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Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit von strömenden Medien
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit von
strömenden Medien, wie Gasen oder Flüssigkeiten, die gegehellellfalls so ausgetaltet
werden kann, daß eine Anzeige des Meßergel>nisses auf elektrischem Wege erfolgt.
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Es sind bereits mit elektrischer Anzeige arleitende Schwimmermesser
bekannt, bei denen der Schwimmerstand durch einen Hebelmechanismus über eine Stopfbüchse
nach außen geleitet wird, sowie solche, bei denen die Übertragung über eine magnetische
Kupplung erfolgt, die einen elektrischen Fernsender beeinflußt. Diese bekannten
Vorrichtullgell sin(l je(locll mit Nachteilen verhunden. Die Anzeige ist oftmals
ungenau und Rei-I,ungsfehlern unterworfen. Der Grund hierfür liegt vielfach darin,
daß die bauliche Ausbildung des Schwimmers nicht immer den Erfordernissen der Praxis
entspricht, indem beispielsweise der Schwimmer sich in dem strömenden Medium nicht
stabil genug verhält und dadurch eine fehlerhafte Anzeige verursacht wird.
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Es hat sich nun herausgestellt, daß man die aufgezeigten Nachteile
beseitigen und eine einwandfreie, fehlerlose Messung und einfache Anzeige der Geschwindigkeit
strömender Medien erreichen kann, wenn die Vorrichtung unter Verwendung eines von
diesen Medien durchflossenen konischen Rohres, in dem sich ein Schwimmer in seiner
Lage entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit einstellt, erfindungsgemäß so gestaltet
wird, daß der in dem konischen Rohr rotierende, ganz oder teilweise aus einem ferromagnetischen
Metall verfertigte Schwimmer aus einem zylindrischen Teil zweckmäßig von mindestens
der anderthalbfachen Länge des Rohrdurchmessers besteht, der an seinen
beiden
Enden mit schräggestellten Kerben versehene und durch aufgedrehte konische Endstücke
strömungsmäßig verkleidete Scheiben besitzt.
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Als ferromagnetisches Material für den Schwimmer kommen z. B. Eisen,
Nickel oder Kobalt in Betracht, aus denen er gänzlich hergestellt sein kann. Es
genügt aber auch, wenn man nur einen Teil aus solchem Metall verfertigt, zweckmäßig
in der Weise, daß man einen Stab aus ferro magnetischem Metall im Innern des aus
einem anderen Material bestehenden Schwimmers anordnet. Wenn gegebenenfalls wegen
der chemischen Angreifbarkeit der Metallstab nicht unmittelbar mit dem zu messenden
Medium in Berührung kommen darf, so kann er auch in geeigneter Weise mit einer schützenden
Umkleidung, z. B. aus Kunststoff, versehen sein.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, aus Gründen der Rotationsstabilisierung
die Scheiben an den beiden Enden des zylindrischen Teils des Schwimmers so auszugestalten,
daß sich ihre Durchmesser annähernd proportional der Steigerung des Rohrdurchmessers
verhalten.
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Abb. 1 stellt eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung dar.
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In dem konischen Rohr I befindet sich ein Schwimmer, bestehend aus
dem zylindrischen Teil 2, an dessen Enden die Scheiben 3 mit Kerben 4 und den konischen
Endstützen 5 angesetzt sind. Im Innern ist ein Eisenstab 6 angeordnet.
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Eingehende Versuche haben ergeben, daß der erfindungsgemäß vorgeschlagene
Schwimmer stabil und gleichmäßig arbeitet, so daß auch in den Fällen, in denen auf
eine elektrische Anzeige kein Wert gelegt wird, die neue Meßvorrichtung mit besonderem
Vorteil verwendet werden kann.
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Zur elektrischen Anzeige der Messungen gestaltet man die erfindungsgemäß
vorgeschlagene Vorrichtung derart aus, daß man um die beiden Enden des konischen
Rohres, in dem sich der Schwimmer entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit einstellt,
Spulen anordnet, die als die beiden Zweige einer Wechselstrombrücke geschaltet sind.
Die Länge der Spulen wird zweckmäßig etwa gleich der Längenausdehnung des ferromagnetisch
wirksamen Teils des Schwimmers gehalten. Die Brücke wird durch zwei weitere Widerstände
ergänzt, und zwischen den beiden Mittelpunkten der Zweige wird dann die Spannung
gemessen.
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Beim Durchströmen von Flüssigkeit durch den Messer wird je nach der
Lage des Schwimmers der induktive Widerstand beider Spulen mehr oder weniger stark
beeinflußt, d. h. die Brücke wird mehr oder weniger stark verstimmt, so daß die
Anzeige am Nullinstrument der Schwimmerstellung proportional verläuft.
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Als Anzeigeinstrument in der gezeigten Schaltung ist ein elektrodynamisches
Gerät erforderlich, dessen Ausschlagsrichtung von der Phasenlage des Stromes durch
die Spulen abhängig ist. Das Instrument zeigt dann keinen Ausschlag, wenn der Schwimmer
zwischen beiden Spulen steht, und schlägt nach der einen Seite aus, wenn der Schwimmer
nach unten geht und nach der anderen Seite, wenn der Schwimmer über die Mittellage
ansteigt.
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Um einen linearen Zusammenhang zwischen Schwimmerstand und Anzeige
zu erreichen, hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, die Spulenwicklung
in der Mitte zu schwächen, d. h. die Spulen nicht voll zu wickeln, sondern das magnetische
Feld der Spulenmitte in geeigneter Weise berabzusetzen. Dies kann zweckmäßig dadurch
geschehen, daß in der Mitte der Spule auf einer Länge von IO bis 400/0 insgesamt
IO bis I4°/o der Spulenwicklung in Fortfall kommt. Man kann dies erreichen, indem
man z. lA. die spulen aus je zwei gleichmäßig gewickelten Teilspulen zusammensetzt,
die um etwa 1/to der Gesamtlänge auseinanderstehen, oder aber, indem man die Spulen
durchlaufend wickelt und dann in der Mitte auf einer entsprechend größeren Länge
den entsprechenden Teil der Spulenwicklung fortläßt.
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Weiterhin hat es sich für manche Zwecke als vorteilhaft herausgestellt.
die leiden Spulen in eine Brücke zu schalten, deren Gegenzweig so bemessen ist,
daß bereits bei tiefster Schwimmer stellung eine zweckmäßig kleine Spannung vorhanden
ist, wobei der elektrische Vektor des zweiten Brückenmittelpunktes so gelegt wird,
daß eine möglichst weitgehende Kompensation der Verzerrung des verwendeten leßinstruments
und der Solenoidanordnung erreicht wird.
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Zur Stabilisierung des Brückenstroms kann es zweckmäßig sein, elektrische
Mittel, wie Eisenwasserstofflampen oder Sl,annun:skotlstanthalter, zu verwenden.
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Es ist noch zu berücksichtigen, daß das Magnetfeld der Spulen eine
gewisse Rückwirkung auf den Schwimmer selbst ausübt. Mit Rücksicht hierauf wählt
man zweckmäßig die Strombelastung der Spulen derartig, daß an keiner Stelle des
Magnetfeldes eine Kraft auftritt, die den Betrag von etwa I50/o des Schwimmergewichtes
erreicht.
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Durch Verwendung eiiies an sich bekannte schreibenden Gerätes können
die Meßergebnisse fortlaufend aufgezeichnet werden.
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Abb. 2 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform der ausgestalteten
Vorrichtung zur elektrischen Anzeige der Messungen. Das Medium, dessen Strömungsgeschwindigkeit
gemessen werden soll, fließt durch das konische Rohr 7, in dem es entsprechend seiner
Geschwindigkeit den Schwimmer 8 bis zu einer bestimmten Höhe emporhebt.
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Die beiden Spulen g und IO sind an den Enden des konischen Rohres
7 angeordnet und bilden zusammen mit den Widerständen 1 1 und I2 die Zweige einer
Wechselstrombrücke, die von der Wechselstromquelle I6 gespeist wird. Mit I7 ist
eine Eisenwasserstofflampe zur Stabilisierung des Brückenstroms bezeichiiet. Zwischen
den beiden Mittelpunkten 13 und Iq der Brückenzweige wird mittels des Instrumentes
15 die Spannung gemessen, diese ändert sich mit der Änderung der Selbstinduktion
der Spulen 9 und Io entsprechend dem Stand des Schwimmers 8.
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In Abb. 3 sind die elektrischen Werte näher er-
läutert.
Hier ist durch U die Brückenspannung dargestellt, und die an der Mitte zwischen
beiden Spulen liegende Spannung nach Richtung und Phasenlage durch die verschiedenen
Punkte I', 2', 3,, 4,, 5,, 6', 7' eingezeichnet, denen die Schwimmerstellungen I"
(ganz unten) 2", 3", 4", 5", 6", 7" (ganz oben) entsprechen mögen. Das Anzeigeinstrument
liegt mit seiner einen Seite an U/2 (Mitte des anderen Brückenzweiges) und U (m)
(Mittelpuiikt der beiden Induktionsspulen). Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß
hier ein elektrodynamisches (phasenabhängiges) Instrument erforderlich ist, damit
eine eindeutige Anzeige erfolgt.
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Damit nun die Messung mit einem gewöhnlichen Wechselstrommeßinstrument
(Weicheisen- oder Drehspulgerät mit Gleichrichter) erfolgen kann, wird mit Abb.
4 der Vergleichszweig der Brücke dergestalt abgestimmt, daß der Vergleichspunkt
etwa an die Stelle A zu liegen komme. Dann nimmt bei Änderung der Schwimmerstellung
die am Meßinstrument liegende Spannung eindeutig zu, so daß auch ein eindeutiger
Zusammenhang zwischen Stellung des Schwimmers und Ausschlag am Meßinstrument erfolgt.
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PATENTANSPRXJCHE I. Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit von
strömenden Medien, wie Gasen oder Flüssigkeiten, unter Verwendung eines von diesen
durchflossenen konischen Rohres, in dem sich ein Schwimmer in seiner Lage entsprechend
der Strömungsgeschwindigkeit einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem konischen
Rohr rotierende, ganz oder teilweise aus einem ferromagnetischen Metall verfertigte
Schwimmer aus einem zylindrischen Teil zweckmäßig von mindestens der anderthalben
Länge des Rohrdurchmessers besteht, der an seinen beiden Enden mit schräggestellten
Kerben versehene und durch aufgedrehte konische Endstücke strömungsmäßig verkleidete
Scheiben besitzt.