richtung der Resultlerenden mit der Drehgeschwindigkeit eines Zylinders bildet, ist gegeben durch : Hieraus folgt Das Mitnahmedrehmoment MlILSt sich wie folgt ausdrükken : Man kann die Schreibweise dieses Ausdruckes durch Benutzung folgender AbkUrzung vereinfachen : A = h r #2 R3 Cx, wobei A eine Konstante ist.
  • Setzt man ferney Vo # = #R, so erhSlt man fUr Das Moment #' des anderen Zyllnders orhklt man, indem man « durch # ~ # ersetzt. Es ergibt sich dann Bezeichnet man und fUgt man # und # die Winkelwerte von α als Index bei, so erhglt man für α = 0 und α = 90°: Daraus ergibt sich Man erhält somit schließlich fUr die gefdrderte Manse S#R #s Vo = #o S#R Der Faktor ist durch die Konstruktion gegeben.
  • 2A Die geförderte Masse ist daher der Differenz der Drehmoment beim Phasenwinkel Null proportional.
  • Die Bestimmung der Werte #o, #90 und #o sowie der hieraus gewonnenen Kombinationswerte kann kontinuierlich durch be. kannte elektrische Einrichtungen erfolgen. Von diesen Werten kommt man zu den gewünschten Werten durch folgende Gleichun gen (beispielsweise unter Verwendung einer Recheneinrichtung) : # 90 entspricht somit dem geometrischen Mittelwert von fund A Eo.
  • Selbstverständlich muB man diesen theoretisch ermittelten Ausdrücken noch experimentelle Tarierungskoeffizienten beifügen, die etwas von 1 abweichen, um sekundäre Erscheinungen zu berücksichtigen, wie die Mitnahme des Strömungsmittels durch die rotierende Einrichtung oder die Abbremsung longs d@ Wände.
  • Diese Einflüsse, die durch die Konstruktion der DUse und ihrer Einrichtung bereits weitgehend verringert sind, kSnnen noch weiter verkleinert werden, indem die Größenordnung von A geeignet gewählt wird, und zwar in AbhXnglgkwlt von einmal durchgeführten Versuchen.
  • Die Zeichnung zeigt die DUse 1, in der der Nechanimus untergebracht ist. Diese DUe ist mit Hilfe von Flanschen 2 und 2'in die Rohrleitung 3 eingeschaltet, deren Strömung gemeneen werden soll.
  • Im Hinblick auf etwa von der Strömung mitgeführte Fremdkörper enthXlt die Düse 1 auf der Zulaufseite einen Filter zwischen dessen beiden parallel zueinander liegenden Planflächen eine Anzahl von Zellen vorgesehen sind. An den Filter 4 schlie#t sich ein Gitter 5 mit feinen Maschen an, das die Turbulenz auagleicht. Hierauf folgt ein konvergenter Ttil 6, der den Relativwert der Turbulenz verringert und den krele fdrmig angenommenen Querschnitt (Fi8. 2) in einen reehteekfdr migen Querschnitt (Fig. 3) umwandelt. Hieran schlie#t sich eine Meßkammer 7 an, die die rotierende Einrichtung 8 enthält, die sich aus den rauhen Zylindern 9 und 9' zusammensetzt. Weiterhin ist ein Diffuser 10 vorgesehen, der erneut den Fechteckformigen Querschnitt (Fig. 4) in einen kreisförmigen Querschnitt (Fig. 5) UberfUhrt. Ein zweiter konischer Diffuser 11 führt dann zum Flansch 2' (Fig. 6).
  • Fig. 7 zeigt in einem Vertikalschnitt in einer senkrectt zur Strömung verlaufenden Ebene den Rotor, der einerseits de Kurbelwelle 12 enthält, die mittels der Scheiben 13 und 14 den Zylinder 9 trägt und durch die Innenwelle 101 mitgenommen und durch Gegengewichte 15 und 16 ausgewuchtet ist, andererseits die Kurbelwelle 12', die mittels der Scheiben 13' und 14'den Zylinder 9' trägt, der durch die AuBenwelle 101' mitgenommen und durch Ausgleichsgewichte 15' und 16' kompensiert ist.
  • Die beiden Rotoren befinden sich in einem Stator, der durch die Me#kammer 7 gebildet wird. Sie besteht aus zwei an der Verbindungastelle 17 zusammengesetzten Teilen und träg@ Labyrinthdichtungen 18, 18', die eine reibungslose, nahezu vollständige Abdichtung gewahrleisten. Wasserräume 19, 19' die durch Zuleitungen 20, 20'versorgt und an Abflußleitungen 21, 21'angeschlossen sind, halten die Einrichtung auch dann auf einer annehmbaren Temperatur, wenn das Stromungsmittel (beispielsweise ein Gas) sehr heiß ist.
  • Die Einrichtung enthält ein Axiallager 22 fUr die innerve e Welle 101, das mit einem Druckmittel, beispielsweise mit Dijc luft, über eine Rohrleitung 23 versorgt wird und sich mit I'll fe einer Membran 24 selbst ausrichtet. Ein entsprechendes Axialdrucklager 22' ist filer die AuBenwelle 101'vorgesehen.
  • Es wird durch eine Rohrleitung 23'versorgt und stellt sich mittels einer Membran 24'selbst ein. Weiterhin ist ein unteres inneres Magnetlager vorgesehen, das aus zwei Ringmagneten 25 und 26 besteht, weiterhin ein guères unteres Magnetlager mit den Magneten 25'und 26'. Enteprechende obere Magnetlager enthalten die Magnete 27, 28 und 27', 28'.
  • Die in den Fig. 7, 8 und 9 dargestellte Vorrichtung zur Drehmomentmessung enthllt zwei Planetengetriebe, deren Sonnent roder 29, 29'auf den Wellen 101, 101'angeaordnet sind ; ein gemeinsamer Satellitenradträger 30 wird von einem Motor 31 angetrieben, der gegebenenfalls mit einem Untersetzungsgetrie be ausgerüstet ist. Die Sateelitenräder 32, 32' sind einerseit@ mit den Sonnenrädern 29, 29'und anderereeits mit den feetatehenden Zahnkrgnzen 33, 33' in Eingriff. Das Reaktionsdrohmoment der Zahnkränze wird durch elastische Federn 34, 34' kompensiert, die die Verformung der Rahmen 35, 35'begrenzen; diese Rahmen sind durch elastische Elemente 36, 36' bis 39, 39' gelenkig ausgebildet und mit den Zahnkränzen über elastische Elemente 40, 40', 41, 41' und mit einem Gehäuse 42 über elastische Elemente 43, 43', 44, 44'verbunden.
  • Die elastischen Elemente 34, 34' können mit bekannten Einrichtungen zur Bestimmung der Federkraft oder der Federauslenkung verbunden sein, die enteprechende optische oder elektrische Signale an die angeschlossenen Vorrichtungen liefern.
  • Die Verarbeitung der beiden durch die Vorrichtung gelieferten Informationen erfolgt durch bekannte Einrichtungen und rUhrt zu den gewünschten Grö#en in der bereits erläuterten Weise. Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung, bei der die elastischen Elemente mit Dehnungsme# streifen mit Widerstandsdraht (45, 46, 47 und 48 einereits sowie 45', 46', 47'und 48'andererseits) versehen sind. Die Dehnungsmeßstreifen 47, 48, 47'und 68'werden auf Druck beansprucht und die anderen auf Zug, wenn ein Widerstandadrehmoment der Zylinder vorhanden ist.
  • Die elektrische Schaltung enthält zwei Wheatstone-BrUcken 49, 49', die von einer Stromquelle über Leitungen 50, 51 versorgt werden, die an die Diagonalpunkte 53, 54, 53', 54' angeschlossen sind. Die Dehnungsme#streifen 45, 48, 45', 48' speisen die Zweige 491, 492, 493 und und 494 rend die Dehnungsme#streifen 46, 47, 47' und 46' die Zweige 491', 492', 493' und 494' der Brücke 49' versorgen.
  • Die Diagnnalpunkte 55, 56 der Brücke 49 liefern dann, wenn sich die Brücke 49 im nicht abgeglichenen Zustand befindot, einen Strom an die Me#vorrichtung 52, wthrend die Diagonalpunkte 55'und 56'an eine MeBvorriohtung 52' angeschlosen sind und dieeer bol nioht abgeglichener Brücke 49' einen Strom zuführen.
  • Mach der obigen Berechnung ist der Wert der geförderten Ma proportional zu #o. Bei geeigneter Wahl von #, bei-8pive wenn # etwa mit 1 angenommen wird, ist das Signal etwa ainuaformig (der Anteil der Harmoniaohen liegt in der Grö#enordnung eines Hundertstel). Wenn die Me#vorrichtung 52' einen "Detektor" darstellt, zeigt zie einen Wert an, der den Augenbliokawert der geftlrderten Maaae proportional lit, aofem die Periode diesel MeBeinrichtung in der glelchen Grö#enordnung wie die Zeit einer Umdrehung des Rotors liegt.
  • Diese Umdrehungazeit kann in der Grö#enordnung von 20 ms sein ; es kennen daher Ubliche Meßeinrichtungen 52' Verwendung finden (beispielsweise ein nicht polzrlalortos Milliamperemeter).
  • Zur Berücksichtigung des konstanten Verhältnisses von A,.), o zum mittleren wirksamen Wert von Aaowie der Empfindlichkeit der Einrichtung mu# selbstverständlich noch ein Tarierungafaktor eingeführt werden.
  • Wenn man die über eine lange Zeitperiode (verglichen mit der Umdrehungszeit des Rotors) integrierte geförderte Masse wissen will, verwendet man als Me#einrichtung 52' ein integrierendes Gerlt nach Art eines Wattstundenmessers.
  • Die Werte der anderen Ort$Ben (gefordertea Volumen, spezifische Masse und dynamischer Druck, und zwar sowohl Augenblickswerte, ale auch Summenwerte oder mittlere Werte wghrend einer langen Zeitdauer) erfordern einfache Rechnungen, ausgehend von den absoluten Maximalwerten von # und #.
  • Wegen der Proportinalität dieser Mximalwerte zu den mittleren wirksamen Proportionalwerten (diese ProportionalitUt ergibt sich aus der Sinusform der Signale) kann man ale Meßeinrichtungen 52, 52' Detektoren verwenden, die ihrerseits auf eine geeignete Recheneinrichtung arbeiten.

Claims (4)

  1. PatentansprUche-1. Vorriohtung zur Durchfthrung von Messungen an einen Strömungsmittel, dadurch gekennzeichnet, da# zwei koaxial zueinander angeordnete Rotoren vorgesehen sind, deren Achse senkrecht zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels liegt, daß ferner jeder Rotor einen Kurbelzapfen enthält, der mit einen rauhen Rotationskörper, beispielsweise einem Zylinder (9,9') mit parallel zur Drehachse der Rotoren liegender Achne fest verbunden ist, da8 weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, die die beiden Rotoren mit gleicher Drehgeschwindigkeit antreibt, daß ferner eine Einrichtung zur Messung des Antriebsdrehmomentes belder Rotoren vorgesehen ist, wobei aus der Summe und der Differenz der beiden Drehmomentmeßwerte die Werte ableitbar sind, die zur Bestimmung der gefdrderten Masse, des geförderten Volumes, der spezifischen Masse und des dan schen Drucks des Strömungsmittels potwendig sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da8 die beiden koaxial angeordneten Rotoren in einem Strömungsbanal angebracht sind, dessen Querschnitt « enkrecht zur Strömungsrichtung etwa Rechteakform aufweist, wobei die gemeinsame Achse der Rotoren senkrecht zu zwei parallelen Flächen des rechteckigen Querschnitts liegt.
  3. 3. Vorrichtung nach Anapruch l, dadurch gekennzeichnete daß sur Mossuns des Antriebsdrehmomentes der beiden Rotoren zwei Planetengetriebe vorgesehen Bind, die je ein fest mit einea Rotor verbundenes Planetenrad (29, 29) aufweiten, da# ferrer ein durch einen Motor (31) angetriebener, gemeinsamer Satellitenradträger (30) vorgesehen ist, ferner ein Au#enkranz (33, 33'), wobei der Satellitenradträger zwei Gruppen von Satellitenrädern (32, 32') aufweist und jede Gruppe zu einem Planetengetriebe gehort und Mit dam Sonnenrad und dam Au#enkranz dieses Planetengetriebes in Eingriff steht, wobei jeder Au#enkranz an einer Drehung durch eine Einrichtung gehindert wird, die das Reaktlonadrehnoent erzeugt.
  4. 4. Vorrichtung nach den AnsprUchen 1 bis 3, dadurch gekennseichnet, daB die Binrichtung zur Sicherung des zugehörigen Auaenkranzes (33, 33') gegenüber einer Drehbewegung durch ein gelenkig ausgebildetes Rechteck gebildet wird, mit dem der Au#enkranz verbunden let und das mit do= feston Tell der Vorrichtung verbunden lot, wobei elastische Organe einer Verforoung des Rechteckes entgegenwirken und eine Binriohtung zur Messung einer eolehen Verformung vorgesehen ist.
DE19661548900 1965-05-25 1966-05-09 Vorrichtung zur Durchfuehrung von Messungen an einem Stroemungsmittel Pending DE1548900A1 (de)

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