DE3507993C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines
Massestromes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur direkten Messung von Masseströmen, d. h. Masse/Zeiteinheit,
sind bereits eine Reihe von Vorrichtungen
bekannt. Eine Klasse dieser Vorrichtungen basiert auf
dem Prinzip einer Messung derjenigen Kraft, die aufgewendet
werden muß, um einem linear durch eine Rohrleitung
strömenden Massestrom eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit
bzw. tangentiale Geschwindigkeitskomponente aufzuprägen.
Die dazu erforderliche Kraft ist dem Massestrom
direkt proportional. Es gilt die Beziehung
Drehmoment = k · Winkelgeschwindigkeit · Massestrom
Wird daher die Winkelgeschwindigkeit konstant gehalten,
so ist der Massestrom eine lineare Funktion des Drehmoments.
Zur Messung des Durchsatzes von Schüttgut sind bereits
Vorrichtungen bekannt, bei denen das Schüttgut axial
auf einen Drehteller geleitet wird, der mit radial verlaufenden
Leitschaufeln besetzt ist. Der Drehteller wird
von einem Synchronmotor mit konstanter Drehzahl angetrieben
und das Antriebsdrehmoment gemessen. Die Veränderung
dieses Drehmomentes ist ein direktes Maß für
die Schwankungen des Massestromes.
Zur Messung dieses Drehmomentes sind verschiedene
Lösungen bekannt. Die einfachste Lösung besteht in
einer Messung der Leistungsaufnahme des Motors. Diese
Methode liefert jedoch recht ungenaue Ergebnisse, da
sämtliche nachgeschalteten sich ständig ändernden Reibungsverluste
sowohl im Motor als auch in einem gegebenenfalls
nachgeschalteten Getriebe mit in das Meßergebnis
eingehen (DE-GM 70 23 502).
Auch die direkte Abnahme des Drehmomentes von der Antriebswelle
des Drehtellers hat sich als nachteilig
erwiesen, da die Meßwerte über Bürstenkontakte von der
rotierenden Welle abgenommen werden müssen, was unter
rauhen Betriebsbedingungen eine erhöhte Störanfälligkeit
zur Folge hat (US-PS 29 34 951).
Es ist auch bekannt, den Antriebsmotor für den Drehteller
unmittelbar unterhalb des Drehtellers anzuordnen und den
Motor um seine Antriebsachse verdrehbar zu lagern. Eine
Verdrehung des Motorgehäuses wird durch einen in eine
Tauchspule ragenden Arm überwacht, der am Motorgehäuse
befestigt ist. Das dem Antriebsdrehmoment entsprechende
Reaktionsdrehmoment sucht das Motorgehäuse zu verdrehen.
Diese Verdrehung wird durch eine von der Tauchspule auf
den Arm ausgeübte elektromagnetische Kraft kompensiert.
Diese Kraft, die das Motorgehäuse ständig in einer bestimmten
Soll-Lage hält, ist der Stromaufnahme der Tauchspule
proportional. Damit ist die Größe dieses Stromes
ein Maß für die pro Zeiteinheit über den Drehteller
fließende Masse (DE-PS 12 11 415). Diese Lösung ist
schon aus dem Grund nicht praktikabel, da die zur
Beschleunigung hoher Massenströme erforderlichen
Antriebsmotoren eine große träge Masse besitzen, deren
Einregelung in eine bestimmte Soll-Lage nur durch die
Erzeugung hoher elektromagnetischer Kräfte möglich ist.
Bei derartig hohen Stellkräften sind jedoch kleine Schwankungen
der Meßgröße nicht mehr mit ausreichender
Sicherheit feststellbar. Bei der bekannten Lösung besteht
darüberhinaus keine Möglichkeit für die Zwischenschaltung
eines Getriebes.
Es ist auch bereits eine Vorrichtung bekannt
(US-PS 27 71 773), bei der das Drehmoment gemessen wird,
das auf die Zwischenwelle eines Getriebes ausgeübt
wird, das zwischen Antriebsmotor und Drehteller angeordnet
ist. Die Zwischenwelle des Stirnradgetriebes
ist in dem Schaft gelagert, dessen unteres Ende so aufgehängt
ist, daß der Schaft um eine Achse verschwenkt
werden kann, die rechtwinkelig zur Achse der Zahnräder
gerichtet ist und in einer zu den Zahnrädern parallelen
Ebene liegt. Die Schwenkachse des Schaftes für die
Zwischenwelle ist darüberhinaus so angeordnet, daß der
Schaft mit der Zwischenwelle und dem Zwischenzahnrad
durch das Antriebsritzel aus der Eingriffsebene der
Zähne herausgekippt wird. Dieser Verlagerung wirkt eine
Feder entgegen, die gerade das Leerlaufdrehmoment kompensiert.
Wird bei Beaufschlagung des Drehtellers mit einem
Massestrom ein größeres Drehmoment übertragen, wird
der Schaft pneumatisch in seiner Lage gehalten. Der dazu
erforderliche und auf einem geeigneten Meßinstrument
abgelesene Druck ist wiederum ein Maß für das übertragene
Drehmoment.
Als nachteilig an dieser Vorrichtung ist insbesondere
die systembedingte lange Totzeit anzusehen, die
verstreicht, bis nach Einregelung des kompensierenden
pneumatischen Druckes ein Meßwert angezeigt wird.
Die Regelung pulsierender Schüttgutströme ist mit
der bekannten Vorrichtung nicht möglich. Darüberhinaus
ist der apparative Aufwand für die Regelung hoch
und die Störanfälligkeit entsprechend.
In jüngster Zeit wurden chemische und metallurgische
Verfahren entwickelt, bei denen pulverförmige oder feinkörnige
Stoffe untereinander oder mit flüssigen oder
gasförmigen Stoffen in genau definiertem stöchiometrischem
Verhältnis in einem kontinuierlichen Prozeß zur
Reaktion gebracht werden. Als Beispiel seien die Vergasung
von Kohle oder die Schmelzreduktion von Eisenerzen
genannt. Diese Verfahren erfordern es, die Masseströme
mehrerer Komponenten aufeinander abzustimmen,
was die Messung und Regelung dieser Masseströme voraussetzt.
Wie schon vorstehend ausgeführt, besteht das
Hauptproblem darin, das Drehmoment bzw. Bremsmoment
(n m) genügend genau zu messen. Naturgemäß wird die
Welle des Drehelements nicht nur vom Materialstrom, sondern
auch von Reibungskräften abgebremst. Diese Reibungskräfte
verändern sich sehr stark bei Temperaturschwankungen,
da sich die Zähigkeit der für die Wellenlagerung benötigten
Schmierstoffe ändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden,
daß die Anzeige der Meßeinrichtung unabhängig von der
temperaturbedingten Zähigkeit und damit von der inneren
Reibung im Stirnradgetriebe ist, so daß ohne Benutzung
von Eichkurven bei jeder Temperatur das gemessene Bremsmoment
ein Maß für die Größe des durchgesetzten Massestroms
ist.
Die Lösung der Aufgabe basiert auf der Erkenntnis und dem
Bestreben, die Wirkung auf das Meßsignal zu kompensieren,
die durch Reibungskräfte im Getriebe einerseits an der
Antriebswelle des Drehelements und andererseits an der
Zwischenwelle auftritt. Diese Aufgabe wird durch die im
Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Davon ausgehend werden dann z. B. durch Verwendung von
Zahnrädern unterschiedlicher, vorgegebener Breite die
entgegengerichteten Leerlauf-Reibmomente so eingestellt,
daß die die Lagerung der Zwischenwelle im Leerlauf zu
bewegen trachtenden Momente einander aufheben, die Störmomente
also vollständig kompensiert werden. Wenn sich
nun die Viskosität des Getriebeöls temperaturabhängig
ändert, ändern sich gegebenenfalls die Leerlauf-Reibmomente
jedoch in gleichem Maße, so daß die Kompensation
erhalten bleibt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Nachfolgend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand
der Zeichnung beispielsweise beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 einen schematisierten Vertikalschnitt
durch die Vorrichtung und
Fig. 2 einen schematisierten Vertikalschnitt
durch eine weitere, gegenüber der Vorrichtung
nach Fig. 1 abgewandelte Vorrichtung.
Nach Fig. 1 gelangt der Massestrom über eine Zuleitung
10 auf ein Drehelement 12.
Das Drehelement 12 ist im vorliegenden Fall als Flügelrad
ausgebildet, bestehend aus einem horizontalen Drehteller
14 mit aufgesetzten Leitschaufeln 16.
Der das Drehelement bzw. Flügelrad 12 von oben axial
beaufschlagende Massenstrom wird aus seiner axialen
Richtung abgelenkt und erhält eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente.
Das Flügelrad 12 weist so viele
Leitschaufeln 16 auf, daß alle Masseteilchen bei Verlassen
des Flügelrades die Winkelgeschwindigkeit besitzen,
durch welche das Flügelrad angetrieben wird.
Die ungefähre Bewegungsbahn der Teilchen durch das
Flügelrad ist durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet.
Das Flügelrad 12 rotiert in einem Gehäuse 18, dessen
innere Kammer so gestaltet ist, daß sie dem strömenden
Schüttgut möglichst wenig scharfe Ecken und Widerstände
bietet. Nachdem das Schüttgut das Flügelrad
in radialer Richtung verlassen hat, strömt es im
Gehäuse 18 zu einem Auslaß 20, dessen Querschnittsfläche
wenigstens dem der Zuleitung 10 für den Massestrom entspricht.
Das Flügelrad 12 wird von einer Welle 22 angetrieben,
die in einem gehäusefesten Schaft 24 so gelagert ist,
daß auftretende Axialkräfte aufgefangen werden.
Am unteren Ende der Welle 22 ist ein Abtriebsstirnrad
26 aufgekeilt, das mit einem auf einer Zwischenwelle
28 gelagerten Zahnrad 30 kämmt.
Ein weiteres, auf dieser Welle befestigtes Stirnrad 32
kämmt mit dem Antriebsritzel 34 eines in der Achse der
Antriebswelle für das Flügelrad unterhalb der Vorrichtung
angeflanschten Motors 36.
Das Getriebe bzw. die Zwischenwelle mit den beiden
Zahnrädern 30 und 32 sind in einem Getriebegehäuse 38
angeordnet, das um die Mittelachse der Vorrichtung
drehbar ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist dies so realisiert, daß sich das Getriebegehäuse
38 auf einem in einem Gehäuseflansch eingesetztes
Kugellager relativ großen Durchmessers abstützt.
Die infolge des übertragenen Drehmoments erfolgende
Verdrehung des Getriebegehäuses 38 wird von einer
Kraftmeßeinrichtung 40 begrenzt und die dazu notwendige Kraft gemessen.
Derartige Kraftmeßeinrichtungen sind bekannt und im
Handel erhältlich. Sie bestehen im wesentlichen aus
einem festeingespannten Biegearm, dessen Verbiegung
unter Wirkung einer am Ende des Arms angreifenden
Kraft mittels aufgeklebter Dehnungsmeßstreifen festgestellt
wird. Entsprechend geeicht, zeigen derartige
Kraftmeßeinrichtungen direkt die auf sie ausgeübte
Kraft an.
Wird die Vorrichtung von einem Massestrom bestimmter
Größe durchströmt, muß zur Aufrechterhaltung einer
bestimmten konstanten Winkelgeschwindigkeit W
des Flügelrades 12 ein Drehmoment bestimmter Größe
übertragen werden. Das praktisch reibungsfrei gelagerte
Getriebegehäuse 38 verdreht sich unter Wirkung
des reaktiven Drehmoments um einen bestimmten
kleinen Winkelbetrag, der zu einer Verlagerung des
Meßfingers der Kraftmeßeinrichtung 40 führt.
Je größer die Verlagerung dieses Meßfingers ist,
desto größer ist auch die von der Kraftmeßeinrichtung
gelieferte und gemessene Gegenkraft, welche
ein direktes Maß für den das Flügelrad durchsetzenden
Massenstrom darstellt.
Im folgenden ist mit R₁ der Radius des Abtriebszahnrads 26
auf der zum Drehelement führenden Welle 22 bezeichnet,
mit R₂ und R₃ die Radien der Zahnräder 30 bzw. 32 auf
der Zwischenwelle 28, wobei R₂ mit R₁ und R₃ mit dem
Antriebsritzel 34 im Eingriff ist.
Das gemessene Drehmoment M S vom Getriebegehäuse 38 setzt
sich aus zwei entgegengesetzten Anteilen M S 1 und M S 2 zusammen.
Ersterer rührt von der Abtriebswelle 22 her und
hat die Größe
M A ist das Lastmoment an der Abtriebswelle.
Der zweite Teil stammt vom Antriebsritzel 34 und hat die
Größe
Daraus ergibt sich für
M S = M S 1 + M S 2
Das gemessene Drehmoment und damit die Empfindlichkeit der
Meßanordnung wird also umso größer, je größer R₃ gegen R₂
und je kleiner R₁ gegen R₂ gewählt wird.
Wenn sich die zum Drehelement führende Abtriebswelle ohne
Belastung leer dreht, bleibt von M A d. h. dem Ausgangs-
Drehmoment nur das Leerlaufmoment RM A übrig, das auf die
Reibung zurückzuführen ist. Diese Reibung führt nach
Gleichung (I) zu einem Reaktionsmoment RM′ S am Getriebegehäuse
38:
Ein zweiter, entgegengesetzt gerichteter Anteil RM″ S
stammt aus dem Reibmoment RM Z der Zwischenwelle 28. Hierfür
gilt nach ähnlicher Überlegung:
Die Summe beider Anteile RM′ S = RM′ S + RM″ S ist der durch
Reibungsverluste verursachte Störanteil des gemessenen Drehmoments
M S . Er kann zu Null werden, wenn gilt:
oder
Ist Gleichung (II) erfüllt, ist der Reibungseinfluß
exakt kompensiert und eine Messung unabhängig
von sich mit ändernder Temperatur ändernder innerer
Reibung im Getriebe möglich.
Für R₃ < R₂ hat das Meßsignal M S negative Werte (siehe
Formel I), d. h. es ist dem Lastmoment M A entgegengesetzt.
Da das Reibmoment der Zwischenwelle ebenfalls dem Lastmoment
M A entgegengerichtet ist, wird eine Kompensation
des Reibmoments unmöglich. Erfindungsgemäß muß daher R₃
immer größer als R₂ sein.
Im folgenden werden der Einfachheit halber die Fälle behandelt,
in denen R₃ = R₁ = 2R₂ ist.
Damit wird der erste Klammerausdruck in Formel (II) gleich
0,5. Ein einfaches Meßgerät, das beide Bedingungen erfüllt
und für die Messung des Drehmomentbereichs bis
herab zu 0-20 Nm geeignet ist, zeigt Fig. 1.
Für diesen Fall verlangt Formel (II), daß
ist, d. h. das Reibmoment der Zwischenwelle 28 muß halb so
groß sein wie das der Ausgangswelle 22.
Diese Forderung kann durch eine zweckentsprechende Wahl
der Zahnradbreite erfüllt werden. Durch Versuche wurde
festgestellt, daß der Einfluß der Reibung auf das
Meßsignal in einem Temperaturbereich von -20°C bis
+50°C < 0,5% ist.
Die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung kann noch wesentlich
gesteigert werden, wenn das Getriebe so ausgelegt
wird, wie es in der Ausführungsform nach Fig. 2 dargestellt
ist.
Der Durchmesser R₁ des Zahnrads 26 auf der zum Drehelement
führenden Abtriebswelle wird so klein als möglich gewählt,
um damit, bei vorgegebener Abtriebsdrehzahl, die Umfangsgeschwindigkeit
der Zahnräder und damit die Reibung
insgesamt zu minimieren. Weiterhin wurde das Problem
gelöst, neben der Forderung R₃ < R₂ auch die Bedingung
R₂ < R₁ zu erfüllen, um nach Formel (I) eine hohe Empfindlichkeit
zu erreichen.
Um die genannten Bedingungen zu erfüllen, mußte Zahnrad
32 mit einer Innenverzahnung versehen werden. Nach einem
Ausführungsbeispiel betrug R₂ = 2R₁ und R₃ - 2R₂ = 4R₁.
Damit ergab sich gemäß Gleichung (III)
Das Reibmoment der Zwischenwelle 28 muß somit die
doppelte Größe des Reibmoments der Ausgangswelle zu
22 haben. Dies kann beispielsweise an dem in Fig. 2
gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Platte 42
erreicht werden, die parallel zur Ebene des Zahnrads
32 in geringem Abstand von diesem verschiebbar angeordnet
ist und so als Flüssigkeitsbremse wirkt.
Mit der gezeigten Vorrichtung wurde die Empfindlichkeit
um den Faktor 10 gesteigert, so daß der meßbare Drehmomentbereich
0-2 Nm beträgt, die Genauigkeit blieb dabei
die gleiche wie im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.
Ein solches Ergebnis läßt sich natürlich nur
erzielen, wenn alle Lagerstellen innerhalb des Getriebegehäuses
38 angeordnet sind und sich die temperaturbedingte
Viskosität des Getriebeöls auf alle diese Lagerstellen
in gleicher Weise auswirkt. Bei dem in Fig. 2
gezeigten Ausführungsbeispiel mußte die Abtriebswelle 22
sehr lang ausgeführt werden, so daß eine zweite Lagerung
44 außerhalb des Getriebegehäuses 38 erforderlich war.
Da diese Lagerstelle im Betrieb unvermeidlich eine
andere Temperatur annimmt als das Getriebegehäuse,
wird auch die Temperaturabhängigkeit des Reibungseinflusses
und die dadurch bedingte Nullpunktsschwankung
wesentlich größer. Dem Problem konnte dadurch beigekommen
werden, daß die äußere Lagerstelle 44 als
Gaslager ausgeführt wurde, bei dem in bekannter Weise
komprimiertes Gas die Welle praktisch reibungsfrei
trägt. Diese Ausführung kann ohne größeren Aufwand
realisiert werden, da ohnehin für die Anwendung der
Vorrichtung in einer staubführenden und unter Überdruck
stehenden Leitung die Spaltabdichtungen zur
Welle mit komprimiertem Reingas gespült werden müssen.
Die Nullpunktjustierung der Vorrichtung wird folgendermaßen
durchgeführt: Man füllt die Vorrichtung mit
einem sehr zähen Öl, dessen Viskosität der Viskosität
eines Normalöls bei -20°C entspricht. Mit diesem Öl
wird durch Verstellen der Flüssigkeitsbremse bzw.
der Platte 42 der Nullpunkt exakt eingestellt, der
dann nach dem Wechseln auf Normalöl bei jeder üblicherweise
vorkommenden Temperatur erhalten bleibt.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Messung eines vorzugsweise heterogenen
Massestroms mit einem von einer Welle (22) getragenen
Drehelement (12), das mit konstanter Drehzahl angetrieben
wird und das den axial das Drehelement beaufschlagenden
Massestrom radial umlenkt und ihm dabei eine tangentiale
Geschwindigkeitskomponente erteilt, wobei an der Welle
(22) das vom Massestrom abhängige Drehmoment gemessen
wird, um mit einem zweistufigen, in einem Trägerelement
(38) angeordneten Stirnradgetriebe mit vier Stirnrädern
(26, 30, 32, 34), die Teilkreisradien R₁, R₂, R₃ bzw. R₄
aufweisen, von denen das erste Stirnrad (26), das auf
der Welle (22) angeordnet ist, mit dem zweiten, auf einer
Zwischenwelle (28) angeordneten Stirnrad (30) in Eingriff
steht, und das dritte, ebenfalls auf der Zwischenwelle
angeordnete Stirnrad (32) mit dem auf einer Antriebswelle
angeordneten Stirnrad (34) in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet,
daß die in dem Trägerelement (38) angeordnete
Zwischenwelle (28) um die Welle (22) schwenkbar gelagert
ist, und die Schwenkbewegung um die Welle (22) von
einer Kraftmeßeinrichtung (40) kompensiert wird, und daß
das Leerlaufreibmoment RM A der Welle (22) und das Leerlaufreibmoment
RM Z der Zwischenwelle (28) mit ihren absoluten
Werten und der vorgegebenen Voraussetzung R₃
größer R₂ die Bedingung erfüllen:
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das den Radius R₃ aufweisende Stirnrad (32) eine
Innenverzahnung aufweist und neben R₃ < R₂ auch
R₂ < R₁ ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Reibmomente durch Verwendung von Stirnrädern
unterschiedlicher Zahnradbreite variierbar sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Reibmomente durch eine auf die Stirnräder
(30, 32) wirkende Flüssigkeitsbremse einstellbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Flüssigkeitsbremse eine der Stirnfläche des
Stirnrads (32) mit bestimmtem Abstand gegenüberliegende
Platte (42) aufweist, deren Abstand zum Stirnrad (32)
einstellbar ist.
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