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Vorrichtung zum Messen der Menge eines durch eine Leitung strömenden
Mittels
-Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der
Menge eines durch eine Leitung strömenden Mittels mit Hilfe einer in der Leitung
angeordneten, durch das- Mittel angetriebene Turbine und eines von dieser angetriebenen
elektrischen Generators. Die Erfindung ist bes-onders bestimmt zum Messen der durch
eine Leitung strömenden Wassermenge im Verein mit einer Temperaturmeßvorrichtung
zur Bestimmuri-g der in einem Heizsystem, beispielsweise einer Warmwasseranlage,
verbrauchten Wärmemenge, die das Produkt aus- der während einer bestimmten Zeit
durch das System strömenden Wassermenge und dem dabei entstehenden Temperaturabfall
bildet.
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Bekannte Wärmemengenmesser der hier in Frage stehenden Art bestehen
in: der Regel aus einer~ sog.-Woltmannturbine. mit deren Hilfe ein elektrischer
Strom erzeugt wird, der proportional zur Wassermenge ist und mechanisch, z. B mit
-Hilfe - eines Uhrwerks, Hebelgestänges, Fallbügelgestänges od. dgl. oder elektrisch,
z. B. mit Hilfe einer elektriscben Waage, Wheatstoneschen Brücke od dgl so mit dein
durch ein Thermometer, Widerstandsthermometer oder Thermoelement gemessenen-Temperaturabfall
multipliziert wird, daß das Ttrtegral des Produktes, d.- h. Wassermenge mal Temperaturunterschied,
die verbrauchte Wärmemenge darstellt. Derartige Vorrichtungen weisen jedoch eine
Reihe von Nachteilen und Mängeln auf, die der Verwendung dieser Wärmemesser in größerem
Ausmaß im Wege stehen. Von diesen Nachteilen seien- folgende angeführt.-
Die
Bewegungsübertragung von der vom Wasser durchströmten Leitung nach außen muß durch
Dichtungseinrichtungen erfolgen, die sowohl Reibungs- als auch Undichtigkeitsverluste
mit sich führen, welche die Meßgenauigkeit beeinträchtigen Eine weitere Toleranzverschlechterung
entsteht als Folge des Vorhandenseins einer verhältnismäßig großen Anzahl {beweglicher
Teile mit dadurch hedingten toten Gängen und Reibungen Ferner ist es bei der bekannten
Vorrichtung nicht möglich, die ganze durchströmende Wassermenge genau zu -messen,
und es entstehen große Druckverluste und Schwierigkeiten beim Messen von geringen
Wassermengen. Falls die Masse bzw. das Gewicht des Turbinenkörpers größer ist als
bei gewöhnlichen Woltmannturbinen, ist die Kennlinie für die Wassermengenkurve nicht
linear proportional zur Wassermenge, d. h. Änderungen der wirklichen Wassermenge
entsprechen nicht verhältnismäßig gleichen Änderungen der angezeigten Menge. Ein
weiterer fühlbarer - Nachteil besteht in der Schwierigkeit der Aufhebung oder wenigstens
Verminderung des Lager druckes der Turbine. Auch die Nacheinstellung der Vorrichtung,
die für den Ausgleich von Änderungen in den Lagern und in der Kennlinie des Gleichrichters
notwendig ist, ist umständlich und mit Schwierigkeiten verknüpft.
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Weitere Schwierigkeiten entstehen bei der Zusammensetzung und Prüfung
der Turbine in trockenem Zustand. Auch die Änderung der Eigenschaften der Turbine
durch Verstellen der Turbinenschaufeln ist mit Schwierigkeiten verbunden.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung der oben angegebenen
Nachteile und kennt zeichnet sich im wesentlichen durch eine Einrichtung zur Beeinflussung
des Generators oder des davon erzeugten Stromes in der Weise, daß Anderungen der
Menge des Mittels genau prozentual gleichen Änderungen der Spannung des entnommenen
Stromes entsprechen. Dies kann mit Hilfe einer in die Generatorleitung eingeschalteten
Stromquelle, beispielsweise einem Element von konstanter Spannung, erreicht werden,
mit dessen Hilfe die Generatorspannung um eine gleichbleibende Spannung erhöht wird,
oder durch mechanische Verbindung des Generatorläufers mit einem kurzgeschlossenen
Läufer eines mit gleichbleibender Wechselstromspannung und Frequenz gespeisten Asynchronmotors.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung einer in der Zeichnung - dargestellten geeilgneten Ausffillrungsforrn
derselben.
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- Fig. I zeigt einen Schnitt durch einen Wassermengenmesser und Fig.
2 ein Diagramm.
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Der von einem Gehäuse I und einem Anschlußstutzen 2 eingeschlossene
Wassermengenmesser ist in eine nicht dargestellte Leitung eingesetzt, deren lichter
Durchmesser mit D bezeichnet ist, und durchs die das; Wasser in der durch den Pfeil
3 angegebenen Richtung strömt. Im Gehäuse I ist ein Rohr 4 angebracht, das aus Messing,
Plexiglas od. dgl. besteht und an einem Ende mit einem rohrförmigen Körper 5 verbunden
ist, der als kurzgeschlossener Läufer eines mit gleichbleibender Wechselstromspannung
und Frequenz gespeisten Asynchronmotors ausgebildet ist, dessen Stator mit 6 bezeichnet
ist. An seinem anderen Ende weist das rohrförmige Zw,ischenstück 4 einen verlängerten
Teil 7 mit kleinerem Außendurchmesser auf.
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Auf dem Teil 7 ist ein Magnet 8 eines elektrischen Generators festgeklemmt,
dessen Stator mit 9 bezeichnet ist. Der Magnet besteht zweckmäßig aus einer Sonderlegierung
von hoher Temperaturbeständigkeit und geringer reversibler Permeabilität, um eine
nennenswerte Schwächung des Magneten durch das erzeugte Wechselfeld zu verhindern.
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Die Schaufeln der Turbine'bestehen aus zwei getrennten Teilen 10
und 11, von denen der eine mit dem Magnet 8 und der andere mit dem Zwischenstück
4 verbunden ist. Wie aus der Zeichnung, ersichtlich, sind die Einlaßkanten der Schaufeln
abgerundet, wodurch die Stoßverluste infolge sich ändernder Einlaßwinkel beträchtlich
vermindert werden. Die beschriebenen drehbaren Teile sind auf einer mittleren Welle
12 aus rostfreiem Material angebracht, die in zwei Lagern I3 und 14 mit möglichst
geringem Reibungswiderstand läuft. Diese Lager werden von Rippen 15 bzw. I6 getragen.
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Die in der Strömungsrichtung des Wassers vor der Turbine liegenden
Rippen 15 sind als Leitschaufeln für die Turbine ausgebildet. Zwischen den Teilen
4, 5, 8 und den Statoren.6 und 9 ist ein mit Vorsprüngen I7, I8 versehenes Rohr
19 angebracht, das sich über die ganze Länge des Gehäuses erstreckt und als Labyrinthdichtung
zwischen der Einlaß-und Auslaßseite dient, um Undichtigkeitsverluste durch den ringförmigen
Spalt zwischen den beweglichen und den festen Teilen des Messers soweit wie möglich
herabzusetzen. Mit 20 und 21 sind Öffnungen im Gehäuse I für die elektrischen Leitungen
zu den Statoren des Asynchronmotors und Generators bezeichnet. Wie aus~ der Zeichnung
ersichtlich, sind- die Innendurchmesser der Teile 4, 5, 8 im wesentlichen gleich
groß wie der Innendurchmesser .D der Leitung., - -Die Motorwicklung erhält ihren
Strom aus dem Netz über einen Transformator mit einem regelbaren Widerstand, so
daß die Spannung geändert werden kann. Der Stator 6 ist in axialer Richtung gegenüber
dem Läufer 5 versetzt angeordnet, wodurch letzterer einer Axialkraft ausgesetzt
wird, die dem axialen Lagerdruck der Welle 12 entgegenwirkt; wodurch die Lagerreibung
vermindert wird.
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Infolge der Masse bzw. des Gewichtes der umlaufenden Teile und anderer
Umstände, wie Komponenten der Wassergeschwindigkeit auf die Turbine, Gleichrichterwiderstand
usw., ,hat die Kennlinie zwischen der Wassergeschwindigkeit und der Spannung im
Generator g einen solchen Verlauf, daß Anderungen- der Wassermenge nicht prozentual
gleichen Änderungen der Generatorspannung entsprechen. Außerdem ist die geringste
Wassermenge, die erforderlich ist, um die Turbine in Gang zu setzen und mit Sicherheit-
in Gang zu
halten, nicht so kIein wie die in der Praxis in gewissen
Fällen vorkomlmensde, beispielsweise in mit Selbstumlauf arbeitenden Warmwasseranlagen.
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Die mit der gezeigten Vorrichtung ohne Ausgleichwicklung (Motor 5,
6) erhaltene Kennlinie hat somit beispielsweise den Verlauf, der im Diagramm gemäß
Fig. 2 durch die Linie a dargestellt ist. In diesem Diagramm bezeichnet die Abszisse
die Wassergeschwindigkeit v, d. h. die Wassermenge in der Zeiteinheit, und die Ordinate
die im Generator 9 erzeugte Spannung E. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Kurve
a zwar linear, aber nicht zum Nullpunkt gerichtet, d. h. das umlaufende System,
Turbine und Generatormagnet, beginnt erst dann sich zu drehen, wenn die Wassergeschwindiglkeit
einen bestimmten Wert Va erreicht hat. Daraus folgt, daß eine bestimmte Änderung
der Wassergeschwindigkeit nicht einer prozentual gleich großen Änderung der Generatorspannung
entspricht, so daß die erhalteneD Meßwerte mehr oder weniger große Abweichungen
von den tatsächlichen Werten aufweisen.
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Diese Fehlerquelle wird durch die gezeigte Ausgleichswicklung vermieden,
die als Asynchronmotor mit starker Nacheilung wirkt und dadurch einen großen Teil
der auf das umlaufende System wirkenden Widerstandskräfte, wie Gewicht bzw.
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Masse, Lagerreibung, Kraftwirkung zwischen den Magnetpolen und dem
Stator u. dgl., aufhebt. Dies hat zur Folge, daß das umlaufende System bei einer
geringeren Geschwindigkeit in Gang gesetzt wird als ohne Mitwirkung des Asynchronmotors.
Durch geeignete Wahl der regelbaren Wechselstromspannung in diesem Motor kann man
somit den Punkts (Fig. 2) an den Nullpunkt des Koordinatensystems heranbringen.
Steigt die Wassergeschwindigkeit, so verringert sich allmählich die Nacheilung,
und nach einer bestimmten Geschwino digkeit VX (Synchronpunkt) beginnt der Motor
5, 6 auf das umlaufende System bremsend zu wirken, worauf die Bremswirkung sich
mit steigender Geschwindigkeit erhöht. Man erhält somit die mit b bezeichnete Linie,
d. h. die Generatorspannung wird genau linear proportional zur. Wassergeschwindigkeit
und damit auch zur Wassermenge.
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Der Asynchronmotor ist auch von großer Bedeutung sowohl für die Nachstellung
des Apparates nach einer gewissen Zeit wie auch für die Zusammensetzung und Einstellung
bei der Herstellung, da er es ermöglicht, durch Erhöhung der Spannung das umlaufende
System zwecks Prüfung und Kontrolle in Gang zu setzen, ohne daß die Turbine mit
Wasser angetrieben zu werden braucht.
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Die Eigenschaften der Turbine können dadurch geändert werden, daß
der Magnet 8 von Hand aus um einen bestimmten Winkel im Verhältnis zum Zwischenstück
4 gedreht wird, wodurch die Gesamtlänge der Schaufeln IO, 11 geändert werden kann.
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Der im Generator erzeugte Strom kann in be kannter Weise in einem
Gleichrichter gleichgerichtet werden. Anstatt den Charakter des Spannungsverlaufes
ganz oder teilweise mit Hilfe eines Asynchronmotors zu berichtigen, kann man im
Stromkreis des Generators ein galvanisches Element mit gleichbleiben der Spannung
anordnen, durch dessen Spannungszuschuß die Kennlinien (Fig. 2) parallel verschoben
wird. Durch geeignete Wahl der Spannung des Elementes kann somit die Linie a in
die zum Nullpunkt verlaufende Linie c gebracht werden. Mit Hilfe eines im Stromkreis
angeordneten regelbaren Widerstandes kann die Neigung der Kennlinie zur Abszisse
geändert werden (vgl. die Linien a-d-e oder e-b).
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Zwecks Messung der Wärmemenge geht der Strom darauf in eine Wheatstonesche
Brücke, die aus vier temperaturempfindlichen Widerständen oder aus zwei temperaturempfindlichen
und zwei gleichbleibenden Widerständen besteht. Wenn man statt eines Metalldrahtwiderstandes
einen Elektrolytwiderstand verwendet, kann der Gleichrichter wegfallen; die Zusammensetzung
der Elektrolyte wird bekanntlich durch Gleichstrom geändert. Während man für Gleichstrom
die Integration des Produktstrom.es in einem Elektrolytmesser durchführt, muß man
bei Wechselstrom mit Rücksicht auf die geringere Empfindlichkeit der Wechselstrommesser
einen Verstärker anordnen, z. B. eine Verstärkerröhre.
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Die Erfindung ist natürlich nicht auf die lediglich als geeignetes
Beispiel gezeigte und beschriebeine Ausführungsform- beschränkt und kann auch in
anderem Zusammenhang als mit Wärmemessern verwendet werden. Die beschriebenen Einrichtungen
zur änderung des Verlaufes der Kennlinie gemäß Fig. 2 können natürlich in geeigneter
Weise miteinander kombiniert werden, so daß eine gemäß der Erfindung ausgebildete
Meßvorrichtung von Normalausführung für die verschiedensten Zwecke verwendet werden
kann.
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PATENTAXSP2\ÜCHE I. Vorrichtung zum Messen der Menge eines durch
eine Leitung strömenden Mittels mit Hilfe einer in der Leitung angeordneten, durch
das Mittel angetriebene Turbine und eines von dieser angetriebenen elektrischen
Generators, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Beeinflussung des Generators
oder des davon erzeugten Stromes in der Weise, daß Änderungen der Menge des Mittels
genau prozentual gleichen Änderungen der Spannung des entnommenen Stromes entsprechen.