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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Solche Vorrichtungen sind vorbekannt
und werden in verschiedenen Gebieten der Technik angewendet. Somit
ist bekannt, die Massenkonzentration in einer Papierpulpe-Suspension
dadurch zu erfassen, daß ein
Widerstandsdrehmoment beim Rotieren eines Sensors in der zu untersuchenden
Suspension gemessen wird. Das gemessene Drehmoment basiert auf der
durch den drehenden Körper zum
Trennen der Fasern in der Suspension ausgeübten Kraft. Die Kraft und somit
das Drehmoment hängen
also von der Fasermenge in der Suspension ab. Es ist ferner bekannt,
Stopfbuchsenreibung und dergleichen durch Führen der rotierenden Welle,
welche das Drehmoment überträgt, durch
eine Hohlwelle und durch Nutzen eines Sensors zu vermeiden, der nach
dem Prinzip des Kräftegleichgewichts
funktioniert. Dieses Prinzip basiert auf der Tatsache, daß aufgrund
eines ausgeübten
Drehmomentes eine Verlagerung zwischen der übertragenden Welle und der Hohlwelle
auftritt und daß diese
Verlagerung gemessen wird. Bekannte Meßmethoden leiden jedoch an Nachteilen
bezüglich
Meßfehlern,
unter anderem aufgrund der Verbindung zwischen der Sensorwelle und
der Hohlwelle. Auch in anderer Hinsicht sind die bekannten Meßmethoden
nicht verläßlich.
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Es ist festzuhalten, daß die Folgen
von Meßfehlern
bedeutend sein können.
Bei der Papierherstellung als Beispiel liegt bei der Untersuchung
einer Papierpulpe-Suspension das ökonomisch hinnehmbare Konzentrationsintervall
in einer Variationsbreite von Trockenanteilen von nur etwa 1%. Eine
zu geringe Konzentration kann zum Brechen des resultierenden Papierstreifens
führen,
während
eine zu hohe Konzentration zur Verschwendung von Faser und zu übermäßig dickem
Papier führt.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, die
Nachteile der bekannten Lösungen
zu vermeiden und eine verläßliche,
genaue, ökonomische
Lösung
zu erreichen. Dieses Ziel wird bei einer Vorrichtung der beschriebenen
An durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 erhalten.
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Dadurch wird erreicht, daß die Schwingungsfrequenz
eines Bezugselementes, dessen Frequenz repräsentativ für das Drehmoment ist, direkt
mittels eines Detektors erfaßt
wird, der außerhalb
des Getriebes plaziert ist, was die Genauigkeit und ebenso die Verläßlichkeit
der Vorrichtung deutlich erhöht. Dies
ist erstens deshalb der Fall, weil in der Sensorvorrichtung ein
Frequenzmesser mit einem Minimum von Fehlerquellen eingesetzt wird,
und zweitens, weil ein Frequenzsignal, das von dem Detektor übertragen
wird, beträchtlich
weniger empfindlich gegenüber
unterschiedlichen Arten von Störungen
als ein Analogsignal ist. Die Vorteile der Verwendung eines Frequenzsignales
sind unter anderem, daß ein
solches Signal unbeeinflußbar
von elektrischen Feldern ist, die beispielsweise um elektrische
Stromkabel herrschen, welche oft in der Nähe des Signalkabels verlegt
sind.
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Als ein Vergleichsbeispiel sei auf
die US-A-3 290 939 verwiesen, bei der jedoch ein Frequenzsignal
zur Charakterisierung des Drehmomentes mithilfe einer Funk-Sender-Empfäger-Einrichtung übertragen
wird. Auch die SE-D-380 899 betrifft den Einsatz von Frequenzsignalen,
wobei dieses Dokument jedoch die elektronische Überwachung solcher Frequenzsignale
und somit nicht die Plazierung des Detektors betrifft. In einer
Vorrichtung gemäß der Erfindung
werden keine Signale von beweglichen Teilen übertragen.
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Durch die Sensorvorrichtung mit einem
ringförmigen
Element, welches den Frequenzmesser trägt, ist eine bevorzugte Aufhängung desselben
erzielt.
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Die Merkmale der Ansprüche 3 bis
6 betreffen vorteilhafte Weiterbildungen bezüglich der Plazierung der Elemente
der Sensorvorrichtung.
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Die Ansprüche 9 und 10 betreffen vorteilhafte
Ausbildungen des Frequenz-Messers.
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Weitere Vorteile werden durch die
weiteren Ansprüche
erreicht.
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Die Erfindung wird nun im einzelnen
anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 schematisch
eine Meßvorrichtung
gemäß der Erfindung,
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2a einen
Schnitt einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
im Bereich der Sensorvorrichtung,
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2b eine
abgewandelte Konstruktion der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
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3 die
Vorrichtung nach 2a in
einem Axialschnitt, und
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4 eine
Einzelheit der Sensorvorrichtung gemäß der Erfindung.
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Die Meßvorrichtung nach 1 umfaßt ein Meßgehäuse 5, das an eine
Leitung für
das zu untersuchende Fluidmedium 2 angeschlossen ist, wobei das
Gehäuse 5 eine
konvexe Auswölbung
an der Leitung aufweist. Innerhalb des Meßgehäuses 5 ist ein Rotor 3 plaziert,
der als Sensorelement fungiert. Ein Rührelement 4, welches
eine Propellerwirkung nutzt, gewährleistet
ein kontinuierliches Einströmen
von Suspension, die im herrschenden Moment das Meßgehäuse 5 passiert
und im Bereich des Rotors 3 zu messen ist. Der Rotor 3 wie
auch das Rührelement 4 werden
von einem Motor 7 über
eine Hohlwelle 6 getrieben, welche direkt mit dem Rührelement
verbunden ist, wobei die Hohlwelle über ein Getriebe 8 mit dem
Motor 7 und mit der Rotorwelle 9 verbunden ist. Axial
entgegengesetzt dem Ort des Rotors 3 hat das Getriebe ein
nachgiebiges Element (nicht gezeigt), das eine Drehverlagerung zwischen
der Hohlwelle 6 und der Rotorwelle 9 abhängig von
der Größe des zu übertragenden
Drehmoments zuläßt.
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Ferner umfaßt die Vorrichtung eine Sensorvorrichtung 10 mit
einem sogenannten Drehmomentmesser, der aus zwei diagonal wirkenden
Spannelementen besteht, die fest mit dem Teil des Getriebes verbunden
sind, welches mit der Hohlwelle 6 verbunden ist und welches
gemäß der drehmomentabhängigen Winkelverlagerung
eine größere oder
kleiner Zugkraft diagonal auf ein Mittel 15 mit einem Frequenzmesser 11 ausübt. Dieses
Mittel (15 in 2) ist
mit der Hohlwelle 9 an einer Stelle verbunden, die von
den Angriffspunkten der Spannelemente gesondert ist.
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Wenn sich das übertragene Drehmoment verändert, beeinflußt eine
entsprechend sich verändernde
Spannung das Mittel 15 und dadurch den Frequenzmesser 11,
der folglich eine andere Eigenfrequenz seiner Schwingung erhält.
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Ein Detektor 12 ist stationär im Gehäuse der Meßvorrichtung 1 und
außerhalb
des Getriebes zwischen dem Motor 7, dem Rotor 3 und
dem Rührelement 4 und
im wesentlichen koaxial mit den genannten Wellen und im wesentlichen
in Ausrichtung auf den Frequenzmesser angeordnet. Ferner ist in
Verbindung mit dem Detektor 12 eine Erregervorrichtung vorgesehen,
welche den Frequenzmesser 11 periodisch in Schwingungen
mit seiner Eigenfrequenz versetzen kann. Der Detektor erkennt periodisch
die Eigenfrequenz, welche von der Last abhängt. Es sei festgehalten, daß die von
der Erregervorrichtung übertragenen
Schwingungen vor zugsweise derart gewählt sind, daß sie nicht
im Eigenfrequenzbereich des Elementes 11 liegen und somit
die Messung nicht stören.
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Im Betrieb der Vorrichtung nach 1 dreht der Rotor 3 in
einer Umgebung, die aus einem repräsentativen Anteil des zu untersuchenden
Fluidmediums 2 besteht, so daß eine Änderung in der Massenkonzentration
der Suspension eine entsprechende Änderung des Drehmomentes zur
Folge hat. Folglich beaufschlagt die Sensorvorrichtung 10 das
Mittel 15 und dadurch den Frequenzmesser 1, der
bei Erregung in Schwingungen mit einer Frequenz gerät, die repräsentativ
für die
aktuelle Situation im Meßgehäuse 5 ist.
Die Frequenz wird dann mittels des Detektors 12 erfaßt, der
ein Signal zu einem DCS und/oder zu einem Display und so weiter
zur weiteren Verarbeitung des empfangenen Signals und möglicherweise
zu dessen Display überträgt. Auf
diese Weise wird ein Meßergebnis
für die
Massenkonzentration in der Leitung erhalten.
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2a zeigt
eine Einzelheit der Sensorvorrichtung in Axialrichtung gesehen,
wobei mit 13 Spanndrähte
oder – faden
umfassend die besagten Spannmittel und mit 14 Führungsrollen
für die
besagten Fäden
bezeichnet sind. Jeder Faden ist spiralig (s. 3) über äußere Rollen 16 geführt und
an dem Mittel 15 an diametral voneinander getrennten Befestigungspunkten 18 angebunden.
Das ringförmige
Mittel 15 trägt
in axialer Richtung gesehen diagonal einen Frequenzmesser, der aus
einem dünnen
Metallband besteht. Mit 17 sind die Lagerpunkte des Ringes
bezeichnet.
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2b zeigt
eine alternative Konstruktion der Sensorvorrichtung, bei der die äußeren Rollen 16 der 2a durch jeweils einen Waagebalken 16b ersetzt
sind, der über
ein dünnes
Band oder Blatt schwenkbar an einer Konsole 23 befestigt
ist. Ferner ist eine Vorrichtung zum Vorspannen der auf die Mittel 15 ausgeübten Kraft
dargestellt, einschließlich
eines Federmittels 20, einer Spannvorrichtung 22 und eines
Spanndrahtes 24, der von diesen Elementen herkommend über Führungsrollen 14', die mit der Rotorwelle
gekuppelt sind, zu einem Befestigungspunkt 21 geführt ist.
Diese Vorspannanordnung resultiert in einem Drehmoment, das entgegengesetzt dem
von dem Rotor ausgehenden Drehmoment ist. Durch die voreingestellte
Spannung der Federmittel 20 wird eine gewählte relative
Anfangsverdrehung zwischen der Hohlwelle und der Rotorwelle erhalten, was
die Möglichkeit
einer Variierung der Verformung des Frequenzmessers eröffnet. Auf
diese Weise kann eine gewünschte
Null-Frequenz eingestellt werden. Die Spannvorrichtung dieser Bauart
kann z. B. in Verbindung mit der Vor richtung nach 2a eingesetzt werden und kann auch aus
der Vorrichtung gemäß 2b weggelassen sein.
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In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Eichung über den
Meßbereich
leicht durch Testen in einem Prüfstand
erzielt werden kann, obwohl eine Fein-Kalibrierung ebenfalls mit
dem ausgewählten Rotor
in einer betriebsnormalen Umgebung vorgenommen werden kann. Um eine
ausreichende Empfindlichkeit zu erzielen, kann das mit dem Frequenzmesser
zusammenwirkende Mittel, d. h. Mittel 15, derart bemessen
sein, daß eine
genügend
große Frequenz-Variation
in dem aktuellen Meßbereich
erhalten werden kann.
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3 zeigt
somit eine Vorrichtung nach 2a im
Axialschnitt, wobei das ringförmige
Mittel 15 an einer Platte befestigt ist, die mit der Hohlwelle über exakt
konische Lagerstifte 19 verbunden ist, welche das Mittel 15 in
den Aussparungen 17 symmetrisch bezüglich der Kraftangriffspunkte
und der Befestigungspunkte des Elementes 11 trägt. In der
in den 2a und 3 gezeigten Ausführung ist
der -Ring so klein, daß er
axial außerhalb
der Drehmomentwelle plaziert ist.
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Bezugszahl 12 bezeichnet
eine kombinierte Detektor-/Erregervorrichtung, die einerseits das
Element 11 mit einer gewählten Frequenz erregen kann und
andererseits die vorherrschende Eigenfrequenz erfassen kann. Die
Einheit 12 kann beispielsweise aus einer einfachen Spule
mit Eisenkern bestehen.
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4 zeigt
schematisch das ringförmige
Mittel 15 mit dem Frequenzmesser 11 in einer gekrümmten Konfiguration,
die deshalb bevorzugt ist, weil diese Art der Plazierung des Elementes
oder des Bandes 11 diesem eine Spannung einprägt, so daß keine Vorspannung
des Elementes nach dessen Montage in dem Mittel 15 notwendig
ist. In vielen Anwendungen ist es erwünscht, die Möglichkeit
der Anordnung des Detektors so nahe wie möglich am Frequenzmesser offen
zu halten. Dies wird höchst
einfach dadurch erreicht, daß das
Element 11 in einem nahezu rechten Winkel bezüglich der
Achse des Mittels 15 (der Drehachse) im Bereich dieser
Achse angeordnet wird. Durch Wahl des Endwinkels α des Elementes und
eines passenden Verhältnisses
h/H/r kann der Winkel β minimiert
werden. Mit 40 sind Befestigungsnasen für das Band 11 bezeichnet.
Die Befestigung des Bandes wie auch der Nasen wird durch Löten erreicht.
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Wie oben beschrieben ist die Vorrichtung auch
zum Messen anderer Parameter geeignet, z. B. zum Messen der Viskosität einer
Flüssigkeit.
Außerdem
können
andere Plazierungsanordnungen der Sensorvorrichtung und andere Bauarten
von Haltemitteln entsprechend dem ringförmigen Mittel 15 in Frage
kommen. Es ist auch möglich,
andere Arten von Frequenzmessern, z. B. Fäden, und auch eine vollständig gerade
Anordnung einzusetzen, wenngleich, wie oben erwähnt, die gekrümmte Konfiguration
nach den Figuren bevorzugt ist.
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Es können auch andere Arten von
Detektoren eingesetzt werden, z. B. Hall-Detektoren und auch Laser-Detektoren.
Die Erregervorrichtung kann auch aus einer getrennten Einheit bestehen,
welche in der Nähe
des Detektors plaziert ist. In einigen Anwendungen der Erfindung
ist eine Unterbringung der Rotorwelle in einer Hohlwelle nicht erforderlich,
jedoch in Verbindung mit der gezeigten Anordnung, d. h. zum Messen
der Massenkonzentration in einer Papierpulpe-Suspension, ist die
Anordnung innerhalb einer Hohlwelle in an sich bekannter Weise deutlich bevorzugt,
weil ein Meßfehler
aufgrund von Stopfbuchsenreibung und dergleichen im wesentlichen
eliminiert wird. Es sei festgehalten, daß die Verwendung eines Drehmomentmessers
nicht auf die gezeigte Ausführung
umfassend eine Rotorwelle, die in einer Hohlwelle angeordnet ist,
beschränkt
ist.
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Das Mittel 15 kann von einem
das Drehmoment übertragenden
Element bestehen oder an ein Teil des Getriebes gekoppelt sein,
wobei das zu übertragende
Drehmoment den Ring und dadurch das Element 11 direkt oder
indirekt beaufschlagt. Das Mittel 15 kann von einem ringförmigen Bauteil
gebildet sein, und der Ring kann solche Abmessungen haben, daß er die
Drehmomentwelle umgibt und die Rollen zwischen dem Ring und der
Welle plaziert sind, wodurch im wesentlichen vermieden ist, daß der Ring durch
seitwärts
gerichtete Kräfte
beaufschlagt wird.
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Das nachgiebige Mittel zwischen der
Rotorwelle und der Hohlwelle kann auch als nachgiebiges Dichtmittel
ausgebildet sein, das am Ende des Rotors plaziert sind.
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Wie oben angedeutet, kann der Frequenzmesser
in anderer Weise getragen sein als durch ringförmige Mittel, soweit er nur
ein Frequenzsignal abgibt, welches das übertragene Drehmoment repräsentiert.