DE2746890A1

DE2746890A1 - Massendurchflussmesser fuer stroemende medien

Info

Publication number: DE2746890A1
Application number: DE19772746890
Authority: DE
Inventors: Frieder Dipl Ing Heintz; Dietmar Schorn; Erich Dr Ing Zabler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-10-19
Filing date: 1977-10-19
Publication date: 1979-04-26
Also published as: GB1591974A

Description

4.10.1977 Kh/Ht c

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Massendurchflußmesser für strömende Medien

Zusammenfassung

Es wird ein Massendurchflußmesser für strömende Medien vorgeschlagen, der insbesondere zur Messung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Verbrennungsluft dient. Der Massendurchflußmesser umfaßt mindestens einen im Strömungsquerschnitt angeordneten, in einem Magnetfeld entgegen einer Rückstellkraft eine Schwingung ausführenden Schwenkkörper und einen die Schwingung abtastenden Geber, der das Maß einer elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Schwenkkörper und dem Magnetfeld beeinflußt, um die durch die Strömung bewirkte Dämpfung der Schwingung auszugleichen, so daß der Schwenkkörper eine Eigenschwingung ausführt. Als Schwenkkörper dient ein um eine zur Strömung parallele Schwingachse gelagertes Flügelrad. Die Flügel des Flügelrades sind insbesondere zur Strömung parallel gerichtet. Weiterhin kann koaxial zu dem einen Flügelrad ein im Gegentakt schwingendes weiteres Flügelrad im Strömungsquerschnitt angeordnet und jedes der Flügelräder über eine Torsionsfeder an einem gehäusefesten Trägerkörper gelagert sein, wobei das weitere Flügelrad ebenfalls in einem Magnetfeld eine Schwingung ausführt, die gegenüber der Schwingung des ersten Flügelrades um l80 ° phasenverschoben ist und die Schwingung von einem Geber abgetastet wird, der das Maß der elektromagnetischen Kopplung zwischen dem weiteren Flügelrad und einem Magnetfeld beeinflußt, um die durch die Strömung bewirkte Dämpfung der Schwingung auszugleichen, so daß das weitere Flügelrad ebenfalls eine Eigenschwingung ausführt.

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--r- R. 4 ι η 3

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Massendurchflußmesser nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein Massendurchflußmesser dieser Art bekannt (DT-OS 20 13 153 und DT-OS 20 13 15Ό bei dem ein Staukörper in einem Strömungsquerschnitt angeordnet ist, dem durch eine Antriebsvorrichtung eine Schwingung auferzwungen wird. Die Antriebsvorrichtung ist als Synchronmotor ausgebildet und wird durch eine Wechselstromquelle konstanter Frequenz und variabler Amplitude angesteuert. Die Amplitude dieses Wechselstromes ist über eine elektronische Schaltung durch das Signal eines die Auslenkung des Staukörpers ermittelnden Winkelmessers beeinflußbar. Das Antriebsmoment auf den Staukörper ist somit bestimmt durch eine elektromagnetische Kopplung zwischen Wechselstrom und konstantem Magnetfeld des Synchronmotors, wobei die Amplitude des Wechselstromes proportional zum Antriebsmoment ist. Durch das Antriebsmoment soll die Dämpfung der Staukörperbewegung infolge des strömenden Mediums aufgehoben werden. Die Amplitude des Wechselstromes ist jedoch nur dann ein Maß für den Massenfluß, wenn die Absolutwerte des vorgegebenen Sollwerts für die Auslenkung der erzwungenen Schwingung konstant gehalten und die Regelgröße auf diesen Wert genau eingeregelt werden kann. Als weitere Voraussetzung muß erfüllt sein, daß die Frequenz der Schwingung absolut konstant bleibt. Dies erfordert einen sehr großen apparativen Aufwand.

Weiterhin besteht bei dem bekannten Massendurchflußmesser der Nachteil, daß Meßfehler durch Änderungen im mechanischen System auftreten, z. B. durch Ablagerungen oder Abtragungen am Staukörper und Änderungen der Rückstellkraft infolge von Temperaturschwankungen und Alterungserscheinungen.

Außerdem ist es nachteilig, daß das als Wechselstromamplitude vorliegende Meßsignal in ein den Massenfluß kennzeichnendes

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Gleichstromsignal der Anzeige des Massendurchflusses umgeformt werden muß.

Nachteilig bei dem bekannten Durchflußmesser ist ebenfalls, daß zur Erzwingung der Schwingung ein elektromechanisch aufzubringendes Moment erforderlich ist, das sich aus einem Dämpfungsmoment infolge der Strömung und einem Moment zur Beschleunigung der trägen Massen zusammensetzt, wobei letzteres je nach den dynamischen Anforderungen an das Gerät ein Vielfaches des Dämpfungsmoments betragen kann.

Weiterhin ist ein Massendurchflußmesser dieser Art bekannt (DT-OS 25 01 38O), mit mindestens einem im Strömungsquerschnitt angeordneten, in einem elektromagnetischen Feld entgegen einer Rückstellkraft eine Schwingung in und gegen die Strömungsrichtung ausführenden Staukörper und einem die Schwingung abtastenden Geschwindigkeitsgeber, der das Maß einer elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Staukörper und dem elektromagnetischen Feld beeinflußt , um die durch die Strömung bewirkte Dämpfung der Schwingung auszugleichen, wobei am Staukörper senkrecht zu den Feldlinien des elektromagnetischen Feldes gerichtete Stromleiter angeordnet sind, die von einem Strom durchflossen werden, dessen Stromstärke der durch den Geber abgetasteten Geschwindigkeit des Staukörpers entspricht und die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes in Abhängigkeit vom Signal des Geschwindigkeitsgebers veränderbar ist, so daß der Staukörper eine Eigenschwingung ausführt und die sich einstellende Feldstärke ein direktes Maß für den Massenstrom darstellt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Massendurchflußmesser mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil

-I₁-

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R. /19

eines vernachlässigbaren kleinen Druckabfalls am Gerät, so daß er den heutigen Anforderungen an ein derartiges Gerät genügt und bei dem weder eine Änderung des vorgegebenen Sollwerts noch von Parametern des mechanischen Systems, wie beispielsweise der Eigenfrequenz, das Meßergebnis verfälscht. Weiterhin wird das den Massenfluß repräsentierende Meßsignal direkt als Gleichstromsignal geliefert. Außerdem wird vermieden, daß ein zur Beschleunigung der trägen Massen erforderliches Moment elektromechanisch aufgebracht werden muß. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß am System angreifende Beschleunigungskräfte in oder gegen die Strömungsrichtung keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Massendurchflußmessers möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 bis 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Massendurchflußmessers, Figur k bis 5 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Massendurchflußmessers, Figur 6 bis 7 Blockschaltbilder der Regelvorrichtung des Massendurchflußmessers, Figur 8 bis 11 schematische Darstellungen zur rechnerischen Erfassung der Ausbildung des Massendurchflußmessers, Figur 12 bis Ik Massendurchflußmesser mit Drallanteil, Figur 15 einen Massendurchflußmesser mit zwei im Gegentakt schwingenden Flügelrädern.

Beschreibung der Erfindung

Bei dem Durchflußmesser nach den Figuren 1 bis 3 wird der Strö-

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R. /ι π 1

mungsquerschnitt 1 des in Pfeilrichtung strömenden Mediums durch die lichte Weite eines Rohres 2 bestimmt, in dem an einem als Torsionsfeder dienenden Spannband 3 ein Flügelrad 4 elastisch gelagert ist. Das Spannband 3 ist an gehäusefesten Stegen 5 und 6 parallel zur Strömungsrichtung befestigt, so daß das Flügelrad 4 eine Schwingung um eine Schwingachse parallel zur Strömungsrichtung ausführen kann. Das Flügelrad 4 besitzt mindestens einen zur Strömung parallel gerichteten Flügel 7, der auf einer Nabe 8 befestigt ist. Der Massendurchflußmesser kann beispielsweise dazu dienen, die von einer Brennkraftmaschine über das Ansaugrohr angesaugte Luftmenge zu ermitteln und aufgrund des Durchflußmessersignals eine Kraftstoffeinspritzanlage derart anzusteuern, daß eine der angesaugten Luftmenge proportionale Kraft stoffmenge zugemessen wird. Das aus Flügelrad 4 und Spannband 3 gebildete Feder-Massesystem kann um die durch das Spannband 3 gebildete Schwingachse Drehschwingungen f(t) ausführen. Wird nach einer einmaligen erzwungenen Auslenkung, die willkürlich auf beliebige Art und Weise erfolgen kann, das Feder-Massesystem sich selbst überlassen, so führt es eine gedämpfte Eigenschwingung aus, deren Frequenz etwa der Eigenfrequenz f entspricht und sich in bekannter Weise aus der Federkonstanten c und des Systemträgheitsmomentes θ berechnet zu:

f =

Die Dämpfung des schwingenden Systems setzt sich bei technisch möglicher günstiger Ausgestaltung nur zu einem sehr geringen Teil aus einer inneren Eigendämpfung (Luftreibung, innere Reibung in Feder und Federbefestigung) zum anderen wesentlich aus einem durch den Massendurchfluß m bedingten Teil zusammen. Wird der durch die Dämpfung bedingte Energieverlust über eine elektromagnetische Kopplung ersetzt, so kann die in elektrischer Form nachgelieferte Energie als Maß für den Massendurchfluß m dienen.

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R. 4 13

Die Eigengeschwindigkeit des Flügelrades kann durch einen Geschwindigkeitsgeber 10 beliebiger Bauart ermittelt werden, der beispielsweise in der Wandung des Rohres 2 befestigt ist und beispielsweise einen Permanentmagneten mit einer Wicklung enthält. Der Geschwindigkeitsgeber 10 ist im Schwenkbereich eines Flügels 7 angeordnet, wobei der Flügel an seinem dem Geschwindigkeitsgeber 10 zugewandten Ende mit magnetisch hoch leitendem Material versehen ist. Auf der Nabe 8 des Flügelrades k sind elektrische Stromleiter 12 senkrecht zu den Feldlinie eines elektromagnetischen Feldes angeordnet. Das elektromagnetische Feld wird durch eine Spule 13 erzeugt und der Feldlinienverlauf durch einen magnetisch hoch leitenden, U-förmigen Kern 14 bestimmt, der die Nabe 8 im Bereich der elektrischen Stromleiter 12 umgreift. Entsprechend den Figuren 4 und 5 kann zur axial drehbaren elastischen Befestigung des Flügelrades 4 ebenfalls mindestens ein Paar kreuzweise zueinander befestigte Blattfedern 15, l6 dienen. Die Blattfedern 15» 16 sind an ihrem einen Ende an einem Block 17 innerhalb der rohrförmig ausgebildeten Nabe 8 befestigt, der über ein Trägerglied 18 gehäusefest mit der Rohrwandung 2 verbunden ist. Die anderen Enden der Blattfedern 15 und 16 sind an einem Block 19 befestigt, der mit der Nabe 8 des Flügelrades H verbunden ist. Die Schwingachse des Flügelrades 4 geht durch den sich scheinbar in Figur 5 ergebenden Schnittpunkt der beiden Blattfedern 15, 16. Die beiden Blattfedern 15 und l6 können in axialer Richtung so weit auseinandergerückt sein, daß dazwischen noch ein Kern l4 Platz findet, auf dem eine Spule 13 angeordnet ist. Senkrecht zu dem elektromagnetischen Feld, das durch die Spule 13 erzeugt und dessen Feldlinienverlauf durch den Kern lh bestimmt wird, sind im Innern der Nabe 8 elektrische Stromleiter 12 angeordnet.

Die Ausbildung des Massendurchflußmessers mit einem um eine Schwingachse parallel zur Strömungsrichtung schwingenden Flügel-

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R. 4 1 ο 3

rad 4 bietet den Vorteil, daß zur Messung keine Stauwirkung erforderlich ist, so daß sich ein vernachlässigbar geringer Druckabfall am Massendurchflußmesser ergibt. Weiterhin ergibt sich eine bessere Mittelung des Massendurchflusses über den gesamten Strömungsquerschnitt durch eine beliebig große Anzahl der Flügel. Der Massendurchflußmesser ist insbesondere beim Einsatz im Saugrohr einer Brennkraftmaschine unempfindlich gegen rückschlagende Saugrohrzündungen .

Die Wirkungsweise des in den Figuren 1 bis 5 beschriebenen Massendurchf lußmessers ist folgende:

Das durch den Strömungsquerschnitt 1 strömende gasförmige oder flüssige Medium übt auf die Flügel 7 des Flügelrades H, das über ein Spannband 3 bzw. über Blattfedern 15, 16 drehbar gelagert ist, Teilkräfte aus, die die konstante periodische Eigenbewegung des Flügelrades dämpfen. Der Energieverlust pro Periodendauer, den das Flügelrad 4 durch das strömende Medium erfährt, ist dabei proportional dem Produkt aus der Eigengeschwindigkeit v„ des Flügelrades und der Durchflußmenge m des strömenden Mediums. Bei bekannter Eigengeschwindigkeit kann aus der Energiezufuhr an das Flügelrad die pro Zeiteinheit durchströmende Mediummasse ermittelt werden. Hierfür wird durch den Geschwindigkeitsgeber 10 die Eigengeschwindigkeit v„ gemessen. Dies erfolgt dadurch, daß durch das magnetisch hoch leitende Material am Ende des im Bereich des Geschwindigkeitsgebers 10 angeordneten Flügels 7 der Widerstand des magnetischen Kreises des im Geschwindigkeitsgeber angeordneten Permanentmagneten änderbar ist, wodurch in der auf dem Permanentmagneten angeordneten Wicklung eine der Eigengeschwindigkeit des Flügelrades proportionale Spannung Uv_p induziert wird. Die der Eigengeschwindigkeit proportionale, im Geschwindigkeitsgeber induzierte Spannung Uv_E wird in einem Operationsverstärker (siehe Figur 6) verstärkt und liegt an den Stromleitern 12 an. Der Energieverlust des Flügelrades 4 infolge der Dämpfung durch das strömende Medium wird durch Änderung der Feldstärke des durch

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-JtT- R. 4 19

die Spule 13 erzeugten Elektromagnetfeldes ausgeglichen, in dem die senkrecht zu den Feldlinien des Elektromagnetfeldes angeordneten Stromleiter 12 Kräfte K erfahren, wodurch ein Beschleunigungsmoment auf das Flügelrad 4 erzeugt wird. Die Kraft K auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld ergibt sich aus der Beziehung:

K = (i χ B) 1

Dabei bedeutet i die der Eigengeschwindigkeit v_£ proportionale Stromstärke, B die Feldstärke des Elektromagnetfeldes und 1 die wirksame Länge des stromdurchflossenen Leiters. Unter der Voraussetzung, daß die Stromstärke i proportional der Eigengeschwinddigkeit V₁₇ und die Änderung des Maximalwertes der Eigengeschwindigkeit gleich Null ist, ist die Feldstärke B genau proportional dem Massendurchfluß m des strömenden Mediums.

Bei dem in Figur 6 dargestellten Blockschaltbild einer Regelvorrichtung des Massendurchflußmessers für ein strömendes Medium ist mit 4 das in einem Strömungsquerschnitt 1 angeordnete, eine konstante periodische Eigenbewegung ausführende Flügelrad mit der Eigengeschwindigkeit Vp bezeichnet und mit 10 der bereits in Figur 3 dargestellte Geschwindigkeitsgeber, an dem eine der Eigengeschwindigkeit des Flügelrades proportionale Spannung Uv₁₇ abgenommen wird, die durch einen Operationsverstärker 38 verstärkt und an die Stromleiter 12 angelegt wird. Die der Eigengeschwindigkeit proportionale Spannung Uv„ wird außerdem mit einer Sollspann υ-., in einem Komparator 39 verglichen, an dessen Ausgang ein Monoflop liegt, der einen Vor-Rückwärtszähler 4l steuert, dessen Zählerstand in einem DDA-Multiplizierer 42 in eine der Mediummasse proportionale Frequenz gewandelt wird. Diese Frequenz wird in einem Digital-Analog-Wandler 43 in eine Spannung rückgewandelt, die über ein RC-Glied und durch einen Operationsverstärker 44 verstärkt an der Spule 13 anliegt, durch die ein Elektromagnet-

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^R· u 1 :· 3

feld erzeugt wird, dessen Feldstärke B proportional dem Massendurchfluß ist, so daß auf die Stromleiter 12 ein Beschleunigungsmoment M erzeugt wird, das das durch den Massendurchfluß erzeugte Dämpfungsmoment auf das Flügelrad ausgleicht.

Der Digital-Analog-Wandler 43 enthält einen Feldeffekt-Transistor 45, dessen eine Steuerelektrode direkt, und einen Feldeffekt-Transistor 46, dessen Steuerelektrode über einen Inverter 47 am Ausgang des DDA-Multiplizierers 42 liegt. Je nachdem, welcher der Feldeffekt-Transistoren 45, 46 durchgesteuert wird, ist der Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 43 mit einer Referenzspannung U *, oder mit Masse verbunden.

Bei dem in Figur 7 dargestellten Blockschaltbild liegt im Gegensatz zu Figur 6 die der Eigengeschwindigkeit v_£ des Flügelrades 4 proportionale Spannung Uv_E am Eingang einer Impulsformerstufe 49, an deren Ausgang eine Rechteckspannung konstanter Amplitude abnehmbar und den Stromleitern 12 zuführbar ist. Weiterhin erfolgt die Ansteuerung des Vor-Rückwärtszählers 4l durch einen R-S-Flip-Flop 50.

Die Figuren 8 und 9 dienen zur Erläuterung der durchflußbedingten Dämpfung am erfindungsgemäßen Massendurchflußmesser. In Figur 8 ist schematisch die Anströmung eines Flügels der Länge L gezeigt. Führt das Flügelrad 4 eine Drehschwingung in der Zeit t:

(1) f (t) = Τ?sin us t

mit der Winkelgeschwindigkeit ve aus, so beträgt die Eigengeschwindigkeit des Flügels 7 am Radius r:

(2) v_E = rf = rusr" cosujt.

- 10 -

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R. * 1 3 3

Dadurch entsteht eine resultierende Anströmgeschwindigkeit V^₁., welche man nach Betrag und Richtung durch vektorielle Addition der Eigengeschwindigkeit v_£ und der Strömungsgeschwindigkeit v, des Mediums erhält. v_g. ist die Strömungsgeschwindigkeit, die ein auf dem Flügel mitbewegter Beobachter wahrnehmen würde:

(3) v_st = v_L-/l + (v_E/v_L)²»v_L, (v_E ± v_h).

Als Staufläche wirkt nur die zur Anströmung senkrecht stehende Projektion der Flügelfäche, wodurch die wirksame Flügellänge L auf L' verkürzt wird:

(4) L¹ = _r L « — L .

Ein kreisringförmiger Ausschnitt dm aus der Meßströmung wirkt unter Verwendung der angegebenen Näherungen auf den Flügel mit dem Teilmoment:

(5) dM = rdK = rdr L¹ c, f v„. ² =

^VE 2

= rdr— L c_wfv_L = c_wi*v_L rdr v_£ L;

mit c als Widerstandskoeffizient und i» als Dichte.

Dabei entspricht 2 Yf v_T rdr dem Teilfluß dm durch die Kreisringfläche :

c c .

(6) dM = — dm v„ L = — dm L rw? f cos uO t.

21Γ ^E 2F

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R. i \ ■· 3

2^s

Die über eine Periode T = 2 // IM aufzubringende strömungsbedingte Arbeit erhält man mit Gleichung (2) zu:

T _c
(7) dÄ/T = if άΜ -ι dt = — = dm L (riu4)².

Die mittlere Arbeit dÄ/T ist proportional dem Massendurchfluß dm.

Die Integration der Gleichung (5) liefert nur für homogene Strömungen αν,/dr = ο ein dem Massenfluß proportionales Gesamtmoment M =ydM. Bei inhomogenen Strömungen beliebigen drehsymmetrischen Profils Vj. (r) verursacht die Radiusabhängigkeit von v_£ eine falsche Bewertung der Teilzonen. Dieser Fehlereinfluß kann durch eine radiusabhängige Flügellänge L(r) = (Figur 10) kompensiert werden.

Dem Medium wird bei Eintritt in den Massendurchflußmesser durch das schwingende Flügelrad ein Drall erteilt. Das dafür aufzuwendende Drehmoment Mp ist praktisch unabhängig von der Länge L des Flügelrades. Im weiteren Verlauf des Durchströmens wird das Medium jedoch aufgrund der Rotationsbewegung radial nach außen zentrifugiert. Zur Überwindung der dabei auftretenden Trägheitsoder d^fAlembertkräfte (hier Corioliskräfte) ist ein zusätzlicher Drehmomentanteil 4M erforderlich, der, sofern alle Mediumanteile vollständig vom Innenradius R. bis zum Außenradius R eines Flügels 7 zentrifugiert werden, ebenfalls nicht von der Flügellänge L abhängt. Für Strömungen oberhalb einer gewissen Grenzgeschwindigkeit v_{T mov} nimmt bei vorgegebener Flügellänge der Einfluß der Zentrifugalbeschleunigung und damit das Zusatzmoment M ab.

Ein kreisringförmiges Mediummasseelement der Länge dL = v_T dt (Bild 11)

mentstoß:

(Bild 11) und vom Trägheitsmoment d9 erzeugt einen Drallmo(8) dM_D dt = (AJdB _O«2TT r⁵ dr S v_Lw? dt

- 12 -

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Mit dem differentiellen Durchflußelement:

(9) dm = 2Fr dr j» v_L·
erhält man:

(10) dM_D = dm v²U!> .

Nach Gleichung (10) werden bei sehr kurzem Flügelrad die Durchflußanteile radiusabhängig gewichtet. Das Gesamtmoment M_= J dM_D ist mit dem Gesamtfluß m -J dft über eine Konstante i

verknüpft, die exakt nur für ein Äestimmtes Strömungsprofil Vj_(r) gilt. Für ein homogenes Profil (dv^/dr = o) gilt beispielsweise für das Drallmoment:

ι Λ Jl Il Λ OO

( -I -1 ^ M -^V & *r TT" f Ώ ^ — Ό ^ \ — Ι»»' Α ^T5^CJ.D^t^

t -L1J M_n —α- y V_T // \.π "i ) - ο ^m V-Ti- + π. )

LJ (L LJ Gl 1 £. a 1

Die Radialbeschleunigugng eines kreisförmigen rotierenden Masseelements dm ergibt sich zu

(12) r' = rtO²

Die Differentialgleichung (12) hat die Lösung:

(13) r(t) = r ch (u3t)

Das Masseelement dm verursacht aufgrund seiner bei der Radialbewegung entstehenden Coriolis-Beschleunigung das Moment:

(14) dM„ = dm 2«Or r = 2 Tf r⁵ dr dLW>² sh (t^ t)

Der Parameter Zeit t läßt sich auch durch die für die axial zurückgelegte Wegstrecke L benötigte Zeit t = L/v_L ersetzen. Das Masseelement dm erreicht bei:

(15) L = — Arch (^)

909817/0183 . ₁₃ .

- R. 4 1 !' *■■

den Flügelradius R . Das Gesamtmoment einer Strömungslinie ergibt

α.

sich damit zu:

(16) dM = HITS r³ dr^² / sh (2tf—) dL

c ° ^VL

= 2jf r dr v_Tu?(R ² - r²) = dihW (R ² - r²) Ij a a

Nach Gleichung (16) wird auch der bei langem Flügelrad hinzutretende Coriolisanteil des Moments radiusabhängig gewichtet. Während jedoch der Drallanteil die äußeren Durchflußanteile höher gewichtet, erfahren durch die Coriolisbeschleungigung gerade die inneren, achsennahen Anteile höhere Bewertung, so daß das Gesamtmoment eines Kreisringelementes dm:

(17) dM_n + dM„ = diWr² + diW(R ² - r²) = diW R ²

υ υ a a

keine unerwünschte radiusabhängige Gewichtung mehr aufweist, über die gesamten Flügelhöhe integriert, erhält man somit den vom Strömungsprofil v_T(r) uanbhängigen Zusammenhang zwischen dem Moment

L·

M und Durchfluß m zu:

(18) M :WR² Λ,

wobei sich das Gesamtmoment aus einem Drallanteil M_n nach Gleichung (11) sowie einem zusätzlichen Coriolisanteil:

(19) 4M = ^ Λ (R ² - R ²)

C. el JL

zusammensetzt.

Mit Gleichung (15) erhält man aus dieser Bedingung die erforderliche Flügellänge L zu:

(20) L =

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R. 4 .

bei der in einer inhomogenen Strömung v_L(r) die auftretenden Corioliskräfte aufgrund ihrer Zentrifugalwirkung eine Kompensation der unerwünschten Radiusbewertung bewirken und der Eichfaktor des Durchflußmessers unabhängig von dem Strömungsgeschwindigkeitsprofil v_T(r) wird. Zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit des Massen-

durchflußmessers durch Kombination eines quer zur Strömung wirkenden Drallimpulseffektes und eines strömungsparallelen Staudruckeffektes kann es vorteilhaft sein, das Medium unter einem bestimmten Winkelei auf die Flügel des Flügelrades strömen zu lassen. So sind in Figur 12 stromaufwärts des Flügelrades ¹J mit strömungsparal IeI gerichteten Flügeln 7 unter einem Winkel JL zur Strömungsrichtung geneigte Leitflächen 53 angeordnet, die dem strömenden Medium den erwünschten Drallwinkel d- verleihen. Diese Anordnung hat zusätzlich den Vorteil, daß eine eventuell im Medium vorhandene verfälschende Drallgeschwindigkeit durch die gleichrichtende Wirkung der Leitflächen 53 eliminiert wird.

Als weitere Möglichkeit können entsprechend Figur 13 die Flügel 7 des Flügelrades 4 selbst um einen WinkelcL gegenüber der Strömungsrichtung geneigt sein. Besondere Leitflächen können dann entfallen.

Weiterhin ist es möglich, die Flügel 7 des Flügelrades 4 entsprechend Figur I¹J in Längsrichtung keilförmig mit einem Keilwinkel 2et auszubilden, wobei die Symmetriefläche der Flügel 7 strömungsparallel und die Spitzen der keilförmigen Flügel entgegen der Strömung gerichtet sind. In jeder Bewegungsrichtung wird eine Keilfläche stärker von der Strömung beaufschlagt, d.h. gedämpft, als ein keilfreier Flügel. Diese Anordnung bietet den Vorteil eines höheren Meßeffektes.

Bei den Massendurchflußmessern nach den Figuren 1 bis 5 muß die gesamte zur Schwingung benötigte Energie vom Gehäuse 2 aufgenom-

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R. ί ι

men werden, d. h. sie wird durch die Stege 5, 6 bzw. das Trägerglied 18 auf das Gehäuse 2 übertragen. Im Gegensatz hierzu sind bei dem Massendurchflußmesser nach Figur 15 zwei Flügelräder 4, 55 koaxial in Strömungsrichtung im Strömungsquerschnitt 1 angeordnet und über Torsionsfedern 56, 57 einseitig an einem Trägerkörper 58 gelagert, der mit dem Rohr 2 gehäusefest verbunden ist. Wie bereits bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, wirkt auf das Flügelrad 4 eine die durch das strömende Medium hervorgerufene Dämpfung ausgleichende elektromagnetisch erzeugte Krift, hervorgerufen durch die Kraftwirkung zwischen dem Elektromagnetfeld 13, 14 und den elektrischen Stromleitern 12, wobei gleichzeitig in entsprechender Weise über Leiter 12 am Flügelrad 55 und das Elektromagnetfeld 13, 14 an dem Flügelrad 55 eine gegenüber der am Flügelrad 4 angreifenden Kraft um I80 phasenverschobene Kraft angreift, so daß die Flügelräder 4 und 55 im Gegentakt schwingen. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Schwingungsenergien der beiden gegenläufig schwingenden Flügelräder 4, 55 im Trägerkörper 58 aufheben und nicht auf das Gehäuse übertragen werden.

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Claims

R. I '■

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Ansprüche

l.JMassendurchflußmesser für strömende Medien mit mindestens einem im Strömungsquerschnitt angeordneten, in einem Magnetfeld entgegen einer Rückstellkraft eine Schwingung ausführenden Schwingkörper und einem die Schwingung abtastenden Geber, der das Maß einer elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Schwingkörper und dem Magnetfeld beeinflußt, um die durch die Strömung bewirkte Dämpfung der Schwingung auszugleichen, wobei am Schwingkörper senkrecht zu den Feldlinien eines elektromagnetischen Feldes gerichtete Stromleiter angeordnet sind, die von einem Strom durchflossen werden, dessen Stromstärke der durch den Geber abgetasteten Geschwindigkeit des Schwingkörpers entspricht und die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes in Abhängigkeit vom Signal des Geschwindigkeitsgebers veränderbar ist, so daß der Schwingkörper eine Eigenschwingung ausführt und die sich einstellende Feldstärke ein direktes Maß für den Massenstrom darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingkörper ein um eine zur Strömung parallele Schwingachse gelagertes Flügelrad (4, 55) dient.

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2. Massendurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (7) des Flügelrades (4, 55) zur Strömung
parallel gerichtet sind.
3. Massendurchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad (4) an einem im Strömungsquerschnitt befestigten Spannband (3) elastisch gelagert ist.
4. Massendurchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad (4) an mindestens einem Paar kreuzweise angeordneter Blattfedern (15, 16) gelagert ist, deren eines Ende mit dem Flügelrad (4) und deren anderes Ende mit dem den Strömungsquerschnitt begrenzenden Gehäuse (2) verbunden ist.
5. Massendurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Flügel (7) des Flügelrades (4, 55)
mit zunehmendem Abstand zur Schwingachse abnimmt.
6. Massendurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Flügellänge (L) gilt:

u?(t) L

wobei v_L die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, U) (t) die

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effektive Winkelgeschwindigkeit des Flügelrades (¹J, 55), R_Q der

größte und R. der kleinste Flügelradius ist.
7. Massendurchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts des Flügelrades (¹J) im Strömungsquerschnitt gegenüber der Strömungsrichtung geneigte Leitflächen (53) angeordnet sind.
8. Massendurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel des Flügelrades (4) gegenüber der Strömungsrichtung geneigt sind.
9. Massendurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (7) des Flügelrades (¹J) in Längsrichtung keilförmig ausgebildet und die Symmetrieflächen der Flügel (7) strömungsparallel und die Spitzen der keilförmigen Flügel (7) entgegen der Strömung gerichtet sind.
10. Massendurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zu dem einen Flügelrad (¹J) ein im Gegentakt schwingendes weiteres Flügelrad (55) im Strömungsquerschnitt angeordnet und jedes der Flügelräder (¹J, 55) über eine Torsions feder (56, 57) an einem gehäusefesten Trägerkörper (58) gelagert ist und das weitere Flügelrad (55) ebenfalls in einem elektromagnetischen Feld (13, I¹O eine Schwingung ausführt, die von

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- 4 - R. 4MJ

einem Geschwindigkeitsgeber (10) abgetastet wird, der das Maß einer elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Flügelrad (55) und dem elektromagnetischen Feld (13, 1*0 beeinflußt, um die durch die Strömung bewirkte Dämpfung der Schwingung auszugleichen, wobei am weiteren Flügelrad (55) ebenfalls senkrecht zu den Feldlinien des elektromagnetischen Feldes (13, 1*0 gerichtete Stromleiter (12) angeordnet sind, die von einem Strom durchflossen werden, dessen Stromstärke der durch den Geber (10) abgetasteten Geschwindigkeit des Flügelrades (55) entspricht und die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes in Abhängigkeit vom Signal des Geschwindigkeitsgebers (10) veränderbar ist, so daß das weitere Flügelrad (55) eine gegenüber dem ersten Flügelrad (4) um l80 ° phasenverschobene Eigenschwingung ausführt.

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