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Verfahren zur Mittelwertbildung aus zeitlich stark veränderlichen
Werten einer Meßgröße, insbesondere zur Messung schwingender Strömungen
Bei der Erfassung
von Meßwerten, die kurzzeitig starken Änderungen unterliegen, stößt eine Mittelwertbildung
über bestimmte Zeiträume und eine Benutzung dieser Mittelwerte als Impuls für Regler
auf besondere Schwierigkeiten. Eine beliebige Dämpfung der Zeigerbewegung, z.B.
durch Reibung, kann zwar zur Einstellung einer gleichmäßigen Anzeige führen.
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Diese erfüllt aber nicht ohne weiteres die Bedingung, daß die Über-
und Unterschreitungen dieser Anzeige durch die tatsächlichen Werte über die Zeit
integriert sich aufheben bzw. gleich Sull sind. Das im folgenden beschriebene \'erfahren
erfüllt diese Bedingung. Erfindungsgemäß wird die Bewegung des den Mittelwert anzeigenden
Gliedes so beeinflußt, daß dessen Geschwindigkeit dem Unterschied verhältnisgleich
ist, der jeweilig zwischen dem tatsächlichen Meßwert und dem angezeigten Wert besteht.
In diesem Falle ist der Weg, den der Zeiger während einer Überschreitung des angezeigten
Wertes durch die tatsächlichen Werte zurücklegt
Darin bedeuten s den Weg des Zeigers, c einen von der Art der Dämpfung abhängigen
konstanten Bei wert, A die jeweilige Überschreitung des angezeigten Wertes durch
den tatsächlichen, dt das Differential der Zeit.
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Bei einer Unterschreitung des angezeigten Wertes wird ein entsprechender
Weg in entgegengesetzter Richtung zurückgelegt. Durch geeignete Bemessung des Beiwertes
werden die Wege klein gehalten, so
daß der Zeiger praktisch einen
Wert anzeigt, für welchen das Integral
(Summe der Über-und Unterschreitungen) gleich Null wird.
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Das oben beschriebene Verfahren läßt sich für das gesamte Gebiet
der MeB und Regeltechnik anwenden.
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Es soll im folgenden an einigen Beispielen der Strömungsmessung erläutert
werden.
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In Abb. I ist die Welle I mit einem Strömungsmesser so verbunden,
daß der Ausschlagwinkel der Welle jeweils der durch eine Leitung strömenden Menge
verhältnisgleich ist.
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Es ist vorausgesetzt, daß sich die Welle unter dem Einfluß der schwingenden
Strömung so schnell hin und her bewegt, daß eine unmittelbare Anzeige nicht möglich
ist. Die Welle 1 trägt einen Hebel 2 aus Federstahl mit einer Bohrung 3. Durch diese
geht ein Ring 4, der mittels der Querverbindung 5 auf der Welle I frei drehbar gelagert
ist. Wenn die Welle I und der Hebel 2 sich drehen, wird vermittels der Anschläge
6 und 7 ein Drehmoment auf den Ring 4 ausgeübt. Der Federhebel 2 ist so geeicht,
daß dieses Drehmoment dem Ausschlag des Hebels 2 gegenüber dem Ring 4 verhältnisgleich
ist. Andererseits ist die Federkraft so schwach, daß sie die Schwingungen der Welle
I nur unwesentlich beeinflußt. Am unteren Ende greift der Ring 4 mit einer Verzahnung
8 in die Verzahnung g der Kolbenstange 10 ein, die einen mit kapillaren Öffnungen
II versehenen Kolben 12 trägt.
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Dieser bewegt sich in dem mit Ö1 gefüllten Zylinder I3.
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Macht nun die Welle I eine Drehung, so wird der Federhebel 2 gebogen.
Der Ring 4 kann dieser Bewegung nur so schnell folgen, wie das Öl durch die Kapillaröffnungen
II strömt, d. h. gemäß der Charakteristik der Feder 2 mit einer Geschwindigkeit,
die dem Ausschlagwinkel der Welle I verhältnisgleich ist.
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Der Weg, den der Kolben zurücklegt, bzw. die entsprechende kleine
Drehung des Ringes 4, ist also dem Produkt aus der Größe und der Zeit des Ausschlages
der Welle I verhältnisgleich. Der Kolben kommt praktisch zur Ruhe, wenn die Summe
aller Wege des Kolbens gleich Null ist, d. h. die Summe aller Produkte (Integrale)
aus Größe und Zeit der Ausschläge der Welle I gleich Null ist. Dann ist aber auch
die Summe aller Abweichungen der Menge des strömenden Mittels vom Mittelwert gleich
Null. Ein mit dem Ring 4 verbundener Zeiger gibt demnach die Menge des strömenden
Mittels an. Den Grad der Dämpfung kann man durch die Anzahl der kapillaren Offnungen
ii einstellen. Werden größere Öffnungen vorgesehen, muß die Charakteristik der Feder
2 entsprechend geändert werden, z. B. so, daß das auf dem Ring 4 ausgeübte Drehmoment
dem Quadrat des Ausschlags des Hebels 2 verhältnisgleich ist.
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Es sind noch zahlreiche andere Ausführungsarten der Dämpfung möglich,
auch solche, bei denen die Welle I und der Strömungsmesser die Schwingungen selbst
nicht mitmachen, sondern unmittelbar den Mittelwert anzeigen. Zu diesem Zweck muß
z. B. in Abb. I der Ring 4 starr mit der Welle I verbunden werden. Diese kann andererseits
mit einer Pendelklappe eines Strömungsmengenmessers verbunden sein. Das von dem
strömenden Mittel auf die Pendelklappe ausgeübte Drehmoment wird dadurch aufgehoben,
daß in die linke Seite des Zylinders I3 durch eine Pumpe eine je Zeiteinheit konstante
Menge 01 fortlaufend eingeführt, welche durch die Öffnungen II des Kolbens 12 auf
die andere Seite des Zylinders 13 und von dort zur Pumpe zurückfließt. Bei schwingender
Strömung bzw. Ausübung der entsprechenden zeitlich veränderlichen Drehmomente durch
einen Strömungsmesser auf die Welle 1 begibt sich diese in eine mittlere Lage, bei
welcher die Summe der Über-und Unterschreitungen des Mittelwertes durch das strömende
Mittel gleich Null ist, da die Geschwindigkeit, mit welcher der Kolben abwechselnd
nach links und nach rechts bewegt wird, jeweils der Durchflußmenge verhältnisgleich
ist, um welche der Mittelwert über- bzw. unterschritten wird.
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Die oben beschriebene Einrichtung eignet sich besonders in Verbindung
mit Strömungsmessern, bei welchen der Differenzdruck an einer Drosselstelle im gesamten
Meßbereich konstant gehalten wird und die Drosselöffnung bei Änderung der Strömung
geändert wird. Er läßt sich bei zweckentsprechender Ausgestaltung aber auch in Verbindung
mit solchen Strömungsmessern verwenden, bei welchen die Drosselöffnung konstant
und der Difierenzdruck veränderlich ist.
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Ein weiteres Anwendungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Gedanken,
wonach die Geschwindigkeit der Bewegung einer Anzeigevorriclltung dem Unterschied
verhältnisgleich sein soll, um welche der jeweilige Meßwert vom angezeigten Mittelwert
abweicht, ist in Abb. 2 dargestellt. Durch die Leitung 14 und die Drossel 15 fließt
beispielsweise Preßluft, die in einem Kolbenkompressor erzeugt wird und deshalb
mit normalen Strömungsmessern nicht meßbar ist. Der Druck vor und hinter dem Staurand
15 wird durch die Leitungen I6 und 17 in die Räume I8 und 19 übertragen. Diese sind
zum Teil mit einer Flüssigkeit angefüllt. Die Flüssigkeitsspiegel werden durch die
Schwimmer 20 und 2I und die mit diesen starr verbundenen Ventile 22 und 23 immer
auf konstanter Höhe gehalten. Die Räume 18 und 19 sind durch eine Leitung 24 mit
einem Staurand 25 miteinander verbunden. Durch die Leitung 26 wird die Flüssigkeit
mittels einer Pumpe 27 und dem Motor 28 aus dem Gefäß 29 in dem Maße in den Raum
I8 gedrückt, wie der Schwimmer 20 und das Ventil 22 dieses zulassen. Durch das Ventil
23 gelangt das Wasser in die Leitung 30, in welcher sich eine Drossel 3I befindet.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Infolge des höheren
Druck es im Raum I8 strömt die Flüssigkeit durch den Staurand 25 in den Raum I9,
und zwar ist dieser Strom dem Strom in der Hauptleitung 14 verhältnisgleich. Über
der Düse 3I sammelt sich das Wasser. Die Höhe des Wasserstandes ist ein Maßstab
für die mittlere Strömungsmenge, denn die mittlere Durchflußgeschwindigkeit durch
die Düse 3I ist verhältnisgleich dem Wert 1 hrn, worin hm die Höhe der Wassersäule
im Rohr 30 ist. Mit einer verhältnisgleichen Geschwindigkeit bewegt sich der Wasserspiegel
über der Düse 3I nach unten. Die durch das Ventil 23 zulaufende Wassermenge ist
jeweils der Strömungsmenge in der Leitung 14 bzw. dem Aus-
druck
1k verhältnisgleich, wobei h der am Staurand 15 und dem Staurand 25 herrschende
Druckunterschied ist. Durch den Zulauf des Wassers bewegt sich der Wasserspiegel
über der Düse 3I nach oben mit einer Geschwindigkeit, welche dem Wert Yh verhältnisgleich
ist. Die tatsächliche Geschwindigkeit, mit welcher sich der Wasserspiegel bewegt,
ist also verhältnisgleich dem Ausdruck Wh l/hm und damit ist wieder die Bedingung
erfüllt, daß die Geschwindigkeit der Anzeigevorrichtung der Abweichung des tatsächlichen
Wertes vom Mittelwert verhältnisgleich ist. Ein auf diesem Spiegel angebrachter
Schwimmer würde also den Mittelwert der durch Leitung 14 strömenden Menge anzeigen.
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Die oben wiedergegebenen Beispiele beschränken sich auf hydraulische
Lösungen des Problems. Es sind aber auch mechanische und elektrische Lösungen für
das Erfindungsprinzip möglich.