DE1960618C3 - MassendurchflußmeBvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Massendurchfluß-Meßvorrichtung des Drehmomenttypes mit, in Reihe angeordnet, einem Drallerzeuger, der dem Strömungsmittel eine Winkelgeschwindigkeit erteilt, einer Geschwindigkeitsturbine, die auf die Winkelgeschwindigkeit des Strömungsmittels anspricht und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines gemäß dieser Geschwindigkeit variablen Geschwindigkeitssignals besitzt, einer Reaktionsturbine, die das durch das Strömungsmittel ausgeübte Reaktionsdrehmoment aufnimmt und durch dieses Reaktionsdrehmoment verstellbar ist und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Stellungssignals gemäß dieser Auslenkung besitzt, und mit einem mit der Reaktionsturbine verbundenen Drehmomentmotor zur Erzeugung eines Gegendrehmomentes auf die Reaktionsturbine in einer Richtung entgegengesetzt zu der Auslenkung.

In Luftfahrzeugen werden gegenwärtig zur Anzeige des Massenzuflusses von Brennstoff Durchflußmesser des Drehmomenttyps weithin angewendet Diese Durchflußmesser umfassen motorbetriebene Flügelradpumpen, die der strömenden Flüssigkeit eine Winkelgeschwindigkeit oder einen Drall vermitteln, und eine Turbine mit gehemmter Reaktion, welche den Drall entfernt und dabei ein Drehmoment aufnimmt, das zur Anzeige der Massendurchflußgeschwindigkeit gemessen wird. Da das gemessene Reaktionsdrehmoment sowohl durch die Winkelgeschwindigkeit der Flüssigkeit als auch durch die Massendurchflußgeschwindigkeit beeinflußt wird, besteht eine übliche Praxis darin, den Flügelradpumpenmotor mit konstanter Geschwindigkeit anzutreiben, um eine konstante Winkelgeschwindigkeit der Flüssigkeit aufrechtzuerhalten und dadurch

Meßfehler zu vermeiden. Präzise Steuersysteme für die Motorgeschwindigkeit sind jedoch kostspielig, bedeuten eine Gewichtserhöhung und verbrauchen insbesondere bei hohen Durchflußgeschwind'gkeiten eine beträchtliche Leistung. Es wurden Versuche unternommen, um die kinetische Energie der strömenden Flüssigkeit dazu auszunutzen, der Flüssigkeit eine Drehung zu vermittela Hierzu wurde die Flüssigkeit durch strömungsaufwärts von der Reaktionsturbine angebrachte schräggestellte Leitflächen geführt Obwohl dies die Notwendigkeit für eine motorbetriebene Flügelradpumpe beseitigt, kompliziert es die Messung der Durchflußgeschwindigkeit, da die Winkelgeschwindigkeit oder der Drall der gemessenen Flüssigkeit sich mit der Durchilußgeschwindigkeit ändert Da das Drehmoment der Reaktionsturbine ein Maß für das Drehmoment der Flüssigkeit ist d. h. für das Produkt der Massendurchflußgeschwindigkeit mit der Winkelgeschwindigkeit, war es daher bisher erforderlich, das Drehmoment und die Winkelgeschwindigkeit besonders zu messen und dann die erste Größe durch die zweite mit Hilfe eines Rechners zu dividieren, um eine Anzeige für die Massendurchflußgeschwindigkeit zu erhalten. Diese indirekte Methode der Anzeige der Massendurchflußgeschwindigkeit verursacht eine zusätzliche unerwünschte Komplikation und neigt dazu, einen beträchtlichen Meßfehler zu erzeugen.

Ein Massendurchflußmesser mit wesentlichen Merkmalen des Oberbegriffs ist in der US-PS 32 32 110 beschrieben. Dort wird jedoch als Anordnung zum Erzeugen eines Gegendrehmoments eine Spiralfeder benutzt.

Auch die ältere deutsche Paytentanmeldung gemäß der DE-OS 19 60 186 beschreibt ein Strömungsmeßgerät mit einem Drallerzeuger, einer umlaufenden Turbine, einer Reaktionsturbine und einer mit dieser verbundenen Anordnung zum Erzeugen eines Gegendrehmoments auf die Reaktionsturbine. Diese Anordnung kann beispielsweise ebenfalls ein Drehmomentmotor sein.

Die US-PS 29 75 634 beschreibt einen Massendurchflußmesser vom Drehmomentlyp mit, in Reihe angeordnet, einem Drallerzeuger, der dem Strömungsmittel eine Winkelgeschwindigkeit erteilt, einer Reaktionsturbine, die das durch das Strömungsmittel ausgeübte Reaktionsdrehmoment durch eine Winkelauslenkung aufnimmt und die eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Stellungssignals gemäß dieser Auslenkung besitzt, ferner mit einem mit der Reaktionsturbine verbundenen, in Abhängigkeit von der Auslenkung elektrisch gesteuerten Drehmomentmotor zum Erzeugen eines Gegendrehmoments auf die Reaktionsturbine in einer zur Auslenkung entgegengesetzten Richtung, wodurch die Reaktionsturbine im Gleichgewicht gehdten wird, und mit einer Einrichtung zum elektrischen Kompensieren von Winkelgeschwindigkeitsschwankungen des Strömungsmittels.

Auch die US-PS 32 41 367 beschreibt einen Massendurchflußmesser mit einem Drallerzeuger, einer umlaufenden Turbine, deren Drehzahl gemessen wird, einer Reaktionsturbine und eir·"· rit dieser verbundenen Federanordnung zum Erzeugen eines Gegendrehmoments, das ebenfalls gemessen wird. Die Drehzahl- und Gegendrehmomentsignale werden einem Massendurchfluß-Anzeigeinstrument zugeleitet.

Die US-PS 33 06 105 beschreibt einen Massendurchflußmesser mit, in Reihe angeordnet, einer unter Federvorspannung stehenden, also mit einem Gegendrehmoment beaufschlagten, Reaktionsturbine, die spiralförmig gewundene Schaufeln aufweist, und einer nachgeschalteten, frei laufenden Turbine. Die von den Turbinen abgeleiteten Massen- und Geschwindigkeitssignale werden ausgewertet

Beispielsweise die US-PS 27 14 310 sowie die GB-PS 10 84 520 beschreiben wie auch die bereits genannte US-PS 32 32110 Massendurchflußmesser, die zum Erzeugen einer konstanten Drehgeschwindigkeit des

lu Strömungsmittels nicht eine motorbetriebene Flügelradpumpe oder eine andere Vorrichtung benötigen. Diese Massendurchflußmesser arbeiten mit sich ändernder Winkelgeschwindigkeit, die bei der Signalerzeugung berücksichtigt wird.

Ausgehend von einer Massendurchflußmeßvorrichtung der im Oberbegriff genannten Art besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, diese Vorrichtung mit einem funktionsmäßig zweckmäßigen, einfach arbeitenden, genau anzeigenden Auswerteteil zu versehen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß eine Steuervorrichtung zur Steuerung des Ausgangsdrehmoments des Drehmomentmotors vorgesehen ist, die einen Signalmultiplizierer aufweist zur Multiplikation der Geschwindigkeitsund Stellungssignale (S\, S₂) zur Erzeugung eines resultierenden Singais (Sz) zur Steuerung des Drehmomentes des Drehmomentmotors, das mit dem Produkt der Geschwindigkeits- und der Stellungssignale variabel ist und die auf die Geschwindigkeits- und Stellungssignale (S\, S2) anspricht und gemäß der kombinierten Wirkung dieser Geschwindigkeits- und Stellungssignale aussteuerbar ist, wodurch die Reaktionsturbine in einer Gleichgewichtsstellung gehalten ist, welche sich mit der Massendurchflußgeschwindigkeit des Strömungsmittels ändert, und daß in Abhängigkeit von der Auslenkung der Reaktionsturbine ein Anzeiger betätigbar ist zur Anzeige der Massendurchflußgeschwindigkeit.

Um den abgeglichenen Zustand der Reaktionsturbine zu erreichen, muß das durch den Drehmomentmotor auf die Turbine ausgeübte Drehmoment Du gleich dem Drehmoment 7V des fließfähigen Mediums sein, welches proportional zum Produkt der Massendurchflußgeschwindigkeit Mund der Drallgeschwindigkeit W der Flüssigkeit ist Dieses Gleichgewicht wird durch Änderungen in der Wirbelgeschwindigkeit IV nicht beeinflußt, da entsprechende Änderungen gleichzeitig in dem Geschwindigkeitssignal Si der Turbine, dem Strom Im zum Drehmomentmotor und dem Motordrehmoment Tm auftreten. Jede Änderung M in der Massendurchflußgeschwindigkeit erzeugt jedoch ein Ungleichgewicht zwischen dem Winkeldrehmoment 7> auf die Reaktionsturbine und dem Motordrehmoment Tm. Dies veranlaßt die Reaktionsturbine, sich in einer solchen Richtung zu drehen, daß das Auslenkungs- bzw. Lagesignal S2 für die Turbine, der Motorstrom Im und das Motordrehmoment Tm solange verändert werden, bis das Gleichgewicht wiederhergestellt ist. Das Lagesignal 5? für die Reaktionsturbine wird daher zu einem Maß für die Massendurchflußgeschwindigkeit M, das durch Änderungen in der Drallgeschwindigkeit W nicht beeinflußt wird. Daher ist es nicht notwendig, Regelvorrichtungen zu verwenden, um eine konstante Drehgeschwindigkeit VV des gemessenen fließfähigen Mediums aufrechtzuerhalten, oder einen Rechner zu verwenden, um das Drehmoment 7V des Mediums, welches proportional zu MW ist, durch die Winkelgeschwindigkeit W zu teilen, um die Massendurchflußge-

schwindigkeit anzuzeigen. Bei diesem System ändert sich das Signal S₂ für die Lage der Reaktionsturbine nur mit der Massendurchflußgeschwindigkeit Si und kann daher entweder als digitale oder als analoge Größe unmittelbar an einem geeigneten Anzeigegerät ausgelesen werden.

Die Multiplikation der Signale für die Turbinengeschwindigkeit sowie die Lage und die Anzeige der Massengeschwindigkeit und der Gesamtströmung können entweder mit digitalen oder mit analogen Systemen erreicht werden. Vorteilhafte Ausführungen hierfür sind Gegenstand der Patentansprüche. Das digitale System, das für einige Anwendungen bevorzugt wird, kann so ausgelegt werden, daß es mit einem Minimum an Präzisionsbauteilen ein Meßsystem mit niedrigem Fehler liefert, um, wie nachstehend näher ausgeführt, digitale und analoge Signale für Steuer- und Anzeigezwecke zu liefern.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Detailbeschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren.

F i g. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Geber für das Durchflußmeßgerät, zusammen mit einem Steuer- und Anzeigesystem, das daher zur Veranschaulichung der Erfindung im Blockschaltbild dargestellt ist;

F i g. 2 zeigt Einzelheiten des Abnehmers an der Geschwindigkeitsturbine, der einen Teil des Gebers bildet;

F i g. 3 ist eine Kurvendarstellung der Ausgangsspannung des Abnehmers der Geschwindigkeitsturbine;

Fig.4 zeigt Einzelheiten des Abnehmers an der Reaktionsturbine, der einen Teil des Gebers bildet;

F i g. 5 ist eine Kurvendarstellung der Ausgangsspannung des Abnehmers der Reaktionsturbine;

F i g. 6 zeigt Einzelheiten des Drßhmomentmotors für 3¹; die Reaktionsturbine, der einen Teil des Gebers bildet;

F i g. 7 ist eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen Stromstärke und Drehmoment des Drehmomentmotors für die Reaktionsturbine zeigt;

F i g. 8 veranschaulicht eine Analog-Ausführungsform des Anzeige- und Steuersystems für den Geber, welcher in F i g. 1 schematisch dargestellt ist;

F i g. 9 zeigt eine digitale Ausführungsform des Anzeige- und Steuersystems für den Geber entsprechend der schematischen Darstellung in F i g. 1;

Fig. 10 ist ein Zeitschaltbild, welches eine Erläuterung des Betriebsablaufs des digitalen Steuersystems nach F i g. 9 enthält, und

F i g. 11 zeigt Einzelheiten des Stromgenerators, der einen Teil des digitalen Steuersystems nach Fig.9 bildet.

Entsprechend F i g. 1 umfaßt die dargestellte Ausführungsform einen Geber 10 und ein damit verbundenes Steuer- und Anzeigenetzwerk 11. Zur Erhöhung der Klarheit der Darstellung wird der Geber 10 in einer schematischen Schnittansicht wiedergegeben. Er hat ein zylindrisches Gehäuse 12 aus einem geeigneten nicht-magnetischen Material, das Endflansche 13 und 14 trägt, die so eingerichtet sind, daß sie mit einer Strömungsmittelleitung verbunden werden können, bo durch die ein fließfähiges Medium strömt, dessen Massendurchflußgeschwindigkeit gemessen werden soll. Das fließfähige Medium tritt an dem Einlaßende 15 ein und an dem Auslaßende 16 aus. Benachbart zu dem Einlaß- und Auslaßende 15 und 16 sind im Innern des Gehäuses 12 Tragstreben 17 und 18 befestigt, welche stromlinienförmige Teile 19 und 20 aufweisen, um den stromlinienförmigen Verlauf des in den Geber eintretenden und aus dem Geber austretenden Mediums zu fördern.

Um dem eintretenden Medium eine Winkelgeschwindigkeit oder einen Drall um die Längsachse der Strömung und des Gehäuses 12 zu vermitteln, ist ein Satz von schräggestellten Leitblechen 21 vorgesehen, der um die Peripherie des Teiles 19 herum angeordnet ist und in einem Winkel zur Richtung der Strömung durch das Gehäuse 12 geneigt ist. Bei der praktischen Ausführung können die Leitbleche 21 dadurch gebildet werden, daß im Winkel verlaufende Schlitze in den stromlinienförmigen Teil 19 eingeschnitten werden.

Zur Bestimmung der Winkel- oder Drehgeschwindigkeit des fließfähigen Mediums ist eine Geschwindigkeitsturbine 22 vorgesehen, die benachbart und strömungsabwärts zu den Leitbiechen 2i für die Drehung angeordnet ist. Die Geschwindigkeitsturbine 22 hat eine äußere zylindrische Verkleidung 23, die durch eine Vielzahl von radialen Laufschaufeln 25 im Abstand von einem Tragteil 24 gehalten wird, welche auch noch axiale Kanäle 26 zur Führung der Strömung zwischen dem Tragteil 24 und der Hülle 23 ergeben. Der Tragteil 24 ist drehbar auf einer festen Achse 27 mit Hilfe der Lager 28 gelagert, die sich in axialer Richtung zwischen den Endteilen 19 und 20 erstreckt. Das sich drehende Strömungsmittel, das aus den Leitblechen 21 austritt, trifft auf die Laufschaufeln 25 der Geschwindigkeitsturbine 22 und veranlaßt sie, sich mit einer Geschwindigkeit zu drehen, die gleich der durchschnittlichen Winkelgeschwindigkeit des fließfähigen Mediums ist. Vorzugsweise wird die axiale Länge der Laufschaufeln 25 und der Kanäle 26 der Turbine 22 so groß gemacht, daß das gesamte aus der Turbine 22 strömungsabwärts austretende Strömungsmittel eine einheitliche Winkelgeschwindigkeit hat, welche gleich der Drehgeschwindigkeit der Turbine 22 ist. Mit anderen Worten erfüllt die Turbine 22 neben der Funktion der Messung der Geschwindigkeit noch eine Funktion der Mittelwertbildung. Das Drehmoment des aus der Turbine 22 austretenden Strömungsmittels wird durch eine Reaktionsturbine 29 entfernt, die benachbart zu der Geschwindigkeitsturbine 22 strömungsabwärts angeordnet ist. Die Reaktionsturbine 29 ist in ihrer Konstruktion ähnlich der Turbine 22 und hat eine äußere zylindrische Hülle 30, die von einem Mittelteil 31 durch eine Vielzahl von radialen Laufschaufeln 32 im Abstand gehalten wird, welche axiale Kanäle 33 zur Führung des Strömungsmittelstromes bilden. Der Mittelteil 31 ist auf einer Welle 27 durch Lager 34 drehbar gelagert. Vorzugsweise sind die Mittelteile 24, 31 und die Hüllen 23, 30 der Turbine 22 und der Reaktionsturbine 29 gleich groß, so daß man eine axiale Strömung des Strömungsmittels durch beide Turbinen 22 und 29 in dem gleichen radialen Abstand von der Welle 27 erhält Die Drehung der Reaktionsturbine 29 wird gehemmt durch einen elektromagnetischen Drehmomentmotor, welcher untenstehend beschrieben wird, so daß die Drehkomponente des fließfähigen Mediums dadurch entfernt wird, daß sie gegen die Leitflächen 32 trifft, die das Strömungsmittel in einer axialen Richtung führen. Beim Austritt aus der Reaktionsturbine 29 auf der strömungsabwärts gelegenen Seite tritt das Strömungsmittel aus dem Auslaßende 16 des Gebers 10 aus. Die Reaktionsturbine 29 ist mit Anschlagstücken versehen (nicht dargestellt), die eine Auslenkung, vorzugsweise in einem Winkelbereich von 2 bis 10°, im gesamten Meßbereich zwischen den Stellungen für Nulldurchfluß und maximalen Durchfluß gestatten.

In der F i g. 1 ist das Erreger- und Steuersystem allgemein durch die Ziffer 11 bezeichnet. Es erfordert als Eingangsgrößen ein Geschwindigkeitssignal Si, das gemäß der Winkelgeschwindigkeit der Geschwindigkeitsturbine 22 variabel ist und ein Lagesignal &, das gemäß dem Auslenkwinkel der Reaktionsturbine 29 in ihrem Betriebsbereich variabel ist. Diese Signale Si und S2 werden durch Abnehmer geliefert, deren Konstruktion nachstehend beschrieben wird.

Die Turbine 22 hat einen Abnehmer 35, dessen Konstruktion in F i g. 2 dargestellt ist. Er umfaßt einen , Kern 36, der eine Form in Gestalt des Buchstabens E aufweist und aus einer beschichteten Packung von magnetischem Material besteht Der Kern 36 ist durch geeignete, nicht gezeigte Befestigungsmittel an der Außenseite des Gehäuses 12 gegenüber der Turbine 22 befestigt Der Kern 36 ist so gekrümmt, daß er sich der Form des Gehäuses 12 anpaßt und erstreckt sich in einem Winkel von etwa 90° um das Gehäuse herum. Er hat radial herausragende Polstücke 37, 38 und 39, die sich in einem geringen Abstand von dem Gehäuse 12 befinden. Das Polstück 38 trägt eine Erregerwicklung 40, die aus einer geeigneten Wechselstromquelle 41 gespeist wird und die Polstücke 37 und 39 tragen Ausgangswicklungen 42 und 43, die in Reihe an die Ausgangsklemmen 44 des Abnehmers 35 geschaltet sind. Die Wicklungen 42 und 43 sind gegensinnig in Reihe geschaltet so daß die darin induzierten Spannungen entgegengesetzte Richtung haben und dadurch die Spannung an den Ausgangsklemmen 44 gleich der Differenz der in den Ausgangswicklungen 42 und 43 induzierten Spannungen ist Der durch die Erregerwicklung 40 erzeugte magnetische Fluß durchsetzt den Kern 36, die Polstücke 37 und 39 und kehrt durch die Magnetkerne, welche an der Hülle 23 zu der Turbine 22 befestigt sind und sich mit dieser drehen, zu dem Polstück 38 zurück. In der dargestellten Ausführungsform sind vier Kerne 45,46,47 und 48 vorhanden, welche im Umkreis durch geeignete Weise, beispielsweise durch Verklebung, an der Hülle 23 befestigt sind und durch ihre im gleichen Abstand von 90° angeordnete Luftspalte 49, 50, 51 und 52 voneinander getrennt sind. Vorzugsweise erstrecken sich die Kerne 45,46,47 und 48 jeweils über einen Winkel von etwa 89° und die Luftspalte über einen Winkel von etwa l^c. Die Anzahl der Teilkerne wird bestimmt durch den gewünschten Modulationsfrequenzbereich der Signalspannung an den Ausgangsklemmen 44. Wenn sich die Geschwindigkeitsturbine 22 in der in F i g. 2 gezeigten Position befindet, in der der Luftspalt 49 sich mitten unter dem Erregerpolstück 38 befindet, dann teilt sich der erregende magnetische Fluß gleichmäßig zwischen zwei parallelen Schaltkreisen auf, von denen einer durch das Polstück 37 verläuft und der andere durch das Polstück 39. Die in den Ausgangswicklungen 42 und 43 induzierten Spannungen sind in Reihe und gegensinnig geschaltet und die Spannung an den Ausgangsanschlüssen 44 ist daher Null. Wenn die Drehung der Turbine 22 den Luftspalt 49 in eine rechte neben der gezeigten Stellung und um einen Winkel von 224° versetzte Stellung bringt, dann wird die magnetische Flußdichte, welche die Ausgangswicklung 42 durchsetzt, die Flußdichte in der Ausgangswicklung 43 übersteigen, da der Luftspalt mit seinem hohen Widerstand in der magnetischen -Schaltung liegt, die die Wicklung 43 durchsetzt, aber nicht in der Schaltung, welche die Wicklung 42 durchsetzt Wenn der Luftspalt in einer Stellung von 22^5° links von der gezeigten Stellung ist dann findet der entgegengesetzte Vorgang statt und das Ausgangssignal der Wicklung 43 übersteigt das in der Wicklung 42 induzierte Signal, da der Luftspalt in der anderen magnetischen Schaltung liegt. Daher verursachen während der Drehung der Turbine 22 die vier Luftspalte 49, 50, 51 und 52, die nacheinander in die beiden parallelen magnetischen Schaltkreise der Ausgangswicklungen 42 und 43 eingehen eine Amplitudenmodulation der Ausgangsspannung bei einer Frequenz, die der Geschwindigkeit der Turbine 22 und der Anzahl der Luftspalte proportional ist. Der Verlauf der Ausgangsspannung ist in F i g. 3 dargestellt und es ist dort ersichtlich, daß die Ausgangswechselspannung 53, welche die gleiche Frequenz aufweist wie die an den Erregeranschlüssen 41 zugeführte Eingangswechselspannung, so moduliert wird, wie das durch die Hüllkurve 54 gezeigt wird, deren Nullpunkte in Intervallen von 45° des Winkels Φ der Geschwindigkeitsturbine 22 liegen. Daher ergeben sich bei jedem vollständigen Umlauf der Turbine 22 acht Null- oder Kreuzungspunkte. In dem zu beschreibenden Steuersystem wird die Modulationsfrequenz der Ausgangsspannung des Abnehmers 35 als Signal Si verwendet welches die Winkelgeschwindigkeit der Turbine 22 anzeigt, die gleichzeitig gleich der Drehgeschwindigkeit des gemessenen fließfähigen Mediums (fluid) ist

Die Konstruktion des Abnehmers 55 für die Stellung der Reaktionsturbine 29 ist in F i g. 4 dargestellt. Man wird daraus ersehen, daß sie im allgemeinen der Konstruktion des Abnehmers 35 der Turbine 22 ähnlich ist. Sie umfaßt daher einen E-förmigen Kern 56, der gegenüber der Reaktionsturbine 29 am Äußeren des Gehäuses 12 befestigt ist und drei radial herausragende Polstücke 57, 58 und 59 besitzt welche einen geringen Abstand von dem Gehäuse 12 aufweisen. Das mittlere Polstück 58 trägt eine Erregerwicklung 60 und eine Vorspannungswicklung 61 und die Polstücke 57 und 59 tragen Ausgangswicklungen 62 und 63. Die Ausgangsund Vorspannungswicklungen 61, 62 und 63 sind in

to Reihe an die Ausgangsanschlüsse 64 geschaltet und die Erregerwicklung 60 ist mit einer Wechselstromquelle 65 verbunden. Die beiden unterteilten Kerne 66 und 67 sind in geeigneter Weise, beispielsweise durch Verklebung am Kreisumfang der Hülle 30 der Reaktionsturbine 29 befestigt und durch diametral entgegengesetzte Luftspalte 69 und 70 getrennt. Der Luftspalt 69 kann einen begrenzten Bereich von Stellungen zu beiden Seiten der Mittelstellung einnehmen, wie in Fig.4 gezeigt Die Reaktionsturbine 29 wird durch den Drehmomentmotor und durch nicht gezeigte Anschläge in einem Bereich gehalten, der vorzugsweise einen Winkel von etwa 10° nicht überschreitet Die Funktion des Luftspsltes 70 besteht darin, einen magnetischen Kurzschluß um den Luftspalt 69 herum zu verhindern. Wie im Falle des Abnehmers für die Turbine 22 teilt sich der magnetische Erregerfluß zwischen zwei parallelen Pfaden auf, von denen einer das Polstück 57 und der andere das Polstück 59 einschließt Wenn sich der Luftspalt 69 in der gezeigten Mittelstellung befindet dann sind die in der

bfl Ausgangswicklung 62 und 63 erzeugten Spannungen gleich groß und entgegengesetzt und heben sich auf. Die Auslenkung der Reaktionsturbine 29 in einer Richtung erzeugt ein Ungleichgewicht in den Spannungen, welche in den Wicklungen 62 und 63 induziert werden, und verändert die Spannung an den Ausgangsanschlüssen 64. Der Zweck der Vorspannungswicklung 60 besteht darin, den Punkt für den Ausgang Null so zu verschieben, daß der lineare Teil der Ausgangscharakte-

ristik ohne Umkehr der Ausgangsspannung verwendet werden kann.

F i g. 5 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung des Abnehmers 55 in Abhängigkeit von der Stellung der Reaktionsturbine 29. Daraus ist ersichtlich, daß die Ausgangswechselspannung der Frequenz der Versorgungsspannung 65 sich in etwa linearer Weise zwischen den Werten Vi bis V₂ ändert, wenn die Reaktionsturbine 29 sich durch ihren Arbeitsbereich zwischen dem Winkel 0_t bei dem Durchfluß Null und dem Winkel θ₂ beim maximalen Durchfluß bewegt. In dem untenstehend zu beschreibenden Steuersystem wird die Ausgangswechselspannung des Abnehmers 55 für die Reaktionsturbine 29 als Signal S₂ verwendet, das die Winkelverschiebung oder Auslenkung der Reaktionsturbine 29 aus ihrer Stellung für den Durchfluß Null anzeigt.

Es wird ein elektromagnetischer Drehmomentmotor

70 verwendet, um die Reaktionsturbine 29 in ihrem Betriebsbereich zu hemmen, indem auf sie eine elektrisch gesteuerte Ausgleichskraft ausgeübt wird.

Die F i g. 6 zeigt die Konstruktion des Drehmomentmotors. Der Drehmomentmotor 70 umfaßt einen Ringkern 71 aus lamelliertem Magnetmaterial, welches der Reaktionsturbine 29 gegenüberliegt und an dem Äußeren des Gehäuses 12 befestigt ist. Die Seiten des Ringkernes 71 tragen zwei entgegengesetzt gewickelte Wicklungen 72 und 73, die in Reihe geschaltet sind. Wenn sie über die Eingangsklemmen 74 mit einem Gleichstrom versorgt werden, dann werden darin entgegengesetzte magnetische Flüsse entwickelt, welche oben und unten an dem Ringkern 71 diametral gegenüberliegende Nord- und Südpole N und S hervorrufen. Der durch die Wicklungen 72 und 73 erzeugte magnetische Fluß reagiert mit dem Magnetfluß von den Nord- und Südpolen N und S eines ringförmigen Permanentmagneten 75, der auf geeignete Weise, beispielsweise durch Ankleben außen auf der Hülle 30 befestigt ist, so daß er gegenüber von dem Ring

71 im Innern des Gehäuses 12 liegt Die Verbindungslinie der Pole N und 5 des Ringmagneten 75 liegt normalerweise im rechten Winkel zu der Verbindungslinie der Pole N und S des Ringkernes 71. Wenn daher in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung ein Gleichstrom Im durch die Wicklungen 72 und 73 fließt, wird auf die Reaktionsturbine 29 in der durch den Pfeil Tm dargestellten Richtung ein Drehmoment ausgeübt, welches entgegengesetzt dem Drehmoment ist, das auf die Reaktionsturbine 29 durch die Reaktionskraft des Strömungsmittels, welche durch den Pfeil Tt angezeigt ist, ausgeübt wird. Durch Einstellung der Größe des Stromes Im des Drehmomentmotor» 70

Drehmoment des Motors variiert werden, um für die verschiedensten Strömungsbedingungen einen Abgleichzustand zu erreichen.

Das Blockschaltbild der F i g. 1 zeigt das Netzwerk 11 zur Steuerung und Anzeige für das Durchflußmessersystem. Das Geschwindigkeitssignal S\ von dem Abnehmer 35 der Geschwindigkeitsturbine 22 und das Lagesignal S₂ von dem Abnehmer 55 der Reaktionsturbine 29 werden beide dem Eingang eines Signalmultiplikators 76 zugeführt, dessen Ausgangssignal S₃ sich mit dem Produkt der Signale Si und S₂ ändert Das Signal S3 wird einem Stromerzeuger 77 zugeführt, welcher dem Drehmomentmotor 70 einen Gleichstrom Im zuführt, der sich gemäß dem Eingangssignal S3 ändert Das Signal S₂, das sich, wie nachstehend im einzelnen erläutert, mit der Massendurchflußgeschwindigkeit durch den Geber 10 ändert, wird auch noch einem Durchflußanzeiger 78 zugeführt, welcher die Massendurchflußgeschwindigkeit anzeigt Gewünschtenfalls kann auch der Gesamtdurchfluß durch Integration des Durchflußsignals S₂ in bekannter Weise angezeigt werden.

Es folgt nachstehend eine Beschreibung der Arbeitsweise des grundlegenden Systems zur Durchflußmessung nach Fig. 1. Während des Betriebes tritt das zu messende Strömungsmittel am Einlaßende 15 des Gebers 10 ein und geht durch die schräg angestellten Leitbleche 21, welche dem Strömungsmittel eine Winkelgeschwindigkeit oder eine Drallbewegung mitteilen. Das sich drehende Strömungsmittel trifft auf die Leitschaufeln 25 der Geschwindigkeitsturbine 22 auf und veranlaßt diese, sich mit einer Geschwindigkeit zu drehen, die gleich der durchschnittlichen Geschwindigkeit des Strömungsmittels ist, das an der strömungsabwärts gelegenen Seite die Turbine verläßt. Das sich drehende Strömungsmittel trifft nach dem Durchgang durch die Strömungskanäle 26 der Geschwindigkeitsturbine 22 auf die Leitschaufeln 32 der Reaktionsturbine 29, welche im stationären Zustand durch den Drehmomentmotor 70 gehemmt wird. Die Drehgeschwindigkeit des Strömungsmittels wird daher durch die Reaktionsturbine 29 entfernt, und das Mittel verläßt den Geber 10 am Auslaßende 16, nachdem es die Strömungskanäle 33 durchsetzt hat Das Steuernetzwerk 11 erhält die Eingangssignale Si und S₂ von den Abnehmern 35 und 55 an der Geschwindigkeitsturbine 22 und der Reaktionsturbine 29 und regelt den Strom In zu dem Drehmomentmotor 70 kontinuierlich so nach, daß die Reaktionsturbine 29 während des stationären Zustandes in einem Gleichgewichtszustand gehalten ' wird. Der Gleichgewichtszustand wird während des Betriebes in folgender Weise aufrechterhalten. Wenn die Drehgeschwindigkeit des Strömungsmittels (fluid) sich erhöht, ergibt sich eine entsprechende Erhöhung in der Geschwindigkeit der Turbine 22 und des Ausgangssi-

AQ gnals Si von dem Abnehmer 35. Dies verursacht gleichzeitig eine proportionale Erhöhung in dem Strom Im zum Drehmomentmotor 70 und das Ausgangsdrehmoment des Motors 70, so daß das Gleichgewicht aufrechterhalten wird und die Stellung der Reaktionsturbine 29 sich nicht ändert Wenn die Drehgeschwindigkeit sich verringert, dann findet der umgekehrte . Vorgang statt und es ergibt sich ebenfalls keine Änderung im Gleichgewicht oder in der Lage der Reaktionsturbine 29. Daher ist die Position der Reaktionsturbine 29 unempfindlich gegenüber Änderungen in der Drehgeschwindigkeit des fließfähigen Mediums. Wenn jedoch sich die Massendurchflußgeschwindigkeit erhöht, dann wird sich das von dem Strömungsmittel auf die Reaktionsturbine 29 ausgeübte Drehmoment erhöhen, da es dem Produkt der Massendurchflußgeschwindigkeit M und der Drehgeschwindigkeit Unproportional ist Dies bewirkt, daß das durch das Stömungsmittel ausgeübte Drehmoment Tt größer wird als das Drehmoment 7« des Motors, und als Ergebnis bewegt sich die Reaktionsturbine 29 in einer solchen Richtung, daß sich das Ausgangssignal S₂ des Abnehmers 55 erhöht Dies bewirkt seinerseits eine Erhöhung des Motorstromes /«und des Motordrehmomentes T_M bis das Gleichgewicht zwischen dem durch das Strömungsmittel ausgeübten Drehmoment 7V und dem Motordrehmoment Tm wieder hergestellt ist Dies tritt in der neuen Winkelstellung der Reaktionsturbine 29 ein. Wenn eine Verringerung der Massendurchfluß-

geschwindigkeit Ki auftritt, dann findet der umgekehrte Vorgang statt Daher ändert sich die Winkelstellung der Reaktionsturbine 29 mit der Massendurchflußgeschwindigkeit Ki und wird nicht beeinflußt durch Änderungen in der Drehgeschwindigkeit W. Da sich das Ausgangssignal Si mit der Winkelstellung der Reaktionsturbine 29 ändert, zeigt es die Massendurchflußgeschwindigkeit Ki an und kann daher verwendet werden, um einen Durchflußanzeiger 78 zu betätigen. Das Verständnis dieser Vorgänge wird erleichtert durch die folgenden Gleichungen.

Im stationären Zustand ist das auf die Reaktionsturbine 29 ausgeübte Drehmoment T_M gleich und entgegengesetzt gerichtet zu dem auf die Reaktionsturbine durch das Strömungsmittel ausgeübten Drehmoment Tt. Daher gilt

T₁ = T„ (1)

Da die gehemmte Reaktionsturbine 29 die gesamte Winkelgeschwindigkeit oder Drall aus dem strömenden fließfähigen Medium herausnimmt, ist das Drehmoment Tt des Strömungsmittels proportional dem Produkt der Winkelgeschwindigkeit Wund der Massenströmungsgeschwindigkeit Ki. Daher gilt

T_T - MW (2)

Der Abnehmer an der Geschwindigkeitsturbine erzeugt ein Ausgangssignal Si, das proportional der Turbinengeschwindigkeit und ebenfalls proportional der Winkelgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist Daher ergibt sich

S₁ - W (3)

Durch die Konstruktion ist ebenfalls der Strom /«des Drehmomentmotors proportional dem Motordrehmoment Tm- Daher gilt

h, - T_u (4)

Durch die Wirkung des Singnalmultiplikators 76 und des Stromgenerators 77 ist der Motorstrom Im proportional dem Produkt der Signale Si und S₂ von den Abnehmern der Geschwindigkeitsturbine und der Reaktionsturbine. Daher ergibt sich

(5)

S₂-W-M-W
S, - M

Ein wichtiger Vorteil dieses Systems zur Durchflußmessung besteht darin, daß eine lineare Beziehung zwischen den Winkelstellung der Reaktionsturbine und dem Ausgangssignal S₂ des Abnehmers 55 nicht erforderlich ist Für einen Zustand des Gleichgewichts der Drehmomente, d.h. Tt= Tm, ist das Signal S₂ notwendigetweise proportional der Massendurchflußgeschwindigkeit wenn die anderen Wandler in dem Regelkreis linear sind. Diese anderen Wandler: der Geschwindigkeitsabnehmer 35, der Signalvervielfacher 76, der Stromgenerator 77 und der Drehmomentmotor 70 können ohne übermäßige Kosten mit einem hohen Grad von Linearität hergestellt werdea Auf diese

Aus den vorstehenden Gleichungen ist es offensichtlich, daß:

Tt = T_M ~~ /„ ~ S₁-S₂- MW

Durch Substitution von Wfiir Si ergibt sich

Weise macht dieses System einen Durchflußmesser möglich, der einen höheren Grad der Genauigkeit hat als es bisher möglich gewesen ist — bei relativ niedrigen Kosten.

Das Steuer- und Anzeigenetzwerk 11 der F i g. 1 kann sowohl als Analogsystem als auch als Digitalsystem ausgeführt sein. Zur Veranschaulichung wird nachstehend ein Analogsystem beschrieben.

In Fig.8 wird ein Analogsystem gezeigt, das eine Potentiometeranordnung zur Multiplikation der Signale Si und S₂ für die Turbinengeschwindigkeit und die Turbinenstellung verwendet Die mechanischen Teile des Gebers können die gleichen sein wie in F i g. 1 und werden dargestellt durch den Block 10', welcher durch die gestrichelte Linie umgrenzt ist Der Abnehmer 35 der Geschwindigkeitsturbine 22, der Abnehmer 55 der Reaktionsturbine 29 und der Drehmomentmotor 70 der F i g. 1 werden jeweils durch den Block 35', 55' und 70' dargestellt In ähnlicher Weise sind die Eingangssignale von den Abnehmern mit Si' und S₂' und der Ausgangsstrom zum Drehmomentmotor mit Im' bezeichnet

Die Eingangssignale Si' und S₂' werden durch zwei Potentiometer 79 und 80 multipliziert und der Ausgangsstrom Im¹ wird dem Drehmomentmotor 70' durch einen Differenzverstärker 81 zugeführt welcher durch das multiplizierte Ausgangssignal S% gesteuert wird.

Das Potentiometer 79 hat einen Festwiderstand 82 und einen Schleifer 83, der mit dem Schleifer 84 an dem Festwiderstand 85 des Potentiometers 80 mechanisch gekoppelt ist Beide Schleifer werden durch einen Servomotor 86 über ein Getriebesystem 87 und eine Ausgangswelle 88 eingestellt Die Drehrichtung des Servomotors 86 wird durch einen Nullabgleichverstärker 89 gesteuert, der einen Fehlersignaleingang hat welcher gleich der Differenz zwischen dem Signal S₂ und der Abgleichspannung am Ausgang des Potentiometers 80 ist, das durch eine geeignete Wechselspannungsquelle gespeist wird. Dieses Servosystem arbeitet in an sich bekannter Weise und stellt die Ausgangswelle SS gemäß der Größe des Eingangssignals S₂' ein.

Das Eingangssignal S/ von dem Abnehmer 35' an der Geschwindigkeitsturbine 22 wird einem Konverter 90 zur Umwandlung einer Frequenz in einen Gleichstrom zugeführt, dessen Gleichspannungsausgang über den Widerstand 82 des Potentiometers 79 geschaltet wird. Die Gleichspannung über dem Ausgang des Potentiometers 79 ändert sich daher mit dem Signal Si vom Abnehmer der Geschwindigkeitsturbine.

Da der Schleifer 83 mechanisch mit der Ausgangswelle 88 des Servos verbunden ist ändert diese Spannung sich auch mit dem Signal S₂ von dem Abnehmer der Reaktionsturbine. Das Ausgangssignal S3', das über einem Festwiderstand 91 liegt, ändert sich daher entsprechend dem Produkt der Eingangssignale Si' und S₂. Der Strom Im', der von dem Differenzenverstärker 81 aus zu dem Drehmomentmotor 70' fließt, erzeugt eine Spannung Em' über einem Festwiderstand 92, weiche sich mit dem Strom Im' ändert. Die Signalspannungen S3' und Em' werden als Eingänge dem Differenzenverstärker 81 zugeführt, welcher in bekannter Weise wirkt, um den Strom Im, zu dem Drehmomentmotor 70' zu regeln, so daß dieser der Signalspannung S3' entspricht Da sich die Signalspannung S3' mit dem Produkt der Eingangssignale Si' und S₂' von den Abnehmern 35' und 55' für die Turbinengeschwindigkeit und die Turbinenstellung

ändert, ändern sich der Strom /«'zum Drehmomentmotor 70 und das Drehmoment ebenfalls mit dem Produkt dieser Signaleingäiyje. Wie bereits im Zusammenhang mit dem System der Fig. 1 erläutert, ist das Signal S₂' daher ein Maß für die Massendurchflußgeschwindigkeit Da die Stellung der Welle 88 ebenfalls dem Signal S₂ entspricht, kann diese dazu verwendet werden, um einen geeigneten Anzeiger 93 zu betreiben.

Das Steuer- und Anzeigenetzwerk 11 der F i g. 1 kann ebenfalls ein Digitalsystem zur Steuerung des Stromes zum Drehmomentmotor gemäß dem Produkt der Signale für die Turbinengeschwindigkeit und für die Turbinenstellung und zur Anzeige der Massendurchflußgeschwindigkeit und des Gesamtdurchflusses enthalten. Ein solches System ist in F i g. 9 dargestellt. Die mechanischen Teile des Gebers können die gleichen sein wie in F i g. 1 und sind angedeutet durch den mit einer gestrichelten linie umgrenzten Block 10". In ähnlicher Weise werden die Abnehmer für die Geschwindigkeitsturbine und die Reaktionsturbine durch die Ziffern 35" und 55" und der Drehmomentmotor durch die Ziffer 70" bezeichnet Ebenso werden die Ausgangssignale von den Abnehmern mit Si" und S₂" und der Strom I_M" zum Drehmomentmotor 70" bezeichnet, um die identifizierung der entsprechenden Teile und Schaltungen zu erleichtern.

In dem Digitalsystem wird das Ausgangssignal S₂" der Reaktionsturbine, welches die Massendurchflußgeschwindigkeit darstellt, einen spannungsgesteuerten Oszillator 94 bekannter Konstruktion zugeführt. Der spannungsgesteuerte Oszillator ist ein Wandler, welcher das Eingangsspanungssignal S₂" in eine Ausgangsspannung umwandelt, die eine Frequenz besitzt, welche annähernd proprotional der Eingangsspannung ist Er kanu beispielsweise ein Relaxationsoszillator sein mit einem Kondensator, der am Beginn einer Periode mit einer Geschwindigkeit aufgeladen und entladen wird, die der Eingangsspannung proportional ist Die Sägezahnausgangswelle 95 ist neben der Ausgangsleitung 96 dargestellt Da die Anzahl der Perioden oder Impulse im Ausgang des spannungsgesteuerlen Oszillators 94 den Massendurchfluß darstellt, kann sie durch einen konventionellen Zähler 97 mit Anzeige und durch einen Zähler 98 gezählt werden, welche beide mit der Ausgangsleitung 96 verbunden dargestellt sind. Die Anzahl der gezählten Impulse pro Zeiteinheit ist die an dem Zähler 97 mit Anzeige gezeigte Massendurchflußgeschwindigkeit und die Gesamtzahl der gezählten Impulse zeigt auf dem Zähler 98 den Gesamldurchfluö. Daher fördert die Umwandlung des Signals S₂" vcn dem Abnehmer der Reaktionsturbine in eine variable Frequenz in starkem Maß die digitale Anzeige der Massendurchflußgeschwindigkeit und des Gesamtdurchflusses.

Die Art und Weise, in der die Signale Si" und S?" von den Abnehmern der Turbinen in dem digitalen System zur Steuerung des Stromes /m"zuiti Drehmomentmotor 70" multipliziert werden, wird nachstehend beschrieben.

Das Signal Si" des Abnehmers 35" an der Geschwindigkeitsturbine 22 wird einem Impulsformer 99 von bekanntem Aufbau zugeführt, der die Abnehmerspannung demoduliert und eine Kreuzdetektorschaltung verwendet, um Ausgangsspannungsimpulse zu erzeugen, deren Frequenz mit der Turbinengeschwindigkeit veränderlich ist. Diese Impulse 100 werden benachbart zu der Ausgangsleitung 101 wiedergegeben, mit einer Form, die zur Ansteuerung von Flip-Flops, Torschaltungen und Binärzählern, die in der Steuerschaltung verwendet werden, geeignet ist

Wie durch die Darstellung der Schaltlogik gezeigt, umfaßt das Steuernetzwerk zwei Binärzahler G und C₂, die durch zwei Tore G\ und C₂ und vier Flip-Flops FFl, FF2, FF3 und FF4 gesteuert werden. Das Netzwerk erhält als Eingänge auf der Leitung 96 das Ausgangssignal von dem spannungsgesteuerten Oszillator 94 und den Ausgang von der Impulsformerstufe 99 auf der Leitung 101 und den Ausgang eines Zeitgeberoszilla-

! ο tors, einer Uhr 102, in Form nadeiförmiger Zeitgeberimpulse 103, welche benachbart zu der Ausgangsleitung 104 gezeigt sind.

Das Steuernetzwerk erzeugt als Ausgang auf der Leitung 105 eine Reihe von Steuerimpulsen 106 mit einer Folgefrequenz, die durch die Signale Si" vom Abnehmer 35" der Geschwindigkeitsturbine gesteuert wird und einer Impulsbreite, die gemäß den Signalen S₂" von der Reaktionsturbine variabel ist Diese Steuerimpulse 106 werden einem Stromgenerator 107 zugeführt,

der einen Ausgangsstrom Im für den Drehmomentmotor 70" erzeugt, welche sich gemäß dem Produkt der Eingangssignale Si" und S₂" von den Abnehmern ändert, wie nachstehend im Zusammenhang mit der Beschreibung des Stromgenerators (Fig. 11) näher

erläutert wird.

Zu den Einzelheiten des Steuernetzwerkes ist zu erwähnen, daß die bistabilen Multivibratorschaltungen oder Flip-Flops FFl, FF2, FF3 und FF4 von dem handelsmäßig erhältlichen sogenannten J-K-Typ sind.

Jeder Flip-Flop hat Eingänge Cund R für Zeitgebersignal und Rückstellung, Ausgänge Qund <?und Eingänge / und K. Die Betriebscharakteristik dieser Flip-Flops wird durch die folgende Tabelle gezeigt, welche für verschiedene Zustände an den Eingangsanschlüssen / und K (0 oder 1) vor dem Zeitgeberimpuls den Zustand des Ausgangs Q nach der Einführung eines Zeitgeberimpulses auf den Anschluß C ieigt Ein Eingang Null an den Rückstellanschluß R führt immer den Ausgang des Anschlusses ζ) auf Null zurück.

J„	A
O	O
1	O
O	1
1	1

Q_n,

1 O

Einige der Eingangsanschlüsse /und A.'der Flip-Flops

so werden entweder auf dem Wert Null oder auf dem Wert Eins gehalten und, wo dies der Fall ist, erscheinen in der F i g. 9 an den Anschlüssen die Zahlen Null oder Eins.

Die Binärzähler Ci und C₂ sind ebenfalls handelsmäßig erhältlich und umfassen eine Reihe von nacheinander betätigten Flip-Flops, welche solange eine Binärzählung der Eingangsimpulse liefern, bis sie voll sind. Dann erzeugen sie einen Übertragungsimpuls für Steuer- und Rückstellzwecke. Die Zähler Ci und C₂ sind parallegeschaltet, wie durch den Pfeil 108 angedeutet Der Zähler Ci überträgt seine Impulszahl auf den Zähler C₂, wenn ein Impuls an den Datenübertragungsanschluß 109 gegeben wird. Die Komplementärzahl der Zählung auf dem Zähler Ci wird auf den Zähler C₂ übertragen, da die Q Anschlüsse der Flip-Flops im Zähler Ci mit den Dateneingangsanschlüssen des Zählers C₂ verbunden sind. Die Komplementärzahl und Zahl Λ/auf dem Zähler Ci ist die Differenz zwischen dem Bereich des Zählers C₂ (No) und der Zählzahl N auf dem Zähler Ci, d. h.

No-N. Wenn der Zähler C₂ bereits eine Zahl (No-N) enthält, wird er voll und erzeugt einen Übertragungsimpuls an seinem Ausgangsanschluß 110, nachdem er N zusätzliche Impulse von der Uhr 102 erhalten hat Die Torschaltungen Gi und G₂ werden eingeschaltet, wenn an ihnen beide Eingangssignale auf dem Wert Eins (im Unterschied zu dem Wert Null) sind.

Die logische Darstellung des Zeitablaufs in Fig. 10 veranschaulicht graphisch die aufeinanderfolgenden Arbeitsschritte des digitalen Steuersystems, welches nachstehend erläutert wird. Oben in der Fig. 10 erscheinen die Impulse von der Uhr 102; um den Maßstab zu komprimieren sind einige Impulse ausgelassen, wie durch die gestrichelten Linien dargestellt Unter den Zeitgeberimpulsen sind die Impulse von der Geschwindigkeitsturbine aus dem Impulsformer 99 dargestellte. Ebenfalls gezeigt sind die Zustände der Q Anschlüsse der Flip-Flops FFl, FF2, FF3 und FF4 und die Ein-Aus-Zustände der Torschaltung G\ und Gz. Die stufenförmigen Treppenlinien zeigen die Aufsammlung von gezählten Impulsen auf den Zählern Ci ulnd C₂ und die vertikalen gestrichelten Linien im untersten Teil definieren die Grenzen der Arbeitszustände 1,2,3 und 4.

Der Zustand 4 ist ein Bereitschaftszustand. Die O-Ausgänge der Flip-Flops FF2, FF3 und FF4 sind im Zustand Nail und der Q-Ausgang des Flip-Flops FFl ist in dem Zustand Eins. Die Torschaltung G\ und G₂ sind gesperrt und lassen daher keine Impulse durch. Der Zähler Q enthält die Zählzahl N, die sich in dem vorhergehenden Zyklus angesammelt hat Der Zähler C₂ hält die Komplementärzahl der Zahlenzähler Q, d. h. (No-NX die am Ende des vorhergehenden Zyklus in seine Dateneingangsanschlüsse eingegeben wurde.

Der Zustand 1 beginnt mit dem Empfang eines Impulses der Geschwindigkeitsturbine aus dem Impulsformer 99 über die Leitung 101. Der Eingangsimpuls veranlaßt den Flip-Flop FF2 seinen Schaltzustand zu ändern und dies bewirkt seinerseits über die Leitung 111 eine Rückstellung Flip-Flop FFl. Der Ausgang Q des Flip-Flops FFl geht von Null auf Eins und nimmt das Datenübertragungssignal vom Zähler C₂ über den Anschlußpunkt 109 weg und öffnet die Torschaltung G₂. Die Zeitgeberimpulse können nun auf den Zähler C₂ gelangen.

Der Zustand 2 beginnt mit dem ersten Zeitgeberimpuls durch G₂ nach dem Impuls der Geschwindigkeitsturbine, welcher die Flip-Flops FF3 über die Leitung 113 umschaltet, um den Ausgangsimpuls 106 auf der Leitung 105 auszulösen. Nachdem N Zeitgeberimpulse auf den Zähler C₂ gegangen sind, ist er voll gelaufen und schaltet über die_ Leitung 115 den Flip-Flop FF4 um. Der Ausgang Q des Flip-Flops FF4 stellt über die Leitung 116 die Flip-Flops FF2 und FF3 zurück und beendet damit den Ausgangsimpuls 106 am Ende des Zustandes 2 nach einem Zeitintervall proportional zu N. Der (^-Ausgang des Flip-Flops FF4 öffnet das Tor G₁ durch die Leitung 117, wodurch die Impulse von dem spannungsgesteuerten Oszillator 94 über die Leitung % auf den Zähler Q gehen können und der Zustand 3 beginnt. Die Torschaltung G₂ bleibt geöffnet

Nach weiteren No zusätzlichen Zeitgeberimpulsen ist der Zähler C₂ wieder voll gelaufen und schaltet den Flip-Flop FF4 über die Leitung 115 um, welcher seinerseits den Schaltzustand des Flip-Flops FFl über die Leitung 118 ändert Die Torschaltungen Gi und G₂ werden beide geschlossen und verhindern, daß zusätzliche Impulse auf die Zähler gehen. Der Zähler Q hat jetzt eine andere Zählzahl N aufgenommen, welche sofort über die Paraüelleitungen 108 auf den Zähler C₂ übertragen wird, da der Ausgang t?des Flip-Flops FFl in den Zustand Null gegangen ist. Damit ist die Schaltung wieder im Zustand vier und erwartet den nächsten Geschwindigkeitsimpuls aus dem Impulsformer 99, welcher die Wiederholung des obenbeschriebenen Zyklus veranlaßt Auf diese Weise wird eine Reihe von Ausgangsimpulsen 106 erzeugt, mit einer Impulsbreite der Zeitdauer t, welche proportional der Impulszahl N auf dem Zähler Q und damit der Massendurchflußgeschwindigkeitist

Die Ausgangsimpulse 106 des Steuernetzwerkes werden durch den Stromgenerator 107, der in F i g. 11 in weiteren Einzelheiten gezeigt wird, in einen Strom I_M" umgewandelt Die Steuerimpulse 106 werden einer Treiberschaltung 119 zugeführt, welche abwechselnd auf hohe und niedrige Werte der Eingangssteuerimpulse ansprechend, die Transistorschalter 120 und 121 (MOSFET) schließt. Wenn der Schalter 120 auf einen Impuls 106 hin geschlossen und der Schalter 121 geöffnet ist, wird über einen Widerstand 123 ein Kondensator 122 an eine Quelle 124 mit konstanter Gleichspannung angeschlossen, welche beispielsweise eine Schaltung mit einer ZENER-Diode sein kann, und der Kondensator lädt sich auf. Nach dem Steuerimpuls 106 öffnet sich der Schalter 120 und der Schalter 121 schließt sich und verbindet den Kondensator 122 über den Widerstand 123 mit Masse und der Kondensator entlädt sich. Da die Konstantspnnnungsquelle 124 die Amplitude konstant hält, hat die Spannung am Punkt 125 eine Rechteckwellenform und ergibt eine Reihe von Steuerimpulsen 129, die den Steuerimpulsen 106 entsprechen, mit der Ausnahme, daß die eine konstante Amplitude E_c besitzen. Die Breite dieser Impulse 126,

bestimmt durch das Zeitintervall C, ändert sich mit dem Signal S₂" von der Reaktionsturbine und die Frequenz ändert sich mit dem Signal Si" vom Abnehmer der Geschwindigkeitsturbine. Der Durchschnittswert dieser Steuerimpulse, wenn sie sich als Produkt dieser Signale (S" χ S₂") ändert,erscheint als eine Spannung E_n über dem Kondensator 122, welcher als Filter wirkt Die Spannung Em wird über einen Pufferverstärker 126 als Eingangsspannung Em einem Differenzverstärker 127 zugeführt, welcher eine ähnliche Funktion erfüllt wie der Differenzverstärker 81 in F i g. 8. Er dient dazu, den Eingangsklemmen 64 des Drehmomentmotors 70 einen Strom Im" zuzuführen, welcher sich mit der Eingangsspannung Em' ändert. Jede Abweichung von diesem Zustand bewirkt, daß sich eine Spannung E₁ an einem

so Festwiderstand 128 von der Spannung E_M' unterscheidet, worauf der Differenzenverstärker 127 den Eingangsstrom Im" so ändert, daß das Spannungsgleichgewicht wieder hergestellt wird. Daher werden die Steuerimpulse 126 gemäß dem Signal Si" von dem Abnehmer der Geschwindigkeitsturbine frequenzmoduliert und werden gemäß dem Signal S₂" von dem Abnehmer der Reaktionsturbine impulsbreitenmoduliert. Da die Amplitude dieser Steuerimpulse konstant gehalten wird, ändert sich ihr Durchschnittswert mit dem Produkt der Signale Si" und S₂" und ebenso ändert sich der Strom Im" zum Drehmomentmotor, alternativ kann die Breite der Steuerimpulse konstant gehalten werden und die Amplitude der Steuerimpulse kann gemäß dem Signal S₂" moduliert werden, um die Multiplikation der beiden Signale von den Abnehmern der Turbine zu erzielen.

Ein überragender Vorteil des digitalen Steuer- und Anzeigesystems ist seine inhärente Genauigkeit, welche

auf der Zählung diskreter Impulse beruht, verglichen mit einem Analogsystem, welches sich kontinuierlich ändernde Größen mißt Ein solches System ist weniger empfindlich gegenüber Fehlern bei der Signalübertragung und Fehlern die von zufälligen Signalen herrühren, welche durch induktive und kapazitive Beeinflussung von anderen elektrischen Anlagen verursacht werden. Bezüglich der Genauigkeit der in dem digitalen System verwendeten Baueinheiten ist zu bemerken, daß jetzt Zeitoszillatoren mit einem hohen Genauigkeitsgrad bei vernünftigen Kosten erhältlich sind. Ebenso ergibt sich im wesentlichen kein Fehler in dem Abnehmer 35 der Geschwindigkeitsturbine, da dieser von Natur aus digital ist Weiterhin kann der Drehmomentmotor 20 bei relativ niedrigen Kosten mit einem hohen Grad von Linearität konstruiert werden. Weiterhin ist zu beachten, daß das digitale System keine Linearität zwischen der Winkelstellung der Reaktionsturbine und der

Ausgangsfrequenz /des spannungsgesteuerten Oszillators 94 erfordert Wenn der Zeitgeberoszillator genau ist und der Drehmomentmotor linear ist, dann entspricht notwendigerweise die Ausgangsfrequenz / des spannungsgesteuerten Oszillators der Massendurchflußgeschwindigkeit für einen stationären angeglichenen Zustand der Reaktionsturbine. Die mathematische Erklärung des Ergebnisses ist die gleiche wie die oben im Zusammenhang mit der Betriebsweise des grundlegenden Systems der F i g. 1 gegebene, wobei die Ausgangsfrequenz /für das Signal & substituiert werden kann.

In den F i g. 1 und 9 sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Für den Fachmann ist jedoch offensichtlich, daß die verschiedensten Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne den Bereich der durch die Erfindung gegebenen technischen Lehre zu verlassen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Massendurchflußmeßvorrichtung des Drehmomenttypes mit, in Reihe angeordnet, einem Drallerzeuger, der dem Strömungsmittel eine Winkelgeschwindigkeit erteilt, einer Geschwindigkeitsturbine, die auf die Winkelgeschwindigkeit des Strömungsmittels anspricht und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines gemäß dieser Geschwindigkeit variablen ι ο Geschwindigkeitssignals besitzt, einer Reaktionsturbine, die das durch das Strömungsmitte! ausgeübte Reaktionsdrehmoment aufnimmt und durch dieses Reaktionsdrehmoment verstellbar ist und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Stellungssignals gemäß dieser Auslenkung besitzt, und mit einem mit der Reaktionsturbine verbundenen Drehmomentmotor zur Erzeugung eines Gegendrehmomentes auf die Reaktionsturbine in einer Richtung entgegengesetzt zu der Auslenkung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuervorrichtung(11) zur Steuerung des Ausgangsdrehmomentes des Drehmomentmotors (70) vorgesehen ist, die einen Signalmultiplizierer (76) aufweist zur Multiplikation der Geschwindigkeits- und Stellungssignale (Su S₂) zur Erzeugung eines resultierenden Signals (Si) zur Steuerung des Drehmomentes des Drehmomentmotors (70), das mit dem Produkt der Geschwindigkeits- und der Stellungssignale variabel ist, und die auf die Geschwindigkeits- und Stellungssignale (Su S₂) anspricht und gemäß der kombinierten Wirkung dieser Geschwindigkeits- und Stellungssignale aussteuerbar ist, wodurch die Reaktionsturbine (29) in einer Gleichgewichtsstellung gehalten ist, welche sich mit der Massendurchflußgeschwindigkeit des Strömungsmittels ändert, und daß in Abhängigkeit von der Auslenkung der Reaktionsturbine (29) ein Anzeiger (78) betätigbar ist zur Anzeige der Massendurchflußgeschwindigkeit.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt der Geschwindigkeitsund Stellungssignale durch ein Potentiometer (79, 80) erzeugbar ist, dessen fester Widerstand (82) gemäß dem Geschwindigkeitssignal gespeist und dessen Schleifer (84) gemäß dem Stellungssignal angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Reaktionsturbine (29) gehörige Signalerzeuger einen Wandler (94) aufweist, der Ausgangsimpulse mit einer Frequenz erzeugt, die sich mit dem Betrag der Ablenkung der Reaktionsturbine (29) ändert, und der Anzeiger (78) einen Zähler (97) zur Zählung der durch den Signalerzeuger erzeugten Impuls umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 — 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Geschwindigkeits- und Stellungssignale ansprechende Steuervorrichtung (11) eine Folge von Steuerimpulsen (105) in Intervallen erzeugt, welche gemäß dem Geschwindigkeitssignal (S\) variabel sind, wobei e>o jeder Impuls eine Breite hat, die gemäß dem Stellungssignal (S₂) variabel ist, und ein durch die Steuervorrichtung (11) gesteuerter Stromgenerator (107) dem Drehmomentmotor (70) Strom zuführt, der gemäß dem Durchschnittswert dieser Steuerim- e>-> pulse veränderbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (11) eine Impulsfolge erzeugt, in der jeder Impuls eine konstante Amplitude und eine Impulsbreite besitzt, die gemäß dem Stellungssignal (S₂) variable ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler (94) das Stellungssignal der Reaktionsturbine (29) und Ausgangsimpulse erzeugt, deren Frequenz gemäß der Größe der Ablenkung der Reaktionsturbine variabel ist, daß ein Impulswandler (99) die Turbinengeschwindigkeitssignale in der Form von Impulsen liefert, und daß die Steuervorrichtung (11) Flip-Flops (FFi, FF2, FF3, FFA), Gatter (Gu G₂), eine binäre Zählvorrichtung (Q, C₂) und einen Zeitgeber-Oszillator (102) umfaßt zum Zählen der vom Impulswandler (99) während eines festen Zeitintervalls erzeugten Ausgangsimpulse und zum Verändern der Breite des von der Steuervorrichtung (11) erzeugten Steuerimpulses gemäß der Anzahl der vom Wandler (94) erzeugten Impulse, die von der binären Zählvorrichtung während des Zeitintervalls gezählt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählvorrichtung einen ersten und zweiten binären Zähler (C\, C₂) umfaßt, die so angeordnet sind, daß der erste Zähler (C]) die Ausgangsimpulse von dem die Stellungssignale der Reaktionsturbine (29) erzeugenden Wandler (94) während eines festen Zeitintervalles zählt, das durch den zweiten Zähler (C₂) bestimmt ist und anschließend der zweite Zähler (C₂) das Zeitintervall bestimmt, das variabel ist mit der Impulszahl auf dem ersten Zähler (G).