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Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit in einer Leitung
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines
Stromes eines Mediums in einer Leitung, die an zwei verschiedenen Stellen mit einer
Differentialdruckvorrichtung verbunden ist; die Vorrichtung besteht aus einem Gerät
mit einem rotierenden Element, das mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit angetrieben
wird, die proportional der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit ist und in Abhängigkeit
der Stellung eines Elementes gesteuert ist, dessen Stellung ein Maß der gewünschten
Wirkung ist.
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Eine Vorrichtung dieser Art ist bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung
besteht das rotierende Element aus dem Rotor einer Zentrifugalpumpe, die eine mittlere
Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß schafft, die proportional dem Quadrat
der Zahl der Umdrehungen pro Minute ist. Bei der bekannten Einrichtung wird die
so erhaltene Druckerhöhung zur Kompensierung der Druckdifferenz zwischen den beiden
Meßpunkten der Leitung, in der die Fließgeschwindigkeit gemessen werden soll, benutzt.
Die Wirkung ist die Schaffung zweier gleicher Drucke. Diese läßt man auf jede Seite
eines einzigen Diaphragmas wirken.
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Wenn eine Druckdifferenz auf einer Seite der Membran auftritt, so
zeigt dies eine Störung des Gleichgewichtes an. Die Membran wird durchgebogen, und
in Abhängigkeit von dieser Durchbiegung wird der Antrieb des Rotors der Zentrifugalpumpe
so beeinflußt, daß dessen Geschwindigkeit bis zur Wieder-
herstellung
des Gleichgewichtes geändert wind. Es ist klar, daß die Stellung eines Einstellelementes
in diesem Antrieb ein Maß für die Zahl der Umdrehungen pro Minute und infolgedessen
der Druckdifferenz in der Hauptleitung und auf diese Weise der zu messenden Fließgeschwindigkeit
darstellt.
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Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß die Einstellung bzw. Wiedereinstellung
für einen bestimmten Fall bzw. bestimmte Bedingungen recht schwierig ist. Der Grund
dafür ist der, daß die auf beiden Seiten einer Membran herrschende Druckdifferenz
festgestellt werden soll. Die durch zwei Drucke auf den beiden Seiten der Membran
ausgeübten Kräfte werden nutzbar gemacht, jedoch ist eine Einstellung einer solchen
Kraft nicht möglich. Zunächst erscheint es vom mechanischen Gesichtspunkt aus nicht
möglich, die wirkende Fläche der Membran für die Zwecke der Einstellung zu ändern;
vollkommen ausgeschlossen ist es aber, bei einer einzigen Membran die wirkende Fläche
auf der einen Seite anders zu gestalten als auf der anderen Seite.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt die Vermeidung dieses Nachteils.
Sie beruht im wesentlichen auf dem Prinzip, die zu messenden Drucke zunächst in
Kräfte umzuwandeln und diese Kräfte auf Hebelsysteme wirken zu lassen. Das Gleichgewicht
wird dann in dem Hebelsystem eingestellt; es ist bekannt, daß in einem Hebelsystem
eine Einstellung leicht geschaffen werden kann, z. B. durch Verschieben der Angriffspunkte
der Kräfte.
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Nach der Erfindung wird der Differentialdruckeinrichtung infolgedesseneineeine
Kraft zuführende Einrichtung derart zugeordnet, daß diese Kraft der Druckdifferenz
proportional ist, wobei dem rotierenden Element eine eine zweite Kraft zuführende
Einrichtung derart zugeordnet ist, daß die zweite Kraft proportional ist dem Quadrat
der Zahl der Umdrehungen pro Minute, wobei die beiden kraftzuführenden Einrichtungen
mittels eines Elementes verbunden sind, das bei Änderung seiner Lage die Steuerung
des variablen Antriebes des rotierenden Elementes zwecks Wiederherstellen des Gleichgewichtes
der beiden Kräfte bewirkt.
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Die Zeichnung veransch,aulicht einige Ausführungsformen der Erfindung.
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Fig. I ist eine schematische Veranschaulichung einer Ausfuhrungsform,
bei der ein Zentrifugalregler die oben erwähnte, eine zweite Kraft zuführende Einrichtung
darstellt; Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der diese Einrichtung aus einer
Zentrifugalpumpe besteht.
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In der Dampfleitung 1 (Fig. I) soll die Geschwindigkeit des Dampfstromes
gemessen werden zwecks Feststellung der Menge des durchgehenden Dampfes. In der
Leitung I ist eine Meßdüse 2 angeordnet; der statische Druck des Dampfes auf jeder
Seite wird angezeigt mittels der Leitungen 3 un!d 4. Die Leitung 4 kann auch in
der Meßöffnung der Meßdüse 2 enden.
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Die Leitungen 3 und 4 führen mittels biegbarer Spiralwindungen in
diesen Leitungen zu einer Ringbalanz, wobei das ringförmige U-Rohr 5 der Ringhalanz
mit Quecksilber (6) ¢,efiillt ist. Die Ringbalanz ist gegenüber dem Träger S auf
einer Schneide 7 drehbar. Sie ist mit einem Arm g versehen, dem eine Winkelbewegung
erteilt wird, wenn das Hauptrohr 5 sich dreht, und der starr mit dem Hauptrohr 5
venlvunden ist.
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Der Spiegel des Quecksilbers 6 in Fig. 1 ist rechts höher als links
derart, daß das Ende des Armes g eine nach aufwärts gerichtete Kraft über die an
seinem Ende sich befindende Schneide 10 ausübt.
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Stationär angebracht ist ein Motor II, der mit einer konstanten Umdrehungszahl
pro Minute läuft, z. B. ein elektrischer Synchronmotor. Dieser Motor treibt über
das Antriebsrad I2 und das Getriebe I3 die Welle 14, an deren Ende eine Reibscheibe
15 befestigt ist. Diese Reibscheibe wirkt zusammen mit einer Reibrolle I6, die an
einer Hülse I7 befestigt ist, die auf einer Welle in über einen bestimmten Weg gleiten
kann. Die Welle I8 ist ihrerseits nicht gleitbar jedoch drehbar angeordnet und dreht
sich gemäß den Umdrehungen der Hülse I7.
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Die Welle I8 trägt an ihrem Ende einen Reglermechanismus 19 mit den
Kugelgewichten 20. Die Hülse des Reglers wird gebildet durch eine Stange 2I, die
in Kontakt mit der Schneide 10 des Armes g der Ringbalanz ist.
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Die von der Schneide 10 ausgeübte nach aufwärts gerichtete Kraft
ist proportional der Druckdifferenz in der Leitung I, aufgefangen mittels der Leitungen
3 und 4. Die durch die Stange 21 ausgeübte nach unten gerichtete Kraft ist proportional
dem Quadrat der Zahl der Umdrehungen pro Minute der Welle I8. Wenn diese Kräfte
nicht gleich sind, so tritt eine Bewegung der Schneide 10 und der Stange 2I ein,
bis sich ein neues Gleichgewicht eingestellt hat. In diesem Fall tritt jedoch folgendes
ein: Der Ar,m g ist mittels einer Kupplungsstange 23 mit einem Rahmenstück 24 verbunden,
das an dem Ende eines Armes 25 sitzt, der mit dem Arm 26 eines Winkelhebels, getragen
von dem Zapfen 27, verbunden ist. Der Arm 28 des Winkelhebels liegt an dem Umfang
eines Exzenters 29, der sich mit dem Getriebe I3 dreht. Dieser Arm 28 wird mittels
einer Feder 30 gegen den Exzenter2'9 gedrückt. Die hin und her schwingen;de, dem
Arm 28 durch die Drehung des Exzenters 29 mitgeteilte Bewegung wirkt sich in einer
hin und her gehenden Bewegung des Armes 25 gemäß den Pfeilen 3I aus.
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Das Rahmenstück 824 ist an der Innenseite mit zwei Zahnreihen 32
und 33 versehen, die auf entgegengesetzten Seiten eines Klinkensperrades 34 angeordnet
sind, das auf einer festen Welle 35 angezapft ist. Der Abstand zwischen den Zahnreihen
32 und 33 ist derart, daß nur eine dieser Reihen mit dem Sperrad 34 in Eingriff
sein kann.
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Wenn infolge einer Störung des Gleichgewichtes der Kräfte, die einerseits
von der Schneide 10. andererseits von der Stange 21 ausgeübt werden, der Arm g sich
zu bewegen beginnt, so bewirkt diese Bewegung ein Ineingriffkommen einer der Zahnreihen
32 bzw. 33 mit dem Sperrad 34 über die Kupplungsstange 23. Wenn z. n. die Strömungs-
geschwindigkeit
des Dampfes in der Leitung X steigt. so steigt die Druckdifferenz zwischen den Leitungen
3 und 4, die Differenz zwischen den Spiegeln des Quecksilbers 6 wird größer, der
Arm 9 dreht sich im Uhrzeigersinne, und kommt infolgedessen die Zahnreihe 33 mit
dem Rad 34 in Eingriff. Infolge der hin und her gehenden flewiegung. der Stange
25 beginnt nun die Zahnreihe 33 das Rad 34 im Gegenzeigersinne zu bewegen.
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Mit dem Rad 34 ist ein Antriebsrad 36 verbunden. das mit einer Zahnung
37 der Hülse 17 kämmt. Die Drehung des Rades 34 bewirkt also ein Verschieben der
Hülse I7 auf der Welle 18.
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In dem beschriebenen Fall wird, wenn das Rad 34 sich im Gegenzwigersinne
zu bewegen beginnt. die Hülse I7 nach abwärts geschoben. Dies bewirkt. -daß die
Reibrolle 16 mit einem größeren Radius der Reibscheibe 15 zusammenwirkt. so daß
die Geschwindigkeit des Regelmechanismus 19 und infolgedessen die durch die Stange
21 ausgeübte Kraft steigt. Auf diese Weise wird wiederum ein Gleichgewicht zwischen
den durch die Schneide 10 und die Stange 21 ausgeübten Kräften geschaffen. bis die
Zahnreihe 33 sich von dem Rad 24 wieder löst und die Drehung des Rades 34 aufhört.
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Die Winkelstellung des Rades 34 ist also ein Maß für die Strömumgsgeschwindigkeit
des Dampfes in der Leitung 1, und es ist infolgedessen ein Zeiger 38 auf der Welle
des Zahnrades 34 vorgesehen, der sich über einer Skala 39 bewegt, auf der die Strömungsgeschwindigkeit
des Dampfes in der Leitung I und die Älenge des durch die Leitung 1 strömenden Dampfes
in Kilogramm pro Stunde oder lbs pro Stunde oder tons pro Stunde angezeigt wird.
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Da die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle 18 also ein Maß für die
Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes und die Menge des Dampfes in der Zeiteinheit
ist. ist die Zahl der Umdrehungen der Welle i8 während einer gegebenen Zeit ein
Maß für die Gesamtmenge des während dieser Zeitdauer durch die Leitung 1 durchgehenden
Dampfes. Infolgedessen ist die Welle 18 mit einer Schraubenwindung 41 versehen,
die mit einem Rad 42 im Eiiigriff ist, das die Welle 43 eines Instrumentes zum Messen
von Dampf bzw. eines Dampfzählers 44 treibt.
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Die Einstellung des Mechanismus kann leicht durch in radialer Richtung
bewegbare Anordnung der Schneide 10 auf dem Arm 9 mit Hilfe der Einstellschraube
45 bewirkt werden. In der Tat bestimmt diese Einstellung die wirksame Länge des
hebelarmes 9 und infolgedessen das Verhältnis der durch die Schneide 10 ausgeübten
Kraft zu der durch die Ringbalanz ausgeübten Drehkraft und also zu der Druckdifferenz
der Meßdüse 2.
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Nuch bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 besitzt die Leitung 1 eine
Meßdüse 2, wobei der Druck auf beiden Seiten gemessen wird mittels der Leitungen
3 und 4. Diese Leitungen enden in einem Membrangehäuse 50 je auf einer Seite von
zwei Membranen 51 und 52 mit der gleichen wirksamen Fläche, die untereinander verbunden
sind durch die Säule 53.
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Diese wirkt zusammen mit dre Schneide 54 eines zweiarmigen Hebels
55, der mit einer Schneide 56 auf einem stationären Träger 57 aufliegt.
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Die Einrichtung besteht ferner aus einer Zentrifugalpumpe 58, deren
Saugseite mit einem Vorratsbehälter 59 verbunden ist, während die in dem seite mit
einer Leitung 60 verbunden ist, die in dem Membrangehäuse 61 endet, das durch die
Membran 62 verschlossen ist. Die Pumpe sS dient also nicht zur Zirkulierung einer
Flüssigkeit, sondern liefert einen Druck, dessen Wert proportional ist dem Quadrat
der Zahl der Umdrehungen pro Minute, mit denen die Pumpe angetrieben wird. Die Membran
62 wird also mit einer Kraft nach außen gedrückt. die ebenfalls proportional ist
dem Quadrat dieser Umdrehungszahl. Diese Kraft wird durch die Stange 63 auf die
Schneide 64 des Hebels 55 über tragen, die an dem Ende des Hebels angebracht ist.
der dem mit der Schneide 54 bezüglich der Ruflegestelle 57 entgegengesetzt ist.
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Ein Ansteigen der durch die Leitung 1 fließenden Menge führt zu einem
Ansteigen der Fließgeschwindigkeit in dieser Leitung und infolgendessen zu einem
Ansteigen der Druckdifferenz zwischen den Leitungen 3 und ; infolgedessen wird das
Membransystein 51, 52 nach unten gedrückt, und di Schneide 64 wird mit größerer
Kraft nach oben gedrückt. Um ein Gleichgewicht zwischen der durch die Schneide 64
und der Stange 63 ausgeübten Kraft zu erhalten, muß die Pumpe 58 mit eine höheren
Umdrehungszahl pro Minute angetrieben werden.
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Die Pumpe 58 wird angetrieben von der Turbine 65, die von Luft oder
irgendeinem anderen Medium beaufschlagt wir, das ihr aus der Leitung 66 zugeführt
wird. Sowohl diese Leitung als auch die Zuführungsleitung 67 münden in ein Ventilgehäuse
68, in dem ein Ventil 69 die Zufuhr der Luft zu der Turbine 65 steuert. Dieses Ventil
69 kann auf und ab bewegt werden und ist mit einem Balg 70. der durch eine Feder
71 zusammengedrückt wird. verbunden. Die Zufuhr der Luft zu diesem Balg 70 wird
durch eine Leitung 72 bewirkt. in der ein+ Einstellventil 73 eingebaut ist. Diese
Leitung 72 hat eine Abzweigung 74 mit einer freien, jedoch engen Mündung 75, der
gegenüber eine Blattfeder 76 angeordnet ist. Bewegt sich diese Blattfeder eine größere
oder kleinere Strecke von der Mündung 75 fort, so entweicht mehr oder weniger Luft
aus der Leitung 72, und der Luftdruck in dem Balg ist niedrriger oder höher.
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Die Feder 76 ist an dem Hebel 55 befestigt. und zwar an dem Hebelarm,
der an seinem Ende die Schneide 54 trägt.
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Wenn, wie oben beschrieben, die Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung
1 anwächst und der Hebel 55 sich infolgedessen im Uhrzeigersinne zu drehen beginnt,
läßt die Feder 76 mehr Luft aus der Mündung 75 ausströmen, mit dem Ergebnis, daß
der Luftdruck in dem Balg 70 sinkt und ,das Ventil 69 sich mehr öffnet. Infolgedessen
erhält die Turbine 6j mehr Luft und beginnt sich schneller zu drehen; damit steigt
der durch die Pumpe sS ge-
lieferte Druck und die durch die Stange
63 ausgeübte Kraft, bis diese Kraft wieder im Gleichgewicht ist mit der durch die
Schneide 64 ausgeübten Kraft und das System stillgesetzt wind.
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Die Zahl der Umdrehungen pro Minute der Welle 78 wischen der Turbine
65 und der Pumpe 58 ist also ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung
IX und die Zahl der Umdrehungen dieser Welle 78 in einem gegebenen Zeitabschnitt
ist ein Maß für die Menge des in diesem Zeitabschnitt durch dieLeitungr fließenden
Mediums. Zu diesem Zweck ist die Welle 78 mit dem Meßinstrument 75 verbunsden, das
die Menge des (nach einem gegebenen Zeitpunkt) durch fdie Leitung 1 fließenden Mediums
anzeigt (Dampfzähler).
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D'ie Einstellung des Systems ist sehr einfach. Zunächst wird die
Schneide 56 mittels einer Mikrometerschraube 77 bewegbar auf dem Hebel 55 angebracht.
Dadurch kann das Verhältnis der Längen der Hebel arme eingestellt werden und infolgedessen
die Größe der durch die Schneide 64 ausgeübten Kraft im Verhältnis zu der in der
Leitung 1 zu messenden Strömungsgeschwindigkeit. Weiter ist es durch Einstellung
des Ventils 73 möglich, den Einfluß zu steuern, den eine Bewegung des Hebels 55
auf die Antriebsgeschwindigkeit der Pumpe ausübt. Je kleiner die Durchtrittsöffnung
des Ventils 73 ist, desto geringer ist die für eine gegebene Erhöhung der Geschwindigkeit
der Turibine 65 hinreichende Bewegung des Hebelarmes 55.