DE2504631A1

DE2504631A1 - Stroemungsmesser

Info

Publication number: DE2504631A1
Application number: DE19752504631
Authority: DE
Inventors: David George Aylwin; Bhalchandra Vinayak Jayawant
Original assignee: Rosemount Engineering Co Ltd
Current assignee: Emerson Process Management Ltd
Priority date: 1974-02-04
Filing date: 1975-02-04
Publication date: 1975-08-14
Also published as: GB1497801A

Description

Strömungsmesser

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser mit einem Rotor, der von einem Strömungsmittelstrom angetrieben wird. Unter "Strömungsmesser" ist hierbei jede Vorrichtung zu verstehen, die ein Ausgangssignäl oder eine Anzeige in Abhängigkeit von dem Strömungsmittelstrom erzeugt. Der Strömungsmesser kann z.B. eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit wie z.B. ein Anemometer oder eine Vorrichtung sein, die ein Ausgangsanzeigesignal erzeugt, das für die Strömungsmittelmenge pro Zeiteinheit charakteristisch ist, die durch ein Rohr oder dergleichen strömt.

Eines der Probleme bei einem Strömungsmesser mit einem von dem Strömungsmittelstrom angetriebenen Rotor, insbesondere bei Anemometern, besteht darin, daß, wenn sehr niedrige Durchflußmengen bzw. Strömungsgeschwindigkeiten zu messen sind, es wesentlich ist, daß die Reibung in den Lagern des Rotors vernachlässigbar ist. Bei hohen Durch-

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flußmengen bzw. Strömungsgeschwindigkeiten dagegen können diese Lager einer erheblichen Abnutzung unterliegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Strömungsmesser unter Verwendung einer magnetischen Aufhängung zu schaffen, um jede Lager mit sich berührenden Oberflächen zu vermeiden.

Der erfindungsgemäße Strömungsmesser mit einem von einem Strömungsmittelstrom angetriebenen Rotor zeichnet sich aus durch, eine magnetische Aufhängung für den Rotor, bestehend aus wenigstens einem Elektromagneten an einer Halterung, um ein mitwirkendes Element an dem Rotor nach oben anzuziehen, einen berührungsfreien Sensor, der die Länge des Luftspaltes zwischen dem Elektromagneten und dem mitwirkenden Element ermittelt, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Erregung des Elektromagneten in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Sensors, die derart ausgebildet ist, daß, wenn sich der Rotor in Richtung auf den Elektromagneten bewegt, in einem Teil des Bewegungsbereichs die Erregung abnimmt, um die Anziehungskraft zu verringern, so daß eine stabile Gleichgewichtslage erreicht wird, ohne daß der Elektromagnet und das mitwirkende Element in Berührung sind.

Die Verwendung einer magnetischen Aufhängung in dieser Weise vermeidet die Reibung mechanischer Lager, die ein besonderes Problem bei Strömungsmessern bei niedrigen Durchflußmengen bzw. Strömungsgeschwindigkeiten ist. Die Achse des Rotors kann hierbei vertikal angeordnet sein, und in diesem Fall ist der Elektromagnet so ausgebildet, daß er den Rotor nach oben zieht. Alternativ kann der Rotor horizontal angeordnet sein und zwei Elektromagneten aufweisen, die an gegenüberliegenden Enden angeordnet sind, um den Rotor zu tragen.

Ein weiterer erfindungsgemäßer Strömungsmesser mit einem von einem Strömungsmittelstrom angetriebenen Rotor zeichnet

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sich aus durch eine magnetische Aufhängung für. den Po tor -, bestehend aus zwei ferrpmagnetisehen Elementen, von denen jedes konzentrische/ ringförmige Pole hat/ wobei die beiden ferromagnetischen Elemente koaxial und im Abstand längs der Achse angeordnet sind und ihre Polflächen axial in entgegengesetzten Richtungen weisen, eine Halterung mit zwei Magneten, die mit den beiden ferromagnetischen Elementen an dem Rotor zusammenwirken,.wobei wenigstens einer der Halterungsmagnete ein Elektromagnet ist, die beiden Halterungsmagnete konzentrische, ringförmige Pole haben und ihre Polflächen den entsprechenden Polflächen der ferromagnetischen Elemente des Rotors zugewandt sind, und die ferromagnetischen Elemente, wenn sie Magnete sind, die gleiche Polarität haben, so daß sie zu den jeweiligen mitwirkenden Magneten an der Halterung gezogen werden, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Erregung des Elektromagneten in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Sensors, die derart ausgebildet ist, daß, wenn sich der Rotor in Richtung auf den Elektromagneten bewegt, in einem Teil des Bewegungsbereichs die Erregung abnimmt, um die Anziehungskraft zu verringern, so daß eine stabile Gleichgewichtslage erreicht wird, ohne daß der Elektromagnet und das mitwirkende Element in Berührung sind.

Die Stabilität in radialer Richtung wird erhalten, wenn die radiale Bewegung des Rotors an einem Ende eine Zunahme des Gesamtluftspalts zwischen den ferromagnetischen Elementen des Rotors und den Halterungsmagneten hervorruft. Durch Verwendung von konzentrischen Polen für die Magnete wird die Stabilität in radialer Richtung erhalten und der Rotor kann durch die magnetische Anziehung mit seiner Achse fluchtend mit der Achse des Halterungsmagneten gehalten werden. Es ist leicht möglich, eine angemessene Steifigkeit in der Radialrichtung zu erhalten. Die Polstirnflächen an den ferromagnetischen Elementen des Rotors können konzentrische ringförmige Polflächen sein, die

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denjenigen an den Halterungsmagneten gleich sind, oder können aus einem einzigen Pol (z.B. eine Stahlkugel an jedem Ende des Rotors) bestehen.

Wenn die Rotorachse horizontal ist, verursachen die Gravitationskräfte eine geringe Verstellung der Rotorachse gegenüber der Tragachse, jedoch ist der Rotor in einer berührungsfreien Weise gelagert, so daß er sich um seine eigene Achse frei drehen kann. Günstiger ist es, die Rotorachse vertikal anzuordnen. Hierbei wird vorzugsweise der nach oben ziehende Halterungsmagnet zum Elektromagneten gemacht und so ausgebildet, daß er eine ausreichende magnetische Anziehung bewirkt, um das Gewicht des Rotors zu tragen und die Anziehungskraft des anderen Halterungsmagneten auszugleichen. Der Bewegungsbereich, über den die magnetische Anziehung abnimmt, wenn sich der Rotor gegen den Elektromagneten bewegt, muß so ausgebildet sein, daß dies in einem Bewegungsbereich stattfindet, in dem die Kräfte unter Berücksichtigung irgendwelcher Gravitationskräfte richtig ausgeglichen sind.

Am günstigsten werden die ferromagnetischen Elemente des Rotors so angeordnet, daß sie axial nach außen gerichtet sind. Vorzugsweise liegen sie an den beiden Enden des Rotors und die Halterungsmagnete sind vorzugsweise jenseits dieser beiden Enden angeordnet.

Die Halterung kann aus zwei im Abstand an einem zentralen Stab oder an einem zentralen Rohr angeordneten Magneten bestehen, und der Rotor kann ein den Stab bzw. das Rohr umgebender Hohlkörper sein.

Die ferromagnetischen Elemente des Rotors können Permanentmagnete sein. Einer oder beide Halterungsmagnete können Elektromagnete oder einer oder beide dieser Magnete können gesteuert sein, um den Kraftausgleich in der Gleichgewichtslage zu bewirken.

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Der Rotor kann Schaufeln, Becher, Rührer oder dergleiehentragen, so daß er von dem Strömungsmittelstrom gedreht, wird. Im Falle eines Anemometers können die Schaufeln becherförmige Teile sein, die. an radialen Armen in für Anemometerkonstruktionen bekannter Weise getragen werden.

Für ein Anemometer kann der berührungsfreie Sensor, der auf die Drehung des Rotors anspricht, so ausgebildet sein, daß er die Drehgeschwindigkeit des Rotors gegen ein Drehmoment ermittelt, das von einer berührungsfreien Bremseinrichtung, z.B. einer Wirbelstrombremse geliefert wird. Zweckmäßigerweise wird ein optischer Sensor für diesen Zweck verwendet. Günstig ist es, eine Wirbelstrombremse zu verwenden, um den Strom bzw. die Leistung zu messen, die die Bremse benötigt, um die Drehgeschwindigkeit auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen, der nahe Null sein kann.

Zur Bildung einer Wirbelstrombremse kann der Rotor mit einem elektrischen Leiter, z.B. einer Scheibe versehen sein, die zwischen den Polen eines erregten Ankers durchläuft. Vorzugsweise ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die die Wirbelstrombremse entsprechend der ermittelten Drehgeschwindigkeit des Rotors steuert. Z.B. kann der auf die Drehgeschwindigkeit ansprechende Sensor so ausgebildet sein, daß er eine oder mehrere Wirbelstrombremsen steuert, um den Rotor zum Stillstand zu bringen oder ihn mit einer bestimmten Geschwindigkeit drehen zu lassen. Der Strom in der Wirbelstrombremse bzw. den Bremsen ist dann ein Maß des Drehmoments an dem Rotor.

Wenn eine Wirbelstrombremse mit einer Scheibe verwendet wird, kann diese als Teil des Sensors verwendet werden. Z.B. kann sie mehrere öffnungen haben, die auf einer Kreisbahn angeordnet sind und die optisch abgetastet werden können, um ein Impulssignal zu erzeugen, das eine Impulsfrequenz hat, die für die Drehgeschwindigkeit der Scheibe charakteristisch ist.

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In gleicher Weise kann ein optischer Sensor zur Ermittlung der axialen Lage des Rotors zur Steuerung des Elektromagneten bzw. der Elektromagneten verwendet werden. Andere Arten von berührungsfreien Sensoren, die verwendet werden können, können induktive und kapazitive Näherungsdetektoren enthalten. Wie später näher erläutert wird, kannein auf einen Magnetfluß ansprechender Wandler, z.B. eine Halleffekt-Vorrichtung in dem Luftspalt des gesteuerten. Elektromagneten verwendet werden, um die Länge des Luftspalts zu bestimmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhang der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 einen Längsschnitt eines Anemometers,

Figur 2 eine Aufsicht einer Wirbelstromscheibe, die in dem Anemometer der Fig. 1 verwendet wird,

Figur 3 eine Seitenansicht der Wirbelstromscheibe und zugehöriger Teile des Anemometers der Fig. 1,

Figur 4 ein Diagramm, aus dem die Einrichtung zur axialen Lagesteuerung des Rotors hervorgeht,

Figur 5 ein Diagramm zur Erläuterung der axialen Lagesteuerung,

Figur 6 den Aufhängungssteuerkreis,

Figur 7 den Bremsrückkopplungssteuerkreis,

Figur 8 einen Schnitt eines Turbinenströmungsmessers,

Figur 9 einen Schnitt eines weiteren Turbinenströmungsmessers,

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Figur 10 einen Schnitt längs der Linie 10-10 in Fig. 9,

Figur 11 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines Kreises, der zur axialen Lagesteuerung eines Rotors verwendet wird,

Figur 12 die Verwendung eines auf einen Magnetfluß ansprechenden.Wandlers zur axialen Lagesteuerung, und

Figur 13 ein Diagramm, aus dem die Kennlinie bekannter Turbinenströmungsmesser hervorgehen.

Fig. 1 zeigt ein Anemometer, das eine Grundplatte 10 hat, die einen Topfelektromagneten 11 mit konzentrischen ringförmigen Polen 12, 13 trägt, die vertikal nach oben weisen. Eine Spule 14 ist in dem ringförmigen Bereich zwischen den Polen angeordnet. Der innere Pol 13 ist hohl und wird von einem zentralen Führungsrohr 16 durchsetzt, das durch eine Einstellschraube in der Grundplatte befestigt ist. Dieses zentrale Führungsrohr 16 trägt einen oberen Halterungsmagneten, der aus einem Topfkern 18 mit konzentrischen nach unten gerichteten Polflächen 19, 20 besteht. Eine Spule ist in den ringförmigen Bereich in dem Kern 18 gewickelt.

Zwischen den oberen und unteren Magneten befindet sich ein Rotor 25, der aus einem Aluminiumrohr 26 besteht, das an seinem oberen Ende ein Topf-Ferromagnetelement 27 mit konzentrischen ringförmigen Polflächen 28, 29 trägt, die in der Form den Polflächen 19, 20 des oberen Halterungsmagneten angepaßt sind. Der innere Pol 29 hat einen mittleren Durchmesser, der etwas größer als der mittlere Durchmesser des inneren Pols 20 des Halterungsmagneten ist und der äußere Pol 28 hat einen mittleren Durchmesser, der etwas geringer als der mittlere Durchmesser des äußeren Pols 19 des Halterungsmagneten ist. Die Anordnung der Polflächen in dieser Art ergibt eine erhebliche Stadiale Steifigkeit, da jede radiale Verstellung die Rückstoßkräfte zwischen ungleichen Polen

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in stärkerem Maß erhöht als die bloße Änderung der Anziehungskräfte zwischen gleichen Polen.

Das untere Ende des Rotors hat ein ähnliches ferromagnetisches Element 30 mit Polflächen 31, 32, die mit den Polflächen des unteren Halterungsmagneten 11 zusammenwirken. Die Polflächendurchmesser sind wie bei dem oberen Magrietsystem ausgebildet, um die erforderliche radiale Steifigkeit zu ergeben.

An dem Rotor 25 sind radiale Arme 33 vorhanden, die becherförmige Schaufeln 34 tragen, die in der üblichen Weise für Anemometerschaufeln geformt sind. An dem unteren Ende des Rotors unmittelbar über dem Magneten 30 befindet sich eine Kupferscheibe 35, die zwischen den Polen von Ankern 36 verlaufen, die Erregerspulen 37 haben. Diese Anker 36 werden von einem ringförmigen Tragglied 38 getragen, das an dem oberen Ende des unteren Halterungsmagneten 11 ausgebildet ist.

Der Klarheit halber wurden in Fig. 1 Wandler weggelassen. Diese sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Die Wirbelstromscheibe 35 hat eine Anzahl von Öffnungen 40, z.B. 90, die abstandsgleich um eine kreisförmige Bahn nahe dem Umfang der Scheibe 35 angeordnet sind. Die Drehgeschwindigkeit der Scheibe wird mittels eines Fotosensors 41 über der Scheibe 35 ermittelt, der den Lichtdurchgang durch die Öffnungen 40 von einer Lampe 42 unter der Scheibe feststellt, um, wenn sich die Scheibe dreht, eine Reihe von Impulssignalen zu erzeugen, die eine Impulsfrequenz haben, die von der Drehgeschwindigkeit der Scheibe abhängt. Es können auch andere Formen von berührungsfreien Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen vorgesehen werden. Z.B. kann ein magnetischer Streifen um den Rand der Scheibe angeordnet werden, die mit einem Lesekopf zusammenwirkt, oder ein induktiver Näherungswandler kann angeordnet werden, um

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den Durchgang von Zähnen an dem Rand der Scheibe zu ermitteln. ·

Die axiale Lage des Rotors wird optisch durch Ausnutzung des Lichts der vorerwähnten Lampe 42 ermittelt. Zu diesem Zweck ist ein weiterer Fotosensor 44 vorgesehen, der unter der Scheibe 40 in einer solchen Stellung liegt/ daß die Menge des auf diesen Sensor fallenden Lichts von der axialen Lage des unteren Magneten bzw. Ankers an dem Rotor abhängt. Wenn sich-der Rotor nach unten bewegt, wird die Lichtbahn teilweise unterbrochen und so das an dem Sensor 44 empfangene Licht vermindert. Wie Fig. 3 zeigt, bildet der ferromagnetische Kern 30 ein Unterbrechungselement, das das Licht von der Lichtquelle 41 auf den Sensor 44 steuert. Die Steueranordnung ist schematisch in Fig. 4 gezeigt. Das Ausgangssignal des Sensors 44 wird über ein Phasenschiebernetzwerk 46 als Steuersignal auf einen Verstärker 47 gegeben, der von einer Energiequelle-48 erregt wird und die Erregung für die den Rotor tragenden Elektromagneten liefert.

Fig. 5 zeigt rechts ein Diagramm, aus dem die Beziehung der magnetischen Anziehungskraft und der Abstand eines ferromagnetischen Körpers von einem Magneten hervorgeht. Die durchgehende Linie zeigt die inverse quadratische Beziehung, die auftritt, wenn die magnetische Erregung konstant ist. Um eine Gleichgewichtslage zu schaffen, muß diese Charakteristik geändert werden, wie"durch die gestrichelte Linie in Fig. 5 gezeigt ist. Dies wird dadurch erreicht, daß der in Fig. 6 gezeigte Aufhängungssteuerkreis verwendet wird. Die magnetische Erregungseinrichtung besteht aus einer ersten Spule bzw. einer Aufhängungsspule 52 (zweckmäßigerweise die untere Spule 21 in Fig. 1), der ein konstanter Strom von einem Transistorverstärker 5 3 zugeführt wird, und einer zweiten stabilisierenden Spule 50 (zweckmäßigerweise die obere Spule 14 der Fig. 1), der ein Strom von einem zweiten Verstärker 51 zugeführt wird.

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Beide Verstärker werden entsprechend dem auf den Fotosensor 44 fallenden Licht gesteuert.

Fig. 7 zeigt die Bremsrückkopplungsschleife. Die Bremsspulen 60, 61 werden von einem Transistorleistungsverstärker 62 erregt. Ein Strommeßanzeiger 6 3 zeigt den Strom durch diese Spulen an. Der diesen Spulen zugeführte Strom wird entsprechend dem Ausgangssignal des optischen Geschwindigkeitsmessers 41 gesteuert, der eine Reihe, von Impulsen erzeugt, die in einer Impulsgeneratorstufe 6 4 geformt werden und einem digitalen Ausgang 65 zugeführt werden können. Diese Impulse der Impulsgeneratorstufe 6 4 werden in einem Integrator 66 integriert, der ein analoges Ausgangssignal an einem Ansch-luß 6 7 liefert. Dieses anlaoge Ausgangssignal wird auch als Steuersignal dem zuvor erwähnten Leistungsverstärker 62 zugeführt. Das Bremssystem kann so ausgebildet sein, daß der Bremsstrom die Scheibe zum Stillstand veranlaßt, d.h., daß die Impulsfrequenz des optischen Sensors auf Null verringert wird, bzw. ist günstiger so ausgebildet, daß die Scheibe auf eine konstante Bezugsgeschwindigkeit gebracht wird. Der Strom in dem Bremskreis ist damit ein Maß der auf den Rotor wirkenden Kraft, um ihn zu drehen.

Obwohl ein Anemometer im einzelnen beschrieben wurde, kann die Vorrichtung für andere Formen der Strömungsmessung verwendet werden, z.B. als ein Turbinenströmungsmesser, bei dem die becherförmigen Anemometerschaufeln durch stromlinienförmige Schaufeln ersetzt sind, die außen an dem Rohr 26 angeordnet sein können. Solch eine Konstruktion ist in Fig. 8 gezeigt. Bei diesem Beispiel ist der Rotor 70 mit seiner Achse horizontal gezeigt und wird von T.opfelektromagneten 71, 72, einem an jedem Ende, getragen, die mit Topf-Ferromagnetelementen 73, 74 an den beiden Enden des Rotors zusammenwirken. Der Rotor hat eine Welle 75, die einen-zylindrischen Gehäuseteil 76 trägt, von dem sich aus eine Anzahl von Turbinenschaufeln 77 radial erstrecken.

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Die festen Halterungsinagneten71,72 haben Gehäuse 78, 79, die zusammen mit dem Gehäuseteil 76 geformt sind, um "..;-. einen Körper mit stromlinienförmigem Querschnitt zum Eintauchen in die Bahn des Strömungsmittelstroms zu bilden. Die Haltertngsmagneten7 1 »72 werden an einer Halterung 80 getragen und dienen dazu, den Rotor zu lagern. Infolge der Gravität liegt die Rotorachse etwas unter den Mitten der Tragmagneten, jedoch bilden diese Magnete ein berührungsfreies Tragsystem, das die freie Drehung des Rotors ermöglicht.

Die Turbinenschaufeln 77 tragen einen Umhüllungsring 81 aus elektrisch leitendem Material, der einen Wirbelstrombremsring und einen Geschwindigkeitsmeßring bilden. Die Wirbelstrombremsspule ist bei 82 gezeigt. Die Geschwin- . digkeitsmessung kann optisch durch einen Sensor erfolgen, der den Durchgang von Öffnungen in der Scheibe feststellt, bei dieser besonderen Ausführungsform ist jedoch-ein induktiver Sensor, der schematisch bei 83 gezeigt ist, vorgesehen, der den Durchgang von Zähnen an dem Ring 81 ermittelt. Die axiale Lage des Rotors kann optisch ermittelt und gesteuert werden, wie anhand der Fig. l bis 5 beschrieben wurde, und in diesem Fall ist die Arbeitsweise des Turbinenströmungsmessers der Fig. 8 gleich derjenigen des Anemometers der Fig. 1. Bei dieser Ausführungsform wird jedoch die axiale Lage mittels Hall-Platten 84 in jedem Luftspalt jedes Magneten ermittelt. Diese Hall-Platte dien auch dazu, die notwendige Steuerung zu bewirken, wie später anhand der Fig. Il und 12 erläutert wird.

Die Fig. 9 und 10 zeigen eine weitere Konstruktion des Turbinenströmungsmessers zur Messung der Strömung durch ein Fernleitungsrohr. Bei dieser Konstruktion besteht der Rotor aus einem Rohr 90 des gleichen Durchmessers wie das Fernleitungsrohr (nicht gezeigt). Der Rotor fluchtet axial mit Rohrschüssen des Fernleitungsrohrs. In dem Rotorrohr 90 befindet sich eine einzige Schaufel 91, die sich dia-

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metral zum Rotor erstreckt, jedoch verdreht ist, um das Rotorrohr in zwei Bahnen mit gleichem Halbkreisquerschnitt· zu zerteilen, von denen jede jedoch spiralförmig um 180 verdreht ist. Der Rotor hat an jedem Ende einen ferromagnetischen Ring 92, der sich außen um das Rotorrohr 90 erstreckt und daran befestigt ist. Der Ring 92 bildet drei radiale Polstücke 93, 94 und 95. Der Rotor ist an jedem Ende.durch vier Elektromagneten 96, 97, 9 8 und 99 gelagert, die abstandsgleich um den Rotor angeordnet sind und von denen jeder aus einer Wicklung 100 aus einem E-förmigen Kern 101 besteht. Die Elektromagneten sind an den beiden Enden des Rotors derart angeordnet, daß ihre zentralen Polstücke in vertikalen Ebenen mit den zentralen Polstücken 9 4 der ferromagnetisehen Ringe an den jeweiligen Enden auf einer Linie liegen. Die Elektromagnete werden an einer festen Halterung 102 getragen, die auch eine Aufnahmespule 104 trägt, die mit einer Scheibe 103 an dem Rotorrohr 90 zur Geschwindigkeitsmessung zusammenwirkt. Die Spule ermittelt den Durchgang von Zähnen an der Scheibe. Die Scheibe wirkt auch mit einer Bremsspule 105 zusammen, um eine Wirbelstrombremsung durchzuführen. Bei dieser Ausführunasform wird die axiale Anordnung durch die Form der Kerne bewirkt. Die radiale Anordnung wird (wie später anhand der Fig. 11 und 12 beschrieben wird) durch Verwendung von Hall-Platten 106 in den Luftspalten jedes Magneten 96.-98 gesteuert, um den Magnetfluß in jedem Luftspalt zu ermitteln.

Die Elektromagneten der Fig. 9 und 10 können durch optische Lagesensoren gesteuert werden, wie bei der Anordnung der Fig. 1 bis 5, um den Rotor in der erforderlichen Lage zu halten und eine reibungslose Lagerung zu ergeben, jedoch ist die Verwendung von Hall-Platten 106 bei dieser Konstruktion zweckmäßig. Die Fig. 11 und 12 zeigen die Anwendung eines Magnetflußsensors in dem Luftspalt eines Elektromagneten zur Bestimmung des Magnetflusses und damit des Abstandes und zur automatischen Steuerung des Stroms

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durch die Spule des Elektromagneten, um diesen Abstand konstant zu halten. In Fig. 11 ist ein Pol des Elektromagneten bei 110 gezeigt, der an einer festen Halterung 111 getragen wird, und der aufgehängte Körper ist bei 112 gezeigt. Eine Hall-Platte 113 ist an der Stirnseite des Pols derart angeordnet, daß sie in der Magnetflußbahn liegt und damit auf die Intensität des Magnetfeldes anspricht. Wie Fig. 12 zeigt, wird die Hall-Platte von einem Strom i erregt, der von einer später zu beschreibenden Quelle abgeleitet wird, und erzeugt so eine Ausgangsspannung proportional Bi, wobei B der Magnetfluß ist. Dieses Signal wird in einem Ver-, stärker 114 mit einem Rückkopplungssignal proportional dem Strom I durch die Spule 115 des Elektromagneten verglichen. Der Verstärker 114 hat eine hohe Verstärkung und verstärkt die Differenz der beiden Eingangssignale, um eine Ausgangsspannung ν zu erzeugen. Die Ausgangsspannung wird über einen Widerstand 116 geleitet, um den zuvor erwähnten Hall-Plattenstrom i zu erzeugen,und auch einem Leistungsverstärker 117 zugeleitet, in dem es mit einem Bezugssignal auf einer Leitung 118 addiert wird, das den erforderlichen Abstand des Körpers 112 von dem Pol 110 darstellt. Das Differenzsignal wird von dem Verstärker 117 verstärkt, um den Spulenstrom I für die Spule 115 zu liefern.

Da der Verstärker 114 eine hohe Verstärkung hat, arbeitet der Kreis derart, daß das Signal proportional Bi der Hall-Platte 113 gleich dem Rückkopplungssignal der Spule 115 gehalten wird, welch letzteres Signal KI ist, wobei K eine Konstante ist. In dem magnetischen Kreis ist die magnetische Induktion B proportional der magnetomotorischen Kraft (die I proportional ist) und umgekehrt proportional der Länge χ des Luftspalts, unter der Annahme, daß dieser die Hauptquelle des magnetischen Widerstandes in dem Magnetenkreis ist. Damit ist B proportional —. Wie oben erläutert wurde, stellt jedoch der Kreis sicher,

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daß Bi = KI. Daher ist i proportional x. Wenn daher ein Bezugssignal auf die Leitung 118 gegeben wird, wird der Strom, der in der Spule 95 fließt,von dem Verstärker gesteuert, um den Wert von χ auf dem erforderlichen Wert zu halten. Der Verstärker 117 bildet eine Steuereinrichtung, die in bekannter Weise so ausgebildet sein kann,, daß sie eine differenzierende und/oder eine integrierende Steuerung umfaßt. Eine Vor- und Nacheilungskompensation kann in bekannter Weise angewandt werden, um die Rückkopplungsstabilität aufrecht zu erhalten.

Bei dem Strömungsmesser der Fig. 1 bis 7 wurde eine optische Lageermittlung in der axialen Richtung beschrieben. Es wäre auch möglich, das magnetische Lageermittlungs- und Steuersystem der Fig. 11 und 12 durch Verwendung einer Hall-Platte an der Polstirnfläche des Ankers 30 anstelle des Wandlers 44 zu verwenden. In ähnlicher Weise könnte die Magnetflußermittlungs- und Lagesteuerung in den Turbinenströmungsmessern der Fig. 8, 9 und 10 dadurch verwendet werden, daß eine Hall-Platte an der Stirnfläche des Pols des gesteuerten Elektromagneten bzw. der gesteuerten Magnete angeordnet wird.

Anstelle der anhand der Fig. 11 und 12 beschriebenen Hall-Platte können auch andere Formen von Magnetflußermittlungswandlern verwendet werden.

Die oben beschriebenen Konstruktionen von Strömungsmessern haben einen Rotor, der ohne mechanische Lagerung gelagert ist, so daß jede mechanische Reibung vermieden wird. Fig. 13 ist ein Diagramm, das die Kennlinie derzeitiger Turbinenströmungsmesser mit mechanischen Lagern zeigt und aus der die Beziehung zwischen dem relativen Strömungskoeffizienten (Ordinate) und der Durchflußleistung hervorgeht, Die Durchflußleistung ist in Prozenten der maximalen Durchflußleistung ausgedrückt. Bei niedrigen Durchflußleistungen tritt ein scharfer Abfall, verursacht durch

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das Vorhandensein der Lagerreibung, auf. Dieser tritt bei den oben beschriebenen Vorrichtungen nicht auf. Auch steigt die Kennlinie an, wenn die Durchflußleistung unter etwa 50 % der maximalen Leistung fällt. Der Grund für diese erhöhte Empfindlichkeit bei niedrigen Durchflußleistungen ist derzeit noch nicht völlig geklärt, obwohl verschiedene Versuche zur Klärung durchgeführt wurden. Diese Kennlinie führt zu möglichen Fehlern und niedrigen Durchflußleistungen in dem oben beschriebenen reibungslosen System. Die Anwendung einer Wirbelstrombremsung ermöglicht es jedoch leicht, solche Effekte durch Erhöhung des Eingangssignals der Bremsspule zu korrigieren, wenn die Drehgeschwindigkeit abnimmt, und so einen zusätzlichen Widerstand bei niedrigen Geschwindigkeiten zu erzeugen.

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Claims

Ansprüche

f 1.) Strömungsmesser mit einem Rotor, der von einem Strömungs-— mittelstrom gedreht wird, gekennzeichnet durch eine magnetische Aufhängung für den Rotor (25, 70, 90), bestehend aus wenigstens einem Elektromagneten (11, 18, 71,71, 96 bis 99) an einer Halterung (80, 102), um ein mitwirkendes Element (27, 30, 73, 74, 92) an dem Rotor nach oben anzuziehen, einen berührungsfreien Sensor (41, 81, 103, 104), der die Länge des Luftspaltes zwischen dem Elektromagneten und dem mitwirkenden Element ermittelt, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Erregung des Elektromagneten in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Sensors, die derart ausgebildet ist, daß, wenn sich der Rotor in Richtung auf den Elektromagneten bewegt, in einem Teil des Bewegungsbereichs die Erregung abnimmt, um die Anziehungskraft zu verringern, so daß eine stabile Gleichgewichtslage erreicht wird, ohne*daß der Elektromagnet und das mitwirkende Element in Berührung sind.
2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Rotors (25) vertikal angeordnet ist, und daß der Elektromagnet (18) derart ausgebildet ist, daß er den Rotor nach oben anzieht.
3. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Rotors (70) horizontal angeordnet ist, und daß zwei Elektromagneten (71, 72) an gegenüberliegenden Enden den Rotor tragen.
4. Strömungsmesser mit einem Rotor, der von einem Strömungsmittelstrom gedreht wird, gekennzeichnet durch eine magnetische Aufhängung für den Rotor (25), bestehend aus zwei ferromagnetischen Elementen (27, 30), von denen jedes

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konzentrische, ringförmige Pole hat, wobei die beiden ferromagnetischen Elemente koaxial und im Abstand längs der Achse angeordnet sind und ihre Polflächen (2 8, 29, 31, 32) axial in entgegengesetzten Richtungen weisen, eine Halterung mit zwei Magneten (11, 18) , die mit den beiden ferromagnetischen Elementen an dem Rotor zusammenwirken, wobei wenigstens einer der Halterungsmagnete ein Elektromagnet ist, die beiden Halterungsmagnete konzentrische, ringförmige Pole haben und ihre Polflächen, den entsprechenden Rüfläch en der f erromagnetischenElement e des Rotors zugewandt sind, und die ferromagnetischen Elemente,wenn sie Magnete sind, die gleiche Polar! tat haben, sodaß sie zu den jeweiligen mitwirkenden Magneten an der Halterung gezogen werden, eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Erregung des Elektromagneten in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Sensors, die derart ausgebildet ist, daß, wenn sich der Rotor in Richtung auf den Elektromagneten bewegt, in einem Teil des Bewegungsbereichs die Erregung abnimmt, um die Anziehungskraft zu verringern, so daß eine stabile Gleichgewichtslage erreicht wird, ohne daß der Elektromagnet und das mitwirkende Elemente in Berührung sind.
5. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen (28, 29, 31, 32) an den ferromagnetischen Elementen (30) des Rotors (25) konzentrische ringförmige Polflächen gleich denen an den Halterungsmagneten (11, 18) sind.
6. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen an den ferromagnetischen Elementen des Rotors jeweils einen einzigen Pol bilden.
7. Strömungsmesser nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Stahlkugel an jedem Ende des Rotors zur Bildung der Polfläche.

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8. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorachse horizontal liegt.
9. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorachse vertikal liegt.
10. Strömungsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nach oben ziehende Halterungsmagnet der Elektromagnet ist, der so ausgebildet ist, daß er eine ausreichende magnetische Anziehung bewirkt, um das Gewicht des Rotors zu tragen und die Anziehung des anderen Halterungsmagneten auszugleichen. ·
11. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Elemente (73, 74) des Rotors (70) axial nach außen gerichtet sind.
12. Strömungsmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Elemente (73, 74) an den beiden Enden des Rotors (70) liegen, und daß die Halterungsmagnete (71, 72) jenseits dieser beiden Enden liegen.
13. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnete der Halterung im Abstand an einem zentralen Stab oder einem zentralen Rohr angeordnet sind, und daß der Rotor hohl ist und den Stab bzw. das Rohr umgibt.
14. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche? dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Elemente des Rotors Permanentmagnete sind.
15. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Elektromagnete als Halterungsmagnete .

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16. Strömungsmesser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halterungsmagnete gesteuert werden, um den Kraftausgleich in den Gleichgewichtslage zu bewirken.
17. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührungsfreie Sensor, der auf die Drehung des Rotors anspricht, so ausgebildet ist, daß er die Drehgeschwindigkeit des Rotors gegen ein von einer berührungsfreien Bremseinrichtung erzeugtes Drehmoment ermittelt.
18. Strömungsmesser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremseinrichtung eine Wirbelstrombremse ist.
19. Strömungsmesser nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Messung des Stroms bzw. der Leistung, die von der Bremse benötigt werden, um die Drehgeschwindigkeit auf einen bestimmten Wert zu begrenzen.
20. Strömungsmesser nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor einen elektrischen Leiter aufweist, der zwischen den Polen eines mit Wechselstrom erregten Ankers durchläuft, um die Wechselstrombremseinrichtung zu bilden.
21. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Wechselstroiribremsung entsprechend der ermittelten Drehgeschwindigkeit des Rotors.
22. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrombremse eine Scheibe (35) aufweist, die einen Teil des auf die Drehung des Rotors ansprechenden Sensors bildet.

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23. Strömungsmesser nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (35) öffnungen (40) hat, die auf einer Kreisbahn angeordnet sind, und daß eine Einrichtung zur optischen Abtastung des Durchgangs der öffnungen vorgesehen ist, um ein Impulssignal zu erzeugen, das eine Impulsfrequenz hat, die für die Drehgeschwindigkeit der Scheibe charakteristisch ist.
24. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Drehung des Rotors ansprechende Sensor ein optischer Sensor ist.
25. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor, der auf die axiale Lage des Rotors anspricht, ein optischer Sensor ist.
26. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor, der auf die axiale Lage des Rotors anspricht, aus einem Magnetflußsensor in dem Luftspalt besteht.
27. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor Schaufeln, Becher, Rührer oder Schaufelblätter trägt, so daß er von dem Strömungsmittelstrom gedreht wird.

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