DE7731145U1

DE7731145U1 - Vorrichtung zur messung des massendurchsatzes

Info

Publication number: DE7731145U1
Application number: DE7731145U
Authority: DE
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-10-12
Filing date: 1977-10-08
Publication date: 1978-04-06
Also published as: JPS6048692B2; US4056976A; FR2368019A1; DE2745374C2; JPS5366761A; FR2368019B1; DE2745374A1; IT1087739B; GB1547514A

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Messung des Massendurchsatzes vom Drehimpulstyp (Winkelmoment) mit einem Wirbelgenerator, um der zu messenden Fluidströmung eine Wirbelbewegung zu verleihen, und mit einem Momentabgleich-Reaktionsgenerator, um die verliehene Wirbelbewegung zu beseitigen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine derartige Vorrichtung, die ein verbessertes Auslesesystem aufweist, um den Massendurchsatz der Fluidströmung anzuzeigen.

Massendurchsatz-Meßgeräte vom Drehimpulstyp haben sich bei Fluidströmungen, z.B. bei der Brennstoffzufuhr zu einer Maschine durchgesetzt. Derartige Flußmeter enthalten ein Gehäuses, durch das der zu messende Fluidstrom hindurchfließt, und in dem ein Wirbelgenerator und eine Reaktionsturbine angeordnet sind. Der Wirbelgenerator verleiht der Strömung eine Winkelgeschwindigkeit, die durch die Reaktionsturbine entfernt wird, welche an einer freien Drehbewegung gehindert ist. Das Fluiddrehmoment, welches in der Reaktionsturbine ausgeübt wird, ist proportional zum Produkt des Massendurchsatzes (mass rate of flow), der Strömung und der Winkelgeschwindigkeit der Strömung.

7731145 06.0478

	■ · ·	• *	•	• •	Γ
*O ·* ·**
• · H ·

• * . *

Aus der US-PS 2 714 310 ist die Grundanordnung eines derartigen Meßgeräts bekannt, welches einen Wirbelgenerator oder Rotor verwendet, der von einem Konstantgeschwindigkeitsinotor angetrieben wird, verwendet wird ferner eine Turbine, die mittels einer Spiralfeder gehemmt ist. Die Winkelversetzung der Turbine wird entweder unmittelbar optisch oder durch ein Synchronsystem abgelesen.

Aus der US-PS 3 538 767 und der US-PS 3 555 900 ist ein verbessertes System bekannt, bei dem der Wirbelgenerator eine Vielzahl von festen Kanälen umfaßt, und bei dem die Reaktionsturbine durch einen elektromagnetischen Drehmomentmotor gehemmt wird, und eine Geschwindigkeitsturbine wird durch den Wirbelstrom angetrieben. Die Drehung der Geschwindigkeitsturbine erzeugt eine Impulsgruppe, deren Impulswiederholfrequenz eine Funktion der Winkelgeschwindigkeit ist. Die Winkelversetzung der Reaktionsturbine erzeugt ein Signal, welches eine Funktion des Massendurchsatzes ist. Die beiden Signale werden multipliziert, um den Drehmomentmotor zu speisen.

Aus der US-PS 3 164 017 ist ein Meßgerät des schon aus der US-PS 2 714 310 bekannten Typs bekannt. Der Wirbelgenerator wird durch einen Motor angetrieben und besitzt einen ersten Messerkanteiaagneten, der an der Peripherie des Wirbelgenerators angeordnet ist, und er besitzt eine Abtastspule, die im Gehäuse angeordnet ist, um den Durchgang dieses Magneten festzustellen. Ein zweiter Messerkantemagnet ist an dessen Peripherie angeordnet, und eine zweite Abtastspule ist an einem Arm befestigt, der an der Reaktionsturbine fest angeordnet ist, um den Durchgang oder das Vorbeilaufen dieses zweiten Magneten festzustellen. Die beiden Impulse, die

während jedes Zyklus erzeugt werden, dienen dazu, Taktimpulse

über die einem Zähler zuzuführen, um eine Angabe / Versetzung der

Reaktionsturbine zu liefern. Aus der US-PS 3 232 110 ist ein Massendurchsatz-Flußmesser mit einem festen Wirbelgenerator, einer freilaufenden Geschwindigkeits- oder Drehturbine und einer gegen Winkelversetzung unfreien Reaktionsturbine bekannt. Ein Permanentmagnet ist an der Drehtubrine befestigt. Eine erste Abtast^spule ist am Gehäuse befestigt, um den Durchgang C des Magneten während jeder Umdrehung der Drehturbine abzutasten. Eine zweite Abtastspule ist an der Reaktionsturbine befestigt, um den Durchgang des Magneten während jeder Umdrehung der Drehturbine abzutasten. Die Zeit zwischen den beiden Abtastvorgängen stellt eine Funktion der Versetzung der Reaktionsturbine dar.

Die aus der US-PS 3 146 017 und der US-PS 3 232 110 bekannten Vorrichtungen erfordern jeweils eine bewegliche ALiustspule, die auf dem Reaktionsrotor angeordnet ist, wobei flexible Leitungen durch die fließende Strömung und durch das wasserdichte Gehäuse erforderlich sind, die eine mögliche Gelegenheit für frühe Störungen darstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Auslesen der Geschwindigkeit des Rotors und der Versetzung der Turbine in einem Flußmesser zu schaffen, bei dem alle Abtastspulen und deren Leiter außerhalb der fließenden Strömung und stationär angeordnet sind.

Ein Merkmal dieser Erfindung ist es, einen Flußmesser mit einem Gehäuse zu schaffen, welches eine wirbelnde oder mit Drall versehene Fluidströmung, einen von der Strömung in Drehung versetzten Rotor und eine Turbine enthält, die durch die Strömung versetzt wird; dieser erfindungsgemäße Flußmesser

7731145 06.0478

enthält eine erste, querjverlaufende uad bezüglich des Winkels diskrete Magnetflußquelle, die mit dem Rotor umläuft, und eine erste, querjverlaufende und bezüglich des Winkels diskrete Magnetflußdetektoranordnung, die am Gehäuse angeordnet ist und ein erstes Ausgangssignal abgibt, wenn die erste Magnetflußquelle und die erste Detektoranordnung in Querrichtung winkelmäßig flüchten, der erfindungsgemäße Durchflußmesser enthält eine zweite queijverlaufende und bezüglich des Winkels diskrete Msgnetflußquelle, die als zweite Quellenanordnung bezeichnet werden kann, und einen Magnetflußleiter, der in Verbindung mit der Turbine winkelmäßig versetzt ist, und einen zweiten Magnetflußdetektor, der am Gehäuse angeordnet ist und ein zweites Ausgangssignal liefert, wenn die zweite Quellenanordnung und der Leiter quer winkelmäßig fluchten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

In den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Längsschritt eines Massendurchsatz-Flußmessers nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Endansicht des Flußmessers nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung der Ausgangssignale der Abtasteinrichtungen des Flußmessers nach Fig. 1; und

ee

-c

Fig. 1 zeigt beispielsweise einen Flußmesser, der dem aus der US-PS 3 538 767 bekannten Flußmesser ähnlich ist und ein Gehäuse mit einem Einlaßendteil 12 und einem Auslaßendteil 14 aus Nichteisenmaterial enthält, wobei diese Teile durch eine Vielzahl von Kopfschrauben 16 zusammengehalten sind und durch einen O-Ring 18 abgedichtet werden, wobei eine gemeinsame Längsachse 20 vorhanden ist. Eine erste Spule 22 mit Leitern 22a und 22b, deren Längsachse mit der Achse 20 zusammenfällt, ist in einem magnetischen Schirm befestigt, der an seiner inneren Zylinderwand 26 offen ist und an einem Arm 28 befestigt ist, der mit einem Flansch des Teils 14 verbunden ist. Eine zweite Spule 32 mit Leitungen 32a und 32b besitzt eine Längsachse, die senkrecht zur Achse 20 verläuft und ist an einem Schirm 34 befestigt, der an seiner Innenwand 36 offen ist und an einer Hülle befestigt ist. Die Spule 32 ist an einem Arm 38 befestigt. Die beiden Leitungen 22a und 22b der Spule 22 und die beiden Leitungen 32a und 32b der Spule 32 sind mit entsprechenden Kontakten eines Steckers 40 verbunden. Der Stecker 40 ist an der Hülle oder dem Mantel 42 befestigt, der am Teil 12 befestigt ist, zwei Spulen umschließt und durch zwei O-Ringe 44 und 46 dicht mit dem Teil 12 verbunden ist.

Innerhalb des Gehäuses ist durch einen Haltering 52 eine innere Anordnung umschlossen und durch zwei O-Ringe 53 und 54 zentriert. Die innere Anordnung enthält eine hintere Abstützanordnung, die eine stationäre,ringförmige Scheibe mit mehreren radialen Streben enthält, um eine zentrale Scheibe 58 zu halten, von der sich eine felle 60 in Längsrichtung erstreckt. Eine vordere Abstützanordnung enthält einen stationären Ring 62 mit einer anfänglichen inneren

7731145 06.0478

■ · I * * ι

konischen Oberfläche 64 und einer sich daran anschließenden inneren zylindrischen Oberfläche 66. Ein Wirbel- oder Drallgenerator 68 mit abgeschrägten Blättern ist durch eine Vielzahl von Streben 70 am Ring 62 befestigt und besitzt eine Bohrung 72, die das vordere Ende der Welle 60 aufnimmt, die mittels einer Stiftschraube oder Stifts 74 hierin angeordnet wird. Mehrere sich in Längsrichtung erstreckende Flügel oder Blätter 76 erstrecken sich von dem zentralen Stab 78, der mit einer Gegenbohrung versehen ist und am Ring 62 und dem Wirbelgenerator 68 durch eine Mutter 80 auf dem Stift 64 befestigt ist. Ein mit einem Flansch versehener Ring 82 besitzt eine befestigte geschlitzte Leitung 84, die eine Vielzahl von Federfingern aufweist, die den Wirbelgenerator umgeben; der Ring 82 paßt auf einen zweiten, mit einem Flansch versehenen Ring 86 und wird zwischen dem Ring 62 und den Flügeln 76 befestigt.

Ein Rotor 88 ist auf der Welle 60 drehbar mittels zweier Kugellager 90 und 92 gelagert. Eine Turbine 94 ist mittels zweier Kugellager 96 und 98 drehbar auf der Welle 60 gelagert. Drucklager 100,102 und 104 beabstanden den Rotor und die Turbine längs der Welle. Ein Arm 106 ist an der rückseitigen Fläche der Turbine befestigt. Eine Welle 108 ist an der feststehenden Scheibe 58 befestigt. Eine Schraubenfeder 110 aus einem flachen Band ist zwischen dem Arm und der Welle befestigt.

Der Rotor 38 enthält eine innere Nabe 112, einen äußeren Ring 114 und mehrere Röhren 116, die hierzwischen eng in eine ringförmige Reihe gepackt sind. Ein vorderer Ring 118 ist am Ring 114 befestigt und klemmt einen ersten Permanentstabmagneten 120 in die Peripherie des Rotors. Der Magnet ist mit seiner magnetischen Nord-Südachse derart angeordnet, daß diese Achse in einer Ebene liegt, die eine Sehne am Umfang des Rotors darstellt und auf einer Ebene angeordnet ist,

7731145 06.04.78

die quer zur Achse 20 verläuft. Ein hinterer Ring 122 ist am Ring 114 befestigt und klemmt einen zweiten Permanentmagnetstab in den Umfang des Rotors. Dieser Magnet ist ebenfalls mit seiner magnetischen Nord-Südachse derart ausgerichtet, daß diese Achse in einer Ebene liegt, die eine Sehne am Umfang des Rotors darstellt und in einer Ebene angeordnet ist, die quer zur Achse 20 verläuft.

Die Turbine 94 enthält eine innere Nabe 126, einen äußeren Ring 128 und eine Vielzahl von Röhren 130, die dazwischen dicht in einer ringförmigen Reihe angeordnet sind. Ein vorderer Ring ist am Ring 128 befestigt, es lassen sich diese Ringgewichte hinzufügen oder entfernen, um die Turbine abzugleichen. Ein Längsschlitz 130 ist in der Peripherie der Turbine vorgesehen, und in diesem Schlitz ist ein Weicheisenstab 132 angeordnet und durch eine Schraube 134 gehalten. Die Querebene, in der der erste Stabmagnet 120 liegt, schneidet ferner die Längsachse der radial ausgerichteten Abtastsspule 32. Jedesmal, wenn der Magnet an der Spule vorbeiläuft, entwickelt er einen Impulszug, der in Fig. 3 dargestellt ist, wobei zuerst das Feld eines Pols vorbeiläuft und einen ersten Spannungsimpuls induziert und anschließend die Änderung des Feldes vorbeiläuft und einen zweiten größeren Spannungsimpuls entgegengesetzter Polarität induziert, wobei schließlich das Feld des anderen Pols einen dritten Spannungsimpuls induziert, der dem ersten Spannungsimpuls ähnlich ist. Die absolute Spannungsdifferenz zwischen dem Scheitelwert des zweiten Impulses und den Scheitelwerten des ersten und dritten Impulses ist wesentlich größer als ein Impuls, der durch einen ähnlichen Magneten erzeugt wird, der radialjorientiert derart angeordnet ist, daß ein vorbeilaufendes Feld nur durch einen Pol geliefert wird.

7731145 06.04.78

• 4 f · · t · ·

.· .' Al

• · ι ■ ·

Die Querebene, in der der zweite Stabmagnet 124 liegt, und der Zylinder, in dem der Weicheisenstab 132 liegt, liegen beide innerhalb der Länge der kreisförmig umlaufenden Abtast spule 22. Wenn der Stabmagnet 124 den Eisenstab 132 passiert, wirkt der Stab als magnetischer Leiter für die Felder des Stabmagneten und erzeugt ebenfalls einen ersten, einen zweiten und einen dritten Spannungsimpuls in der Spule 22 aufgrund des ersten Felds, der Feldänderung bzw. des zweiten Felds, vgl. Fig. 3.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der erste und der zweite Stabmagnet in der Peripherie des Rotors um 180° gegeneinander versetzt angeordnet, und der Eisenstab ist 180° von der radialen Abtastsspule weg angeordnet, wenn die Turbine sich in freiem oder Null-Fluidströmungszustand befindet. Beim Zustand vernachlässigbarer Strömung treten daher die durch den ersten und den zweiten Stabmagneten in den entsprechenden Abtastspulen erzeugten Impulsgruppen gleichzeitig auf. Wenn die Turbine winkelmäßig versetzt wird, werden die Impulsgruppen zeitlich versetzt. Jede vollständige Umdrehung des Rotors liefert einen Ablauf der Impulsgruppe in jeder Spule.

Der Betrieb des Massendurchsatz-Flussmessers läßt sich fol-

gendermaßen erläutern :

Fluidströmung fließt ein, an den Flügeln oder Blättern vor- j bei, über den Wirbelgenerator 68 und wird mit einer im wesentlichen konstanten Winkelgeschwindigkeit beaufschlagt. Die rotierende Fluidströmung tritt in die Durchgänge des Rotors ein, die durch die Röhren 116 gebildet werden und bewirkt, ■ daß sich der ungehemmt bewegliche Rotor mit der mittleren ! Geschwindigkeit der Strömung dreht. Die Winkelgeschwindigkeit \ des Rotors stellt genau die Winkelgeschwindigkeit der Fluid- j

7731145 06.0478

Strömung dar, wenn die Fluidströmung den Rotor verläßt und in die Durchgänge der Turbine eintritt, die durch die Röhren 130 gebildet sind.

Das Winkelmoment oder Drehimpuls der Fluidströmung versetzt die Turbine winkelmäßig gegen die Vorspannung der Schraubenfeder 110, wobei die Turbine unter stationären Strömungsbedingungen stationär verharrt, wobei der Drehimpuls vollständig von der Fluidströmung genommen ist.

Gemäß dem zweiten Newton'sehen Gesetz ist ein Fluiddrehmoment Tp in der Turbine vorhanden, welches proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des Winkelmoments oder Drehimpulses ist:

(D

cc Μ·(ί>

wobei Tp = das in der Turbine durch die Fluidströmung erzeugte Drehmoment,

M = Massendurchsatz der Fluidströmung, und CO = Winkelgeschwindigkeit der Fluidströmung, die den Rotor verläßt und in die Turbine eintritt.

Unter dem Einfluß des Fluidmoments T„ wird die Turbine winkelmäßig versetzt, bis das Drehmoment der Begrenzungsfeder 110 gleich und dem Fluiddrehmoment entgegengesetzt ist und die Turbine unter stationärer Strömung abgeglichen ist.

(2)

^TS<*

wobei Τ« = das von der Feder erzeugte Drehmoment θ = Auslenkwinkel der Feder.

7731145 06.04.78

- 10 -

Im stationären, abgeglichenen Zustand können die Gleichungen (1) und (2) gleichgesetzt werden, woraus sich ergibt:

be©·

zu irgendeiner Zeit T_p und T_g nicht gleich sind, wird durch diese Differenz im Drehmoment die Turbine solange bewegt, bis der Abgleich der Drehmomente wieder hergestellt ist.

Die Abtast/Ausleseeinrichtung mißt die Zeit, die für einen Referenzpunkt auf dem Rotor erforderlich ist, um sich über den Versetzungswinkel θ der Turbine hinwegzubewegen. Dann gilt

(₄) θ= cü-Δτ

wobei W = Rotor-Winkelgeschwindigkeit, wie für Gleichung

(D
Ai: = verstrichene Zeit.

Aus den Gleichungen (3) und (4) ergibt sich:

und (5) MiX t

Die in Fig. 1 dargestellte Abtast/Ausleseeinrichtung enthält den Magneten 120 und dessen Abtastspule 32, und den Magneten 124, den Eisenstab 132 und dessen Abtastspule 22. Andere Einrichtungen zum Nachweis oder Feststellen des Magnetflusses können anstelle der Spulen verwendet werden. Ferner

7731145 06.04.78

t ■ · - ■ * * ft »

- 11 -

können andere Quellen und Detektoren, Quellen, Magnetfeldleiter und Detektoren verwendet werden. Eine einzige Quelle, die vom Rotor getragen wird, läßt sich an die Stelle der beiden dargestellten Quellen 120 und 124 bringen.

Die Winkelstellung der Turbine kann durch Verwendung des Eisenstabs 152 identifiziert werden. Die Nullablenk-Winkel- , Stellung der Turbine, d.h. der Eisenstab und die Winkelstellung der Abtastspule 32_;besitzen eine feste, bekannte Beziehung, und die beim Vorbeilaufen des Magneten 120 an der Spule 32 erzeugte Impulsgruppe ergibt daher eine Anzeige bezüglich des Starts des Versetzungswinkels Θ. Der Magnet 123 und der Magnet 20 besitzen eine feste, bekannte Beziehung zueinander, und die durch das Vorbeilaufen des Magneten am Eisenstab 132 erzeugte Impulsgruppe liefert daher eine Anzeige bezüglich des Endes des Versetzurigswinkels Θ.

Wenn der Massendurchsatz zunimmt, nimmt der Versetzungswinkel θ zu, und die Zeitperiode zwischen den beiden Impulsgruppen nimmt zu. Diese Zritperiode ist proportional zum ( Massendurchsatz, wie durch Gleichung (5) gezeigt ist.

7731145 06.0478

Claims

Schutzansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung des Massendurchsatzes mit einem Gehäuse und einer Einrichtung, um eine Fluidströmung zu leiten, mit einem Element - im folgenden erstes bewegliches Element bezeichnet - das mit der mittleren Winkelgeschwindigkeit der Fluidströmung rotiert, mit einer Einrichtung zur Aufnahme der Fluidströmung und zur Beseitigung im wesentlichen der gesamten Winkelgeschwindigkeit, wobei die Einrichtung zur Aufnahme der Fluidströmung ein Element - im folgenden als zweites bewegliches Element bezeichnet - mit einer gewissen Winkelausrichtung für ein bestimmtes Winkelmoment oder Drehimpuls der Fluidströmung enthält, wobei das zweite bewegliche Element winkelmäßig von der bestimmten Winkelausrichtung versetzt werden kann und die Versetzung eine Funktion der zeitlichen Änderung des Drehimpulses der Fluidströmung bezüglich des ersten Drehimpulses ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Magnetflußquelle (120) am ersten beweglichen Element (88) befestigt ist und sich mit dem ersten beweglichen Element (88) dreht, daß ein erster

Flußänderungsdetektor (32) in einer ersten radialen Ausrichtung am Gehäuse "befestigt ist und das Vorbeilaufen der ersten Magnetflußquelle (120) an der radialen Orientierungsstelle feststellt, daß ein zweiter Flußänderungsdetektor (22) am Gehäuse (12, 14, 28) befestigt ist und eine bestimmte Ausrichtung bezüglich der Einrichtungen ( 94) zur Aufnahme der Fluidströmung besitzt, wobei der zweite Flußänderungsdetektor (22) eine Änderung im Magnetfluß feststellt, daß eine zweite Magnetflußquelle (124, 132) mit zwei magnetischen Elementen vorgesehen ist—die nachfolgend als erstes und zweites magnetisches Element bezeichnet werden— daß das erste magnetische Element(i24) am ersten beweglichen Element (88) befestigt ist und zusammen mit dem ersten beweglichen Element (88) umläuft, daß das zweite magnetische Element (132) am zweiten beweglichen Element (94) befestigt ist und mit diesem winkelmäßig versetzbar ist, wobei eine Flußänderung induziert wird, wenn das erste und das zweite magnetische Element (124, 132) sich in einer gewissen Ausrichtung befinden»und diese Flußänderung durch den zweiten Flußänderungsdetektor ' ■' (22) festgestellt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das erste bewegliche Element (88) und das zweite bewegliche Element (94) sich um eine gemeinsame Längsachse (20) drehen, daß die erste Magnetflußquelle j (120) als ein erster Stabmagnet ausgebildet ist, dessen magnetische Polachse in einer Ebene, die senkrecht zur gemeinsamen Längsachse (20) verläuft, und längs einer Sehne liegt, die senkrecht zu einem Strahl verläuft, der von der gemeinsamen Längsachse (20) herkommt.

7731145 06.04.78

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Flußänderungsdetektor (32) als eine erste Spule ausgebildet ist, die um eine erste Spulenachse gewickelt ist, welche längs eines Strahls verläuft, dessen Zentrum die gemeinsame Längsache (20) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

daß das erste magnetische Element (124) als ein weiterer Stabmagnet (124) ausgebildet ist, dessen magnetische Polachse in einer Ebene, die senkrecht zur gemeinsamen Längsachse (20) verläuft, und längs einer Sehne liegt, die senkrecht zu einem Strahl oder Radius verläuft, der von der gemeinsamen Längsachse (20) herkommt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß das zweite magnetische Element (132) als Magnetflußleiter ausgebildet ist, der im wesentlichen dieselbe radiale Entfernung von der gemeinsamen Längsachse (20) wie die magnetische Polachse des anderen Stabmagneten (124) besitzt, wobei der Magnetflußleiter (132) Fluß von dem anderen Stabmagneten (124) leitet, wenn der Magnetflußleiter und der andere Magnetstab dieselbe Winkelorientierung zur gemeinsamen Längsachse (20) besitzen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Flußänderungsdetektor (22) als eine zweite Spule (22) ausgebildet ist, die um eine zweite

7731145 O6.0A.78

ι · · ι t « c

¹D

Spulenachse gewickelt ist, welche längs der gemeinsamen Längsache (20) verläuft»

7731145 06.04.78