DE69724581T2

DE69724581T2 - Massendurchflussmesser

Info

Publication number: DE69724581T2
Application number: DE69724581T
Authority: DE
Inventors: Arne Söderholm; Olle Söderholm
Original assignee: S E G Mekanik AB
Current assignee: S E G Mekanik AB
Priority date: 1997-02-11
Filing date: 1997-02-11
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2017-02-12
Also published as: US6033184A; EP0857953B1; DE69724581D1; EP0857953A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Massendurchflussmesser, insbesondere für Schüttgut oder ein Fluid, und die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Messrad-Anordnung, die in der Messvorrichtung eingesetzt wird, in der die Massenflussrate unter Verwendung des Coriolis Messprinzips gemessen wird.
Eine derartige frühere Messvorrichtung ist in unserer ebenfalls anhängigen europäischen Patentanmeldung Nr. 96850202.1 beschrieben, die am 29. November 1996 eingereicht und der Öffentlichkeit nach dem Einreichungstag der vorliegenden Anmeldung zugänglich gemacht wurde, welche die wesentlichen Prinzipien für einen derartigen Massenflussmesser beschreibt und auf welche Anmeldung hiermit Bezug genommen wird.
In einer solchen Messvorrichtung sind die zu messenden Partikel einer tangentialen Beschleunigung in einem sich schnell drehenden Messrad ausgesetzt und das Drehmoment, das als Antwort auf die Corioliskraft beschleunigter Partikel auf die Schaufeln des Messrads ausgeübt wird, wird als Maß der Massenflussrate gemessen. Die Aufgabe unserer oben genannten europäischen Patentanmeldung war es, Messfehler zu vermeiden, die aufgrund einer ungleichmäßigen Verteilung des zu messenden Materials auftreten.
Auch wenn die Genauigkeit der Messungen durch unsere vorherige Vorrichtung wesentlich verbessert worden ist, treten bei ihr noch einige Fehler auf, wenn die Verteilung des Materials nicht gewährleistet werden kann. Die Fehler beruhen darauf, dass die Corioliskraft verringert wird, wenn das Material an einer Stelle außerhalb des Mittelpunkts des Messrads eingebracht wird.
Aus der Patentanmeldung EP-A-0 146 902 ist ein Verfahren bekannt, diesem Problem zu begegnen. Das Messrad wird von einem Motor angetrieben, dessen von der Beschleunigung des Materials herrührendes Drehmoment von einem elektronischen Wandler gemessen wird. Das Messrad enthält eine Anzahl von Schaufeln, die an einer kreisförmigen unteren Platte und einer oberen kreisförmigen Platte an der Einlassseite des Materials befestigt sind. Kennzeichnend für die Erfindung gemäß dieser Druckschrift ist, dass sich die inneren Ränder der Schaufeln senkrecht zu der unteren Platte des Messrads zu dem äußeren Rand der Einlassöffnung hin erstrecken. Um zu erreichen, dass die Einlassöffnung über ihre gesamte Fläche gefüllt wird, ist eine Führungseinrichtung in Form eines kreisförmigen Kegels mit dem Durchmesser der Einlassöffnung zwischen besagten unteren und oberen Platten angeordnet. Es wird erwähnt, dass dies die Neigung des Materials reduziert, von dem Mittelteil des Lochs weg zu beschleunigen. Um eine bessere Verringerung der Beschleunigung im Mittenbereich von unten zu erhalten, ist ein Drehschieberaufgeber oder ein Schneckenaufgeber vor der Vorrichtung angeordnet. Durch diese Ergänzung wird das gewogene Material in das Messrad gedrückt und dadurch, so wird gesagt, die Beschleunigung reduziert.
Jedoch besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Messgenauigkeit des aus dem Einlassrohr in das Messrad eingebrachten Materials durch eine Abänderung der Gestalt des Messrads weiter zu verbessern.
Die oben genannte Aufgabe ist dadurch gelöst worden, dass die Erfindung die im unabhängigen Anspruch 1 genannten Merkmale bereitstellt. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen 1 eine schematische Seitenansicht eines herkömmlichen Messrads und ein Einlassrohr für einen Massendurchflussmesser zeigt, 2 schematisch eine der 1 entsprechende Seitenansicht zeigt, jedoch mit einem Messrad nach der Erfindung, 3 ein Diagramm zeigt, das die Beziehung zwischen der Höhe H und dem Radius R des Messrads zeigt, und 4 schematisch eine Seitenansicht eines Messrads nach der Erfindung zeigt, das für einen großen Materialfluss bestimmt ist.
Der Teil der Vorrichtung, der in den Zeichnungen gezeigt ist, soll ein Teil einer vollständigen Vorrichtung zum Messen eines Massenflusses der Art sein, wie sie in unserer ebenfalls anhängigen europäischen Patentanmeldung Nr. 96850202.1 beschrieben ist, wobei in diesen Zeichnungen nur das Messrad 1 und das Einlassrohr 6 gezeigt sind. Die anderen, die Messvorrichtung betreffenden Teile können die gleiche, aber auch andere Gestaltungen, als die in unserer früheren Anmeldung gezeigten aufweisen.
Das Messrad 1 ist zur Rotation um einen vertikalen Schaft 2 angebracht und rotiert in einer Richtung, die durch den Pfeil angezeigt ist. Das Messrad 1 ist mit Schaufeln 3 ausgestattet, die zu dem umlaufenden Rand des Messrads 1 führen, um das zu messende Material von dem mittleren Bereich des Messrads 1 über die Schaufeln 3 nach außen zu führen. Die Unterseite des Messrads 1 ist durch eine untere Platte 4 geschlossen und die Oberseite des Messrads 1 ist durch eine obere Platte 5 geschlossen, welche eine zentrale Öffnung aufweist, über der das Ende eines Einlassrohrs 6, das das zu messende Material liefert, endet.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen weiteren Weg, um das oben erwähnte Problem, die Messfehler zu minimieren, zu lösen. Die Verteilung des zufließenden Materials in die Messvorrichtung kann bei der vorliegenden Erfindung beliebig sein, oder durch irgendeine der Vorrichtungen verbessert sein, die in irgendeiner anderen unserer europäischen Patentanmeldungen, die gleichzeitig mit dieser eingereicht wurden, definiert sind. Nach der Erfindung können die Messfehler minimiert werden, wenn die Größe des äußeren Radius R₂ des Messrads 1, das für die Messung eingesetzt wird, variiert wird. Es wird angenommen, dass die Schaufeln 3 des Messrads eine Höhe H auf weisen, die von der Mitte des Messrads 1 ansteigt, bis sie den Radius des Rohrs 6 erreicht, das das Material in das Messrad 1 führt.
Materialpartikel, die in die Messvorrichtung gelangen, fallen zu dem mittleren Teil des Messrads 1 hinab und prallen von der Mitte ab und werden aufgrund der Zentrifugalkraft der Partikel im Wesentlichen horizontal entlang irgendeiner der Schaufeln 3 des Messrads zu dem äußeren Durchmesser R₂ des Messrads 1 geschleudert. Die Partikel verlassen das Messrad an dessen unterem Rand, der eine bestimmten äußeren Radius hat. Materialpartikel, die nahe einer Wand des Einlassrohrs 6 in das Messrad 1 gelangen, werden zu dem oberen Rand einer Schaufel des Messrads hin geschleudert und werden auch horizontal abgelenkt. Der Durchmesser des Messrads kann an seinem oberen Teil relativ zu dem unteren Rand einen größeren Radius haben. Der vergrößerte Radius führt zu einer zusätzlichen Beschleunigungsstrecke, was die Tatsache ausgleicht, dass der radiale Aufprallpunkt eine kürzere Strecke, als eine von der Mitte des Messrads ausgehende, ergibt.
Der gewünschte Grad des Ausgleichs kann nach der Gleichung berechnet werden, die in unserer früheren europäischen Patentanmeldung Nr. 96850202.1 beschrieben ist, nämlich der Massenfluss q = M/n(R₂ ²– R₂ ²), wobei M = Drehmoment, n = axiale Rotationsgeschwindigkeit, R₂ = äußerer Radius des Messrads und R₁ = innerer Radius, aus dem die Partikel oder der Fluss die Oberfläche des Messrads in oder um seine Mitte herum treffen. Eine genauere Analyse hat gezeigt, dass wenn man den Aufprall des ankommenden Materials berücksichtigt, die Gleichung dann lautet: q = M/n*[R2 2 – (R1/2)2]
Falls R₁ = 0 ist, ist der äußere Durchmesser R₂, wohingegen Material mit einem Aufprallpunkt außerhalb der Mitte des Messrads, das das Messrad in einer Entfernung x von der Mitte trifft, den Radius R_1x hat, und die Gleichung für den entsprechenden äußeren Radius R_x lautet, wenn q, M und n als Konstanten betrachtet werden: R2 2 = Rx 2 – (R1x/2)2 und daher Rx = [R2 2 + (R1x/2)2]1/2
Der Radius R_x an dem oberen Rand des Messrads ist R_xMax, und R_1x = R_1Max= der Radius des hereinkommenden Einlassrohrs.
Wenn die Schaufeln des Messrads entsprechend der obigen Gleichung mit variierendem äußeren Durchmesser ausgestattet werden, wird der Einfluss des unterschiedlichen Aufprallpunkts für die ankommenden Partikel eliminiert.
Da es wünschenswert ist, dass die Geschwindigkeit der Materialpartikel begrenzt ist, so dass sie nicht zerbrochen werden, wenn sie auf die Oberfläche schlagen, auf die sie treffen, wenn sie das Messrad verlassen, sollte der Durchmesser des Messrads unabhängig von der Größe des Materialflusses konstant gehalten werden. Der Durchmesser des Einlassrohrs vergrößert sich mit steigendem maximalem Fluss, und daher erstrecken sich die Schaufeln 3 entlang eines kürzeren Teils des Radius des Messrads, während zur gleichen Zeit die Höhe H der Schaufeln 3 zunimmt.
In 1 sind, wie oben erwähnt, die Bedingungen in einem gewöhnlichen Messrad dargestellt, in dem der äußere Durchmesser R₂ für alle Höhen des Messrads konstant und parallel zu dem Schaft 2 ist. Der innere Rand der Schaufeln 3 des Messrads steigt von der Mitte des Messrads zu dem inneren Radius des Einlassrohrs 6 an. Der äußere Rand 8 der Schaufeln ist, wie oben erwähnt, parallel zu dem Schaft 2 und der Mittellinie 9, um die sich das Messrad 1 dreht. Mit der Linie 10 wird eine Flusslinie für ein Partikel gezeigt, das nahe der Mitte des Einlassrohrs 6 in die Messvorrichtung gelangt und in das Messrad nahe dessen Mitte fällt, von wo dasselbe Partikel der Linie 11 nahe der Unterseite 4 entlang einer Schaufel 3 folgen wird, wenn es zu dem umlau fenden Rand des Messrads nach außen läuft. Entsprechend ist mit der Linie 12 eine Flusslinie für ein Partikel gezeigt, das nahe an der Wand des Einlassrohrs 6 in die Messvorrichtung gelangt und in das Messrad außerhalb dessen Mitte fällt, von wo dasselbe Partikel der Linie 13 nahe der Oberseite 5 entlang einer Schaufel 3 folgen wird, wenn es zu dem umlaufenden Rand des Messrads nach außen läuft. Es ist ziemlich offensichtlich, dass die kürzere Strecke (R₂ – R₁), über die das Partikel, das der Linie 13 folgt, in Kontakt mit der Schaufel 3 steht, zu einer anderen Kraft auf die Schaufel führt, als sich für ein Partikel ergibt, das der Linie 11 folgt.
In 2 ist eine ähnliche Ansicht wie in 1 gezeigt, jedoch ist das Messrad in diesem Fall nach der vorliegenden Erfindung gestaltet, und daher nimmt der äußere Durchmesser des Messrads 1 von R₂ an der Unterseite bis zu R_xm an der Oberseite der Schaufeln 3 zu. Entsprechend steigt der äußere Rand 14 der Schaufeln 3 kontinuierlich von der Unterseite 4 zu der Oberseite 5 an. Mit 15 ist die Flusslinie für ein Partikel gezeigt, das in einem Abstand R_1x von der Mittellinie 9 des Messrads 1 in den Durchflussmesser gelangt, welches der Flusslinie 16 horizontal folgt, um das Messrad in einem Abstand R_xm von der Mittellinie 9 zu verlassen.
3 zeigt ein Diagramm H = f(R), das die Beziehung zwischen der Höhe H_x und dem äußeren Radius R_x für die Schaufeln 3 des Messrads zeigt, mit den Grenzen 0 < H < H_m und R₂ < R_x < R_xm. Die eingeschlossene Fläche entspricht dem Profil, das die Schaufel 3 haben sollte, um den Einfluss eines unterschiedlichen Aufprallpunkts für die ankommenden Partikel zu eliminieren.
In 4 ist die zweckmäßige Form eines Messrads für einen großen Materialfluss gezeigt. Das Einlassrohr 6 weist relativ zu dem Radius der unteren Platte 5 einen großen Radius auf. Die Höhe H des Messrads 1 ist relativ zu dem Radius des Messrads vergrößert, wodurch die Schaufeln im Verhältnis kürzer werden. Der innere Radius R₁ wird wichtiger, aber der Einfluss wird dadurch eliminiert, dass der äußere Rand 14 einen zunehmenden Radius auf weist. Durch die Verwendung dieses Messrads besteht keine Notwendigkeit für irgendwelche störenden Einsätze in dem Einlassrohr, was für große Materialflüsse wichtig ist.
Mit einem nach der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Massendurchflussmesser ist es möglich, ein Messrad zu schaffen, das eine große Höhe und keine Flächen reduzierenden Einrichtungen in dem Einlass aufweist, und das dennoch den Einfluss einer ungleichmäßigen Verteilung des ankommenden Materialflusses minimiert.

Claims

Massendurchflussmesser mit einem Einlassrohr (6) und einem Messrad (1) zum Aufnehmen des Zuflusses von Material durch das Einlassrohr (6), wobei das Messrad eine untere Platte (4), eine obere Platte (5) und Schaufeln (3) umfasst, die sich von der unteren zur oberen Platte erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Rand (7) jeder Schaufel (3) von der Mitte (9) des Messrads (1) oder deren näheren Umgebung zu einem äußeren Rand (R_1m) des Einlassrohrs (6) hin ansteigt, und dass jede Schaufel (3) mit einem ansteigenden äußeren Rand (14) versehen ist, welcher einer Zunahme des Radius des Messrads von dem Radius (R₂) der unteren Platte (4) zu dem Radius (R_xm) der oberen Platte (5) entspricht.
Massendurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rand (7) jeder Schaufel (3) von der Mitte (9) des Messrads (1) oder deren näheren Umgebung linear zu dem äußeren Rand (R_1m) des Einlassrohrs (6) hin ansteigt.
Massendurchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand (14) jeder Schaufel (3) einer mathematisch berechneten Kurve zur Minimierung von Messfehlern folgt, und dass die Zunahme des äußeren Radius jeder Schaufel (3) der Zunahme des Radius des Messrads von dem Radius (R₂) der unteren Platte (4) zu dem Radius (R_xm) der oberen Platte (5) entspricht.
Massendurchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand (14) jeder Schaufel (3) einer Approximation einer mathematisch berechneten Kurve zur Minimierung von Messfehlern folgt, und dass die Zunahme des äußeren Radius jeder Schaufel (3) der Zu nahme des Radius des Messrads von dem Radius (R₂) der unteren Platte (4) zu dem Radius (R_xm) der oberen Platte (5) entspricht.
Massendurchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand (14) jeder Schaufel (3) linear ansteigt, entsprechend der Zunahme des Radius des Messrads von dem Radius (R₂) der unteren Platte (4) zu dem Radius (R_xm) der oberen Platte (5).