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Rotierende Durchflußmesser mit geregeltem Fremdantrieb Rotierende
Durchflußmesser werden zur Messung des Volumendurchflusses vLl/sJ von Gasen und
Flüssigkeiten in Rohrleitungen verwendet, wobei die Drehzahl des rotierenden Meßelements
ein Maß flir den Volumendurchfluß darstellt.
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Eine Unterteilung kann in die folgenden beiden Gruppen vorgenommen
werden: - Drehkolbendurchfl ußmesser - Turbinendurchflußmesser Die Dreh k o 1 b
e n d u r c h f l u ß m es s er basieren auf dem Verdrängungsprinzip und besitzen
üblicherweise rotierende Rootskolben. Diese Durchflußmesser werden bis zu Nennweiten
von NW 800 (Rohrinnendurchmesser 800 mm) hergestellt.
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Der Rauminhalt, der bei einer Umdrehung durch den Durchflußmesser
bewegt wird, ist das sogenannte Umdrehungsvolumen q0 pliter/Umdrehung3.
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Zwischen der Drehzahl n und dem Durchfluß V[0/s3 besteht damit folgende
Beziehung: V = qO . n . (1) Diese Beziehung gilt jedoch nur für einen reibungsfreiarbettenden
Durchflußmesser.
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Obliche Spezifikationen: Meßbereich: 10% bis 100% vom Nenndurchfluß
Genauigkeit: + 1% im linearen Bereich von etwa 10% bis 100% Nenndurchfl uß.
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Die T u r b i n e n d u r c h f 1 u ß m e 5 5 e r arbeiten volumetrisch.
Eine Axialturbine wird vom durchströmenden Medium (Gas oder Flüssigkeit) in Rotation
versetzt. Innerhalb des Meßbereichs ist die Drehzahl der Turbine dem Durchfluß proportional.
Die sich drehende Turbine induziert in einer im Gehäuse liegenden Spule eine >!echselspannung,
deren Frequenz der Drehzahl und damit auch dem Durchfluß proportional ist.
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Turbinendurchflußmesser werden zum Einbau in Rohrleitungen mit Nennweiten
von etwa NW 10 bis NW 500 hergestellt. Von den verschiedenen Herstellern werden
sie bis zu Betriebsdrücken von p - 500 ata und mehr angeboten.
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Obl i che Spezifikationen: Meßbereich: 10% bis 100% vom Nenndurchfluß
Genauigkeit: t+ O,0 im linearen Bereich von etwa 10% bis 100% Nenndurchfluß Turbinendurchflußmesser
werden üblicherweise als leitradlose Axialturbinen ausgeführt. Das hat zur Folge,
daß das durchströmende Medium rein axial in das Turbinenrad eintritt. Aus der Eulerschen
Turbinengleichung ergibt sich unter der Annahme, daß der Turbinendurchflußmesser
reibungslos arbeitet, folgende Beziehung zwischen Drehzahl n, Schaufelwinkel ßs
und Durchfluß Y: n = k ctg ß' V (2) k ctg ßs ist hierbei als Gerätekonstante zu
betrachten.
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Die hier angefuhrten Beziehungen (1) und (2) gelten fur den idealen,
völlig reibungsfrei arbei'tenden Drehkolben- und Turbinendurchflußmesser. In diesem
Fall müßte vom durchströmenden Medium keine Arbeitsleistung zum Antrieb des Durchflußmessers
aufgebracht werden. Bei gleichem Zu- und Abströmungsquerschnitt tritt kein Druckabfall
ap über dem Durchflußmesser'auf.
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Da in allen rotierenden Durchflußmessern sowohl Lagerreibung als auch,
Strömungsreibung vorhanden ist, muß aber zum Antrieb der rotierenden Elemente vom
durchströmenden Medium Arbeit,geleistet werden. Diese Arbeitsleistung wird durch
einen entsprechenden Gesamtdruckabfall #p hp aufgebracht In der Praxis führt dies
zu folgenden unensünschten Erscheinungen bzw., Meßfehlern:
1.) Es
ist ein minimaler, vom BetriEbsdruck abhängiaer Durchfluß zum Anlauf des Durchflußmessers
notwendig. Die untere Grenze des Meßhereichs ist dadurch festgelegt.
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2.) Eine Verminderung der Drehzahl gegenüber dem idealen reibungsfrei
arbeitenden Durchflußmesser (zu niedrige Anzeige!).
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3.) Spaltverlus'te,die durch den Druckabfall verursacht sind (zu niedrige
Anzeige!).
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Der Stand der Technik ist z.B. in folaenden Literaturstellen wiedergegeben:
1.) S A C K , D. Der heutige Stand der Volumenmessunn, mit Drehkolbengaszähler und
ihren Zusatzgeräten.
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Gas - Wärme, Band 9, Nr. 2/3/1960, Seite 54 - 60 2.) Aerzener Drehkolbengaszähler
und Zusatzgeräte.
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In Firmenschrift 100 Jahre Aerzener Drehkolbenmaschinen, Aerzen 1964,
Seite 65 - 72 3.) Prospekte über Turbinendurchflußmesser folgender Firmen: Fischer
und Porter GmbH, Göttingen-Ellershausen, Krohne, Duisburg, Potter.Aeronautical Corporation,
Union, N.J., USA Die Erfindung hat sich nun zur Aufaabe gestellt, die bei rotierenden
Durchflußmessern konventioneller Bauart infolge von Lager- und Strömungsreibuna
auftretenden Meßfehler und Betriebsbeschränkungen weit-.
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gehend auszuschalten.
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Wie im vorstehenden erläutert, muß das durch den Durchflußmesser strömende
Medium zur Obeninduno der Reibung Arbeit leisten, die durch einen Gesamtdruckverlust
aufgebracht-wird. Diese Arbeitsleistung wird erfindungsgemäß dadurch vermieden,
daß dem Durchflußmesser über einen
Antrieb Energie zugeführt wird.
Die zugeführte Energie wird dabei durch Verändern der Antriebsdrehzahl so einge-regelt,
daß der Druckverlust Ap über den Durchflußmesser verschwindet. Die Betriebsdrehzahl
für den durch Ap = 0 gekennzeichneten Betriebszustand ist dann -das Maß für den
Durchfluß.
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-Der Erfindungsgedanke sei anhand zweier Ausführungsbeispiele, die
in den Zeichnungen dargestellt sind, wie folgt beschrieben: Fig. 1 zeigt das Schema
eines fremdgeregelten Drehkolbendurchflußmessers. Das mit dem Druck p1 in den DurchfluPm,esser
einströmende Medium 1 (Gas oder Flüssigkeit) versetzt die Rootskolben 2 des Drehkolbendurchflußmessers
in Rotation. Infolge der Reibungsverluste tritt aber zunächst über den Drehkolben
ein gewisser Druckverlust auf, so daß das Medium den Durchflußmesser mit einem Druck
p2 < #p1 verläßt.
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Abweichend von der konventionellen Bauweise können aber bei der erfindungsgemässen
Konstruktion die Drehkolben durch einen Motor 3 zusätzlich angetrieben werden. Die
Drehzahl des Antriebsmotors 3 wird von einem Drehzahl regler 4 so eingeregelt, daß
ein Differenzdrucksensor 5 den Differenzdruck p1 - p2 = Ap = 0 feststellt. Der Drehzahlmesser
6 gibt dann das Maß für den Durchfluß.
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Analog arbeitet der in Fig. 2 skizzierte Turbinendurchflußmesser mit
geregeltem Fremdantrieb. Das durchfl,iePende medium 1 wirkt auf die Turbine 7, die
durch einen Motor 3 zusätzlich angetrieben werden kann.
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Die Drehzahl des Motors 3 wird wieder durch einen Drehzahl regler
4 so geregelt, daß der Differenzdrucksensor 5 eine Druckdifferenz p1 - P2 = Ap =
0 mißt. Der Drehzahlmesser 6 dient zur Bestimmung des Durchflusses.
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Für Differenzdruckmessung und Antrieb kommen bekannte Mittel und Maßnahmen
zur anwendung: FUr die Differenzdruckmessung kann sowohl eine tn'enlbrandifferenzdrucknießdose
oder eine Umwegleitung mit eingebautem ISitzedraht vervendet werden. Im Falle Ap
= 0 wird diese Leitung nicht durchströmt und die Temperatur des Hitzedrahtes wird
ein Paximum.
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Für den Antrieb ist ein stufenlos reaelbarer Motor notwendig, dessen
Drehzahl von einem Regler eingestellt wird.
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Bei den Drehkolbendurchflußmessern ist der Antrieb am einfachsten
an einer Wellendurchführung außerhalb des Durchflußmessers anzubringen.
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Bei Turbinendurchflußmessern größerer Nennweite kann-ein in die Leitung
eingebauter Gleichstrommotor venlrendet werden. Bei engen Platzverhältnissen bietet
sich auch ein Drehstrommotor an, dessen Erregerwicklung außerhalb der Leitung angebracht
ist. Der Rotor dieses Motors müßte dann am Umfang der Turbinenschaufeln angebra,cht
werden. Die Drehzahl dieses Motors ist über die Frequenz des Drehstrom zu steuern.
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Durch die Regelung der Drehzahl -auf eine Druckdifferenz Ap = 0 mit
Hilfe eines zusätzlichen Antriebes werden die Bedingungen des ideal arbeitenden
Durchflußlwssers erfüllt. Dadurch entfallen alle Fehlerquellen und Betriebsbeschränkungen,
die durch-mechanische Reibung und Strömungsreibung verursacht werden. Dementsprechend
ergeben sich mit der erfindungsgemässen Konstruktion insbesondere die folgenden
technischen Vorteile: - Das Anlaufverhalten des Durchflußmessers ist praktisch unabhängig
von mechanischer Lagerreibung, Dichte des Mediums (Absolutdruck) und Durchfluß.
Dies ermöglicht eine Erweiterung des Meßbereichs zu kleineren Durchflüssen und die
strömungsmechanische Begrenzung der unteren Bet rie bs druckg renze. entfällt.
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- Die-Drehzahl des Durchflußmessers ist unabhängig von der mechanischen
Reibung und damit auch unabhängig von einer im Betrieb leicht auftretenden änderung
derselben. Daraus resultiert eine Steigerung der Meßgenauigkeit.
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- Die bei üblichen Durchflußmessern auftretenden-Fehler durch Spaltverluste
fallen fort, da der Durchflußmesser bei tp = 0 arbeitet.
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Daraus resultiert eine Steigerung der egcnauigkeit.
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- Da keine Spaltverluste auftreten, können die Spa-lten zwischen
dem Drehkolben bzw. zwischen Turbinenrad un--d Gehäuse größer gehalten werden. Das
bedeutet eine größere Fertigungstoleranz bei der Herstellung der Durchflußmesser.