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Vorrichtung zur Massenbestimmung strömender Medien
Die Wägung beruht
bekanntlich auf der Massen anziehung der Erde nach dem Gesetz: Gewicht = Masse X
Erdbeschleunigung.
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Bei der Wägung befindet man sich also mit den bekannten Verfahren
in Abhängigkeit von der Erdbeschleunigung bzw. genauer genommen in Abhängigkeit
von der am Ort der Wägung gültigen Komponente der Erdbeschleunigung. Wo keine Beschleunigung
auftritt, ist auch keine Wägung möglich. D.a ein Körper im leeren Weltraum nichts
und an den Polen mehr als am Äquator oder in großen, Höhen wiegt, ist das Gewicht
eines Körpers nicht all gemein geeignet, um mit Sicherheit auf seine Masse, d. h.
seine Stoffmenge, schließen zu können.
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Die Stoffmenge ist aber der Gegenstand, der in wirtschaftlicher Hinsicht
allein interessiert und den es zu erfassen gilt.
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Um nun Stoffmengen in Massengr.amm, Massen kilogramm usw. zu bestimmen,
ist die Wägung der zugehörigen in Ruhe befindlichen Körper mit Hilfe von Gewichtsstücken,
also Massenstücken, die derselben Erdbeschleunigung unterliegen wie die zu wägenden
Körper und mit diesen in Vergleich gebracht werden, als ei.chfähige Methode anerkannt.
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Im Strom bewegte Medien dagegen, wie z. B.
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Flüssigkeiten in Rohrleitungen, lassen die Massenbestimmung durch
Wägen in- dieser Weise nicht zu. Es ist aber ein sehr großes Bedürfnis in Technil
und Wirtschaft vonhanden, auch diese bewegten Stoffmengen der Masse nach zu bestimmen.
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Staudruckgeräte und Strömungsmesser, Geschwindigkeits- und Volumenzähler
erfüllen zwar je nach den gestellten Forderungen ihren Zweck, gestatten aber nicht
in Art der Wägung einen Massen; oder
Kräftevergleich und damit eine
direkte Bestimmung der Stoffmenge.
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Es sind zwar mehrere unterschiedlich konstruierte Geräte vorgeschlagen
worden bzw. bekannt, die mit rotierenden Meßgliedern die Dichte von gasförmigen
und flüssigen Medien anzuzeigen vermögen. Die in diesen Konstruktionen auf tretenden
dynamischen Kräfte werden zur Messung der Dichte der Medien benutzt, während die
Ermittlung der durchströmenden Mengen der Masse nach in den erwähnten Geräten nicht
durchführbar ist; denn es ist die beabsichtigte Aufgabe dieser Meßgeräte, unabhängig
von der Größe einer Durchflußmenge ausschließlich die Dichte der gebrauchten Medien
anzugeben.
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Im Gegensatz hierzu handelt es sich bei der Erfindung um eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Masse strömender Medien, bei welcher ein Antriebsdrehmoment für
die künstliche Erzeugung von Beschleunigung oder Verzögerung der zu bestimmenden
Massen isoliert gemessen wird, indem eine Kreiselapparatur von einem getrennten,
aber mit im wesentlichen gleicher Drehzahl wie die Kreiselapparatur umlaufenden
Gehäuse umgeben ist, um dadurch äußere Reibungskräfte von der Kreçilselapparatur
fernzuhalten.
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Die künstliche Beschleunigung bzw. Verzögerung von Massen gelangt
dem Prinzip nach, wenn auch nicht zum Zweck einer anerkannten- Massenbestimmung,
bei allen Kreiselpumpen und Turbinen zur Anwendung; denn die aufgenommenen bzw.
abgegebenen Leistungen entsprechen den durchgesetzten Massen. Um aber genaue Maslsenbestliimmungen
vornehmen zu können, müssen verschiedene, der Präzision der Messung dienende konstruktive
Bedingungen erfüllt sein, um die möglichst ungestörte Erfassung und Messung der
Massenkräfte zu ermöglichen. Insbesondere muß dafür gesorgt sein, daß die erforderlichen
Beschleunigungen bzw. Verzögerungen in einem oder mehreren rotierenden Laufrädern
erzeugt werden, die zum Unterschied gegen das Bekannte zwecks Befreiung von äußerer
Reilbun.gsarbeit von einem mit im -wesentlichen gleicher Drehzahl umlaufenden Gehäuse
umschlossen sind.
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Diese konstruktiven Möglichkeiten sind an eimgen Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung veranschaulicht. In Fig. I wird von der allgemein bekannten Konstruktion
einer Kreiselpumpe aus gegangen. Das Medium tritt .durch den Saugstutzen 1 in den
mit möglichst starrer Drehzahl umlaufenden aus dem Schaufellaufrad 2 und dem Gehäuselaufrad
3 bestehenden Kreisel ein, wird hier beschleunigt und verläßt über den Druckraum
4 und durch den Druckstutzen 5 die Maschine.
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In dem Schaufellaufrad 2, in welchem der Masse des durchfließenden
Mediums eine Beschleunigung erteilt wird, entsteht eine rückdrehende Kraft, welche
als Drehmoment vom Torsionsstab 6 und 11 aufgenommen wird. Dieser Torsionsstab 6
ist durch eine Hohiwelile 7 geführt und an seinem Ende verdrehungsfest mit der in
die Antriebskupplung 8 übergehenden Hohlwelle 7 verbunden.
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Hohlwelle 7 und Gehäuselaufrad 3 sind zu einem verdrehungssteifen
Gehäuse vereinigt, das die Aufgabe hat, alle äußeren Reibungskräfte vom Torsionsstab
6 und dem Schaufellaufrad 2 fernzuhalten, so daß sich das Schaufellaufrad 2 frei
und ungehindert lediglich unter der Reaktionskraft des Beschleunigungsdruckes in
dem Gehäuselaufrad 3 schwingend drehen kann. Wenn kein Medium den Kreisel durchströmt,
wird keine Masse beschleunigt und daher auch kein Drehmoment über das Schaufellaufrad
2 auf den Torsionsstab 6 übertragen, und Schaufel- und Gehäuselaufrad 2 und 3 laufen
gegeneinander unverdreht um. Sobalid aber - Medium zu fließen beginnt, muß Masse
beschleunigt werden, und das Schaufellaufrad 2 schwingt gegen das Gehäuselaufrad
3 so weit zurück, biis die Spannung des Torsionsstabes 6 der Reaktionskraft aus
Masse und Beschleunigung entspricht. Selbst die kleinsten Massenmengen werden hierbei
erfaßt, und es hängt nur von der trägen Masse des Schaufellaufrades 2 ab, inwieweit
die Ausschläge der an geregten Verdrehungen unverzögert oder verzögert ausgeglichen
erfolgen. Der Kreisel 2, 3 mit der Torsionsfeder 6 stellt also nicht anderes als
eine von der Erdbeschleunigung unabhängige Federwaage dar, die an beliebigen Punkten
der Erde und auch des Weltraums bei gleichen Drehzahlen für gleiche Massen je Zeiteinheit
gleiche Drehschwingungsausschläge aufweist. Sie erfordert deshalb nicht die Federwaageneichung
in Pond, Kilopond usw., sondern kann als echte Massenwaage eine Eichung in Gramm
pro Zeiteinheit, Kilogramm pro Zeiteinheit usw. bzw. mit Zählwerk eine Eichung in
Gramm, Kilogramm usw. erhalten.
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In Fig. 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, die nicht als Pumpe arbeitet,
sondern durch die das zu wägende Medium -unter fremiderzeugtem Druckgefälle hindufch.geleitet
wird.
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Bei Eintritt des Mediums durch den Stutzen 12 gelangt dieses zuerst
in ein Beschleunigungsrad 13, ähnlich einem Kreiselpumpenrad. Dieses Beschleunigungsrad
I3 ist als Gehäuselaufrad ausgebildet und übernimmt alle äußeren Reibungskräfte.
Fließt Masse durch das Gehäuselaufrad 13, so erhält sie Energie mitgeteilt, die
sie dann nach Umlenkung an das Turbinenrad 14 abzugeben gezwungen wird.
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Das Turbinenrad 14 ist in gleicher Weise wie das Schaufellaufrad 2
in Fig. 1 über einen Torsionsstab 6 gemeinsam mit der Hohlwelle 7 an einem Antrieb
angeschlossen und kann sich schwingend gegen das Beschleunigungsrad I3 verdrehen,
wenn Energie aufgenommen wird. Das Maß ,der Verdrehung ist ein Maß für die durchgesetzte
Stoffmenge. Dadurch, daß hier die eingeleitete Energie (abzüglich der Verluste)
wieder zurückgewonnen wird, ist die Leistungsaufnahme der Vorrichtung gering, die
das Medium durch Stutzen 15 verläßt.
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Der Fluß des Mediums kann in Fig. 2 auch umgekehrt wie beschrieben
erfolgen; dann wird Teil I4 Beschleunigungsrad und Teil 13 Turbinenrad (Verzögerungslaufrad).
In diesem Fall tritt das Medium durch Stutzen 15 ein und verläßt die Vorrichtung
durch Stutzen 12.
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In Fig. 3 ist in Weiterentwicklung der Fig. 2 eine Vorrichtung gezeigt,
deren Gehäuselaufrad I7 die entgegengesetzt verdrehbaren Laufräder I6 und I8 umschließt.
Von diesen beiden Laufrädern wirkt je nach der der Konstruktion zugrunde gelegten
Strömungs.richtung das eine abs Beschleunigungs-und das andere als Verzögerungslaufrad.
Die Rückstellenergie für das Laufrad 16 wird beispielsweise von der Drehfeder 19
geliefert. Die Verdrehung der Laufräder 16 und 18 zueinander ist ein Maß für die
durchgesetzte Stoffmenge (Masse).
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Die Drehschwingungsausschläge können elektrisch gemessen und registriert
werden. Zu diesem Zweck sind z. B. in Fig. 1 und 2 die Magnetinduktoren 9 und 10
in entsprechender Weise mit den gegeneinander verdrehbaren Laufrädern, deren gegenseitiger
Winkelausschlag gemessen werden soll, verbunden. Die von den Magnetinduktoren erzeugten
elektrischen Ströme ermöglichen es, entweder die Phasenverschiebungen, -d. h. d.ie
Verdrehungen zu messen und zu addieren oder in Kompensationsschaltung einen resultierenden
Strom zu bilden, welcher der durchgesetzten Stoffmenge entspricht und mit einem
Stromzähler gemessen werden kann. In Fig. 3 ist der Induktor bei 9' erkenubxar.
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Abweichend von den Darstellungen in Fig. I, 2 und 3 kann statt der
Messung des Drehmomentes durch Verdrehung von Federelementen das Drehmoment auch
über den Kraftbedarf z. B. einer elektromagnetischen, pneumatischen oder hydraulischen
Kupplung zwischen den gegenseitig verdrehbaren Laufrädern gemessen werden. Gleichfalls
ist auch der vom Antrieb des Gehäuselaufrades isolierte An- und Abtrieb der als
Meßräder dienenden Laufräder möglich, wobei dann die Leistungsmessung zur Massenbestimmung
benutzt wird.
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Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, bedürfen eines Antriebs. Am
einfachsten für die Mengenzählung ist der Antrieb mit starrer Drehzahl, z. B.
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Antrieb mittels elektrischer Synchronmotoren, weil dann die Beschleunigung
eine feste Größe wird. Bei Asynchronmotoren schwankt die Beschleunigung in der Weise,
daß bei kleinen Massen größere Beschleunilgungen (weil kleiner Schlupf), bei großen
Massen kleinere Beschleunigungen (weil großer Schlupf) erzeugt werden. Bei Antrieb
mit Asynchronmotoren sind daher z. B. die Magnetinduktoren g und 10 als Tourenzähler
mitzubenutzen, um den notwendigen Korrekturfaktor zu gewinnen.