-
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.