DE959063C - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Menge eines stroemenden Mediums - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 28. FEBRUAR 1957

P 8056IX/ 42 e

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung derjenigen Masse eines in einer Leitung strömenden Mediums, die in einem bestimmten Zeitintervall durch einen Leitungsquerschnitt hindurchgetreten ist. Der Massenfluß eines strömenden Mediums durch einen Leitungsquerschnitt F₁ d. h. die sekundlich durch diesen hindurchströmende Masse, ist bekanntlich gegeben durch das Produkt

wobei γ das spezifische Gewicht des strömenden Mediums, C₀ seine Strömungsgeschwindigkeit ist. Wenn nun γ und C₀ starken, zeitlichen Schwankungen unterworfen sind, dann erhält man die gesamte, in einem bestimmten Zeitintervall durch den Querschnitt F hindurchgeströmte Masse, indem man den zeitlich schwankenden Massenfluß der Zeit nach integriert.

Die bisher bekannten Vorrichtungen zur Messung der Strömung liefern nun zum Teil einen unabhängig von γ der Strömungsgeschwindigkeit c₀ proportionalen Meßwert (Windflügel- oder Schalenkreuzanemometer), also ein Maß für den volumenmäßigen Fluß c₀ ■ F. Für die Messung des Massenflusses γ · c₀ sind diese Geräte unbrauchbar, wenn das spezifische Gewicht γ unbekannt oder starken zeitlichen Schwankungen unterworfen ist.

Andere Meßvorrichtungen bestimmen den Staudruck der Strömung und liefern einen Meßwert proportional . ^₂

(Prandtlrohr, Venturirohr). Auch diese Geräte sind ungeeignet zur Messung des Massenflusses, wenn das spezifische Gewicht γ unbekannt ist oder sich ändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ίο ohne weiteres über die Zeit integrierbaren Meßwert zu gewinnen, der dem Produkt von Dichte (γ) und Geschwindigkeit (c₀) des strömenden Mediums proportional ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei Vernachlässigung von Zähigkeitseinflüssen ein Meßwert für das Produkt γ · C₀ gewonnen werden kann, wenn erfindungsgemäß das Antriebsdrehmoment eines mit konstanter Drehzahl innerhalb des strömenden Mediums um eine zur Strömungsrichtung senkrechte Achse angetriebenen, zu einer durch die Drehachse gehenden Ebene symmetrischen Körpers bzw. das Zeitintegral des Antriebsdrehmoments gemessen wird.

Um einen indieser Weise symmetrischen Körper mit konstanter Geschwindigkeit umlaufen zu lassen, ist ein Drehmoment erforderlich, das dem Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit und Dichte des Mediums, also auch dem Massenfluß verhältnisgleich ist. Es ist nun die Leistung, die notwendig ist, um den Rotationskörper in der Strömung mit konstanter Geschwindigkeit umlaufen, zu las sen, gleich dem Produkt Winkelgeschwindigkeit X Drehmoment, bei konstanter Winkelgeschwindigkeit also ebenfalls direkt proportional dem Massenfluß. Man erhält daher die gesamte in einem gewissen Zeitintervall durch den Leitungsquerschnitt geströmte Masse, vorzugsweise durch Messung der zur Drehung'des Rotationskörpers erforderlichen Energie, die man z. B. als elektrische Energie zuführen und bequem messen kann.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Meßvorrichtung zur Ausübung des geschilderten Verfahrens. Diese Meßvorrichtung enthält einen um eine zur Strömungsrichtung senkrechte Achse mit konstanter Drehzahl angetriebenen, zu einer durch die Drehachse gehenden Ebene symmetrischen Körper und Mittel zur Messung des Antriebsdrehmoments des mit der konstanten Drehzahl umlaufenden Körpers.

Die Proportionalität zwischen dem Drehmoment und dem Produkt γ · C₀ ist jedoch in der Regel nur oberhalb einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit vorhanden, so daß es meist notwendig ist, eine Messung innerhalb dieses linearen Bereiches vorzunehmen und mit unterdrücktem Nullpunkt zu messen.

Die Erfindung bezieht sich daher auch auf-eine solche Ausgestaltung des Verfahrens und der Meßvorrichtung, daß die Messung der Gewichtsmenge nach immer oberhalb einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit erfolgen kann.

In der Folge wird der einfacheren Ausdrucksweise halber für das strömende Medium manchmal der Ausdruck »Gas« gebraucht, die betreffenden Darlegungen gelten aber auch für andere strömende Medien.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand schematischer Zeichnungen an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. ι ist ein Diagramm, welches das Anwachsen des Antriebsdrehmoments bei konstanter Drehzahl in Abhängigkeit vom Anwachsen der Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums veranschaulicht;

Fig. 2 veranschaulicht teilweise im Schnitt ein in eine Leitung eingebautes Gerät nach der Erfindung;

Fig. 3 veranschaulicht für ein Gerät nach Fig. 2 die Anordnung eines Venturirohrs an der Eintrittsstelle der Zusatzströmung in die Verbrauchs- "strömung; eine Reihe von in Fig. 2 dargestellten Einzelheiten sind nicht nochmals eingezeichnet;

Fig. 4 und 5 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform des Meßgerätes, bei der eine andere Einrichtung zur Erzeugung der Zusatzströmung und ein anderes innerhalb des strömenden Mediums rotierendes Organ vorgesehen ist als in Fig. 2 und 3; Fig. 4 ist ein Schnitt längs Linie A-B-C-D der Fig. S; eine Reihe von in Fig. 2 und 3 dargestellten Einzelheiten ist nicht nochmais eingezeichnet;

Fig. 6 ist ein Mittelschnitt durch das rotierende Organ einer weiteren abgeänderten Ausführungsform.

Die in Fig. 1 gezeichnete Kurve veranschaulicht für ein gegebenes spezifisches Gewicht γ des strömenden Mediums die Werte des Antriebsdrehmoments M eines innerhalb einer Strömung um eine senkrecht zur Strömungsrichtung stehende Achse mit konstanter Drehzahl rotierenden Körpers in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit c. Der rotierende Körper besitzt eine Form, die eine Energieentnahme aus der Strömung ausschließt. Die Ordinaten M der Kurve sind dem spezifischen Gewicht proportional, so daß sich für jedes spezifische Gewicht eine andere Kurve ergeben würde. Bei steigender Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, innerhalb dessen der Körper rotiert, steigt bis zu einer Strömungsgeschwindigkeit c_x das Antriebsdrehmoment zunächst längs einer gekrümmten Kurve bis zu einem Wert M_x an. Bei Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb C_x verläuft der Anstieg· des Antriebsdrehmoments dann linear. Innerhalb dieses linearen Bereiches werden erfindungsgemäß die Messungen durchgeführt.

Um sicherzustellen, daß die in den Zeichnungen dargestellten Geräte stets in dem richtigen Geschwindigkeitsbereich arbeiten, wird der in Fig. 2, 3 und 4 durch Pfeile r veranschaulichten Strömung des zu messenden Mediums eine durch die Pfeile r' angedeutete Zusatzströmung überlagert, die im Meßbereich eine konstante Geschwindigkeit c_z Ξ> C_x besitzt. Im Meßbereich hat das strömende Medium also jeweils eine Geschwindigkeit c= C₀ + c_z, wobei C₀ die durch den Gasverbrauch bedingte Strömungs- 125-geschwindigkeit bedeutet.

In den Geräten gemäß Fig. 2, 3, 4 und 5 sind übereinstimmend die folgenden Bauglieder vorgesehen: Ein Drehstrommotor I mit Kurzschlußanker, welcher bei übersynchroner Drehzahl umläuft und somit als asynchroner Generator arbeitet, also ein angetriebenes Teil darstellt; "ein in dem strömenden Medium um eine zur Strömungsrichtung senkrechte Achse rotierendes Organ II; ein asynchroner Drehstrommotor III mit Kurzschlußanker, der als Antriebsmaschine für die beweglichen Glieder des Gerätes dient; ein Differentialgetriebe IV; und ein die Zusatzströmung bewirkendes Gebläse V oder V.

Im einzelnen wird die Erfindung nunmehr zunächst an Hand des Gerätes gemäß Fig. 2 erläutert.

Das strömende Medium, dessen gewichtsmäßiger

Verbrauch gemessen werden soll, durchströmt die Leitung21 in Richtung der Pfeiler. In dem Strö-

mungsweg befindet sich das rotierende Organ II, das gemäß Fig. 2 als ein mit ebenen Schaufeln ausgestattetes Flügelrad 15 vorgesehen, ist, dessen senkrecht zur Strömungsrichtung stehende Drehachse 2 mit der Schnittlinie der Schaufelebenen zusammenfällt. Der Antriebsmotor III treibt über eine Welle 3 die Welle 1 des asynchronen Generators I an, und zwar unter Zwischenschaltyng an sich bekannter Getriebe.

Das Differentialgetriebe IV, das in Fig. 2 in der Form eines Planetengetriebes dargestellt ist, stellt die kinematische Verbindung zwischen den Wellen, i, 2 und 3 her. Das Differentialgetriebe enthält ein Stirnrad 4, welches mit der von dem Motor III angetriebenen Welle 3 starr verbunden . ist, ferner ein mit der Windflügelrad welle 2 starr verbundenes Stirnrad S, ein mit der den asynchronen Generator I antreibenden Welle 1 starr verbundenes Gehäuse 6 und die Satellitenräder 8 und 9. Jedes Satellitenrad 8 ist auf der gleichen Welle 10 aufgekeilt, wie das ihm benachbarte Satellitenrad 9, wobei die Welle 10 innerhalb von Lagerungen 11 umläuft, die in die Seitenwände des Gehäuses 6 eingearbeitet sind. Am Umfange des Gehäuses 6 des Differentialgetriebes IV sind schaufelartige, vorzugsweise radial stehende Flächen 7 angeordnet.

Der Antriebsmotor III treibt nicht nur die zum Differentialgetriebe IV führende Welle 3 an, sondern auch eine Einrichtung, mittels deren die zusätzliche Strömung konstanter Geschwindigkeit erzeugt wird. Die Zusatzströmung bildet sich in den mit 20 bezeichneten Teilen des Kanals aus, der zwischen den Wandungen eines die Bauglieder I,

III und V umschließenden äußeren Gehäuses 12 und den Wandungen eines das Differentialgetriebe

IV enthaltenden inneren Gehäuses 13 liegt.

Gemäß Fig. 2 dient zur Erzeugung der zusätzlichen Strömung ein Axialgebläse V. Um bei Verwendung eines Axialgebläses, die Konstanz der zusätzlichen Strömung sicherzustellen, ist es zweckmäßig, eine Regelvorrichtung an sich bekannter Bauart vorzusehen. In Fig. 2 ist hierfür eine selbsttätig arbeitende Vorrichtung 16 zur Verstellung der Steigung der Luftschraube 17 des Axialgebläses schemätisclj angedeutet.

Das innere Gehäuse 13 ist gegenüber dem äußeren Gehäuse 12 nicht abgedichtet, so daß es zwar mit dem gleichen, in gleichem Zustand befindlichen und das gleiche spezifische Gewicht aufweisenden Medium wie das Gehäuse 12 gefüllt ist, ohne daß jedoch das Medium innerhalb des Gehäuses 13 an der innerhalb der Leitungen 20, 21 vorhandenen strömenden Bewegung teilnimmt. Der zwischen dem inneren Gehäuse 13 und dem äußeren Gehäuse 12 liegende Kanal 20 mündet in die Leitung 21, in der das rotierende Flügelrad 15 derart angeordnet ist, daß seine Drehachse 2 senkrecht zur Achse der Leitung 21 und somit senkrecht zur Strömungsrichtung des innerhalb der Leitung 21 strömenden Mediums steht.

Das Flügelrad 15 wird von dem Elektromotor III angetrieben. Dieser als Antriebsmittel aller bewegliehen Teile dienende Motor III wird aus dem elektrischen Verteilungsnetz 30 gespeist, das über Schalter 31 angeschlossen wird. Die elektrischen Zuleitungen 32 werden von außen her mittels Dichtungen 34 gasdicht durch das Gehäuse 12 hindurch zu den, Anschlußklemmen u, v, w des Motors III geführt. Dasselbe gilt für die elektrischen Leitungen 33 des asynchronen Generators I.

In die den asynchronen Generator I mit dem Verteilungsnetz verbindenden elektrischen Leitungen 33 ist als integrierendes Meßgerät ein Wechselstromzähler VI bekannter Bauart eingeschaltet, der die seit der vorhergehenden Ablesung verbrauchte Gasmenge abzulesen gestattet. Es könnte auch zusätzlich noch ein (nicht gezeichnetes) Wattmeter bekannter Bauart zur jeweiligen Anzeige des augenblicklichen gewichtsmäßigen Flusses in die gleiche elektrische Leitung eingeschaltet werden.

Asynchrone Drehstrommotoren zeichnen sich bekanntlich dadurch aus, daß das von ihnen entwickelte Drehmoment bei synchroner Drehzahl, d. h. bei einer der Drehzahl des magnetischen Feldes gleichen Drehzahl, zu Null wird und daß bei Unterschreiten dieser Drehzahl das Drehmoment außerordentlich steil anwächst, so daß das widerstehende Drehmoment des angetriebenen Mittels bei einer Drehzahl ausgeglichen wird, die sich nur sehr unwesentlich von der synchronen Drehzahl unterscheidet. Daher ist die Drehzahl des asynchronen Motors innerhalb gewisser Grenzen praktisch von der Belastung unabhängig. Aus diesem Grunde bleibt auch die Drehzahl des Antriebsmotors III praktisch unveränderlich.

Der asynchrone Drehstrommotor kann nur dann auf eine übersynchrone Drehzahl gebracht werden, wenn man ihn von außen her durch ein in Umlaufrichtung wirkendes Drehmoment antreibt, da bei Überschreiten der synchronen Drehzahl der asynchrone Motor zur angetriebenen Maschine wird und somit keine Leistung mehr abgibt, son- xso dem aufnimmt und damit zum asynchronen Generator wird. Die von dem asynchronen Generator in einem bestimmten Zeitintervall in das Netz abgegebene elektrische Energiemenge wird an dem Drehzähler VI abgelesen.

Das widerstehende Drehmoment des asynchronen

Generators wächst bei Überschreiten der synchronen Drehzahl sehr steil an, so daß in gewissen Grenzen jedes beliebige, seiner Welle zugeführte treibende Drehmoment bei einer Drehzahl ausgeglichen wird, die sich nur wenig von der synchronen Drehzahl unterscheidet und auch bei Belastungsänderungen praktisch nicht verliert. Daher bleibt die Drehzahl des asynchronen Generators I praktisch konstant. Diese Betriebseigenschaften ίο des asynchronen Generators I und des asynchronen Motors III sowie die kinematische Eigenart der vermittels des Differentialgetriebes IV verwirklichten kinematischen Verbindung zwischen den Wellen i, 2 und 3 führt zu folgendem Ergebnis: Der Richtungssinn des treibenden Drehmoments der Welle 3 ist dem Richtungssinn ihrer Winkelgeschwindigkeit gleichgerichtet. Das Drehmoment der Welle 2 des Windflügelrades II ist ein angetriebenes, da das Windflügelrad erfindungsgemäß stets als angetriebenes Mittel fungiert. Daher ist der Richtungssinn des. Drehmoments der Welles dem Richtungssinn ihrer Winkelgeschwindigkeit entgegengerichtet. Aus den besonderen kinematischen Merkmalen des Differentialgetriebes IV eras gibt es sich aber, daß aus Gleichgewichtsgründen das Drehmoment der Welle 2 den entgegengesetzten Richtungssinn hat wie das Drehmoment der Welle 3. Die Wellen 2 und 3 müssen also den gleichen Drehsinn haben.

Die Größe des innerhalb des aus Welle 1 und Gehäuse 6 bestehenden Drehkörpers wirkenden Drehmoments der Welle 1 hängt sowohl von der Größe des widerstehenden Drehmoments des asynchronen Generators I als auch von der Größe des hydrodynamischen, gleichfalls widerstehenden Reaktionsmoments ab, das sich der Drehung des mit den Schaufeln 7 versehenen Gehäuses 6 widersetzt und das von dem innerhalb des inneren Gehäuses 13 befindlichen;, an der Strömungsbewegung in der Leitung nicht teilnehmenden Medium herrührt. Der aus Welle 1 und Gehäuse 6 bestehende Drehkörper wird im folgenden kurz als Drehkörper T bezeichnet.

Erfindungsgemäß hat das mit der Welle 2 starr verbundene Stirnrad 5 stets einen geringeren Durchmesser als das mit der Welle 3 starr verbundene Stirnrad 4. Da die Drehmomente der Wellen 3 und 2 einander entgegengerichtet sind, übertragen die mit den Satellitenrädern 8 und 9 starr verbundenen Satellitenwellen 10 auf das Gehäuse 6 Kräfte, deren um die Drehachse des Gehäuses 6 genommenen Momente ein Gesamtdrehmoment ergeben,' das dem treibenden Drehmoment der Welle 3 gleichgerichtet und somit dem Drehmoment des Drehkörpers T entgegengerichtet ist. Hierdurch wird dieser Drehkörper ins Gleichgewicht gesetzt.

Daher ist das innerhalb des Drehkörpers T wirkende Drehmoment dem der treibenden Welle 3 entgegengerichtet. Da es sich bei dem Drehkörper T um einen angetriebenen Drehkörper handelt, ist daher der Drehsinn dieses Drehkörpers der gleiche wie derjenige der treibenden Welle 3. Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß die Wellen 1,2 und 3 im gleichen Drehsinn umlaufen, daß die Welle 3 eine treibende Welle ist, während es sich bei den Wellen 1 und 2 um angetriebene Wellen handelt, und daß die Drehzahlen der Wellen 1 und 3 praktisch unveränderlich bleiben, da sie allein von den Drehzahlen des asynchronen Generators I bzw. des asynchronen Motors III abhängen, die praktisch konstant bleiben.

Aus der Tatsache, daß bei jedem Differentialgetriebe die Drehzahl der dritten Welle durch die Drehzahlen der beiden anderen Wellen bestimmt ist, ergibt sich, daß infolge der praktischen Konstanz der Drehzahlen der Wellen 1 und 3 auch die Drehzahl der Welle 2 und mit ihr diejenige des Windflügelrades II praktisch konstant bleibt.

Ferner bestimmt bei jedem Differentialgetriebe das Drehmoment einer Welle die Größe der Drehmomente der restlichen beiden Wellen. Im vorliegenden Fall bestimmt also das widerstehende Drehmoment der Welle 2 des Windflügelrades II eindeutig sowohl das treibende Drehmoment der Welle 3 als auch das innerhalb des Drehkörpers T wirkende widerstehende Drehmoment.

Bei einem gegebenen Flügelrad 15 hängt jedoch dessen widerstehendes Drehmoment allein von der Geschwindigkeit c und dem spezifischen Gewicht γ go des strömenden Mediums ab, sofern die Drehzahl des Flügelrades wie vorliegend konstant bleibt.

Eine gegebene Strömungsgeschwindigkeit c und ein gegebenes spezifisches Gewicht γ des strömenden Mediums legen also nicht nur die Größe des Drehmoments der Flügelradwelle 2 eindeutig fest, sondern auch die Größe des Drehmoments innerhalb der Welle 3 und die Größe des gesamten Drehmoments, das vermittels der Satellitenräder 8 und 9 auf dem Drehkörper T abgesetzt wird. Das treibende Drehmoment der Welle 3 kann innerhalb gewisser Grenzen jeden beliebigen, durch die Gleichgewichtsbedingungen vorgeschriebenen und durch die Größe des widerstehenden Moments -des Flügelrades 15 eindeutig festgelegten Wert annehmen, da innerhalb gewisser Grenzen der asynchrone Motor III jedes beliebige Drehmoment bei praktisch unveränderter Drehzahl hergeben kann. Das gleiche gilt auch für die Welle 1, da auch der asynchrone Generatori in gewissen Grenzen jedes beliebige widerstehende Drehmoment bei praktisch unveränderter Drehzahl aufnehmen kann.

Das gesamte auf den Drehkörper T abgesetzte Drehmoment wird jedoch nicht allein von dem widerstehenden Drehmoment des asynchronen Generators I ins Gleichgewicht gesetzt, sondern auch von dem hydrodynamischen Reaktionsmoment, das sich der Drehung des mit den Schaufeln 7 versehenen Gehäuses 6 widersetzt.

Wird in dem Sonderfall, daß an der Meßstelle eine Strömungsgeschwindigkeit c = C_x besteht, dem hydrodynamischen Reaktionsmoment des rotierenden Gehäuses 6 ein Wert verliehen, der gerade ebenso groß ist wie der des bei Einwirken des entsprechenden widerstehenden Moments M = M_x des Windflügelrades II sich aus, den Gleichgewichts-

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dieses Moment für c = C_x den Wert Null aufbedingungen ergebenden gesamten auf den Drehkörper T abgesetzten Drehmoments, so wird das dem asynchronen Generator I zugeführte Moment zu Null. Unter diesen Umständen nimmt also der asynchrone Generator keine mechanische Leistung auf und gibt also dementsprechend auch keine elektrische Leistung nach außen ab. Er läuft bei genau synchroner Drehzahl leer um.
An den eben geschilderten Verhältnissen würde

ίο sich auch nichts ändern, wenn bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit und selbstverständlich bei gleicher Drehzahl des Flügelrades 15 das spezifische Gewicht γ des Mediums eine beliebige Änderung erfahren würde. Denn das hydrodynamische Reaktionsmoment des rotierenden Gehäuses 6 ist genauso wie das widerstehende Moment des Windflügelrades II dem spezifischen Gewicht γ proportional.

Da nun das wiaerstehende Moment des mit konstanter Drehzahl umlaufenden Flügelrades 15 von C = C_x ab linear mit der Strömungsgeschwindigkeit c -anwächst, hat man für das widerstehende Moment bei c~>c_x:
Widerstehendes Moment des Flügelrades M — k

»5 (p-Cx) + M_x, worin M_x das der Geschwindigkeit C_x entsprechende Moment und k ein. Proportionalitätsfaktor ist. Dann wächst das dem asynchronen Generator I zugeführte Drehmoment gleichfalls linear mit 3er Strömungsgeschwindigkeit c an, wobei

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weisen würde.

Da nun aber die dem asynchronen Generator I zugeführte mechanische Leistung dem Produkt aus Drehmoment und Drehzahl proportional ist, wobei diese letztere praktisch konstant bleibt, so ist die von dem asynchronen Generator 1 gelieferte elektrische Leistung von c = c_x an der Geschwindigkeit c proportional, wobei diese Leistung unabhängig vom Betrage des spezifischen Gewichts γ des strömenden Mediums für die Geschwindigkeit c — c_x gleich Null 'ist.

Trägt man in einem Schaubild den Verlauf des widerstehenden Moments M auf, welches dem in der beschriebenen Weise geformten rotierenden Körper II zugeführt werden muß, um diesen bei konstanter Drehzahl und bei gegebenem spezifischem Gewicht γ anzutreiben, wobei wie gesagt die Drehachse senkrecht zur Strömungsrichtung steht, so erhält man die in Fig. 1 dargestellte Kurve. Zu der für ein bestimmtes spezifisches Gewicht γ geltenden Fig. ι wäre noch zu bemerken, daß die Ordinaten der dort dargestellten Kurve dem spezifischen Gewicht γ proportional sind. Es ergibt sich also: widerstehendes Moment M des Körpers II =ky (C-C_x)+M_x.

Erfindungsgemäß wird der Körper II mit einer Geschwindigkeit c angeströmt, deren Betrag durch die Summe: c = c₀ + c_z gegeben ist.

Führt man in die oben für M angegebene Formel c = c₀ + C₇, ein, so erhält man, wenn erfindungsgemäß das Axialgebläse V (bzw. das Kapselgebläse V') am Orte des Körpers II eine konstante und somit von γ unabhängige Zusatzgeschwindigkeit c₂ schafft, die zumindest gleich der Geschwindigkeit c_x sein muß, ab welcher die in Fig. 1 dargestellte Kurve einen linearen Verlauf aufweist, widerstehendes Moment M. des Körpers H = Ay c₀ + M_x.

Erfindungsgemäß werden dem hydrodynamischen Widerstandsbeiwert des mit den. Schaufeln^ verseheneni Gehäuses. 6 sowie der Drehzahl dieses letzteren Werte verliehen·, die das Entstehen eines hydrodynamischen, der Rotation entgegenwirkenden und dem spezifischen Gewicht γ des Mediums proportionalen Drehmoments von solcher Größe gewährleisten, daß, wenn der Körper II mit der Geschwindigkeit c_z ^ c_x angeströmt wird und wenn also das widerstehende Moment dieses letzteren, welches wiederum dem spezifischen Gewicht γ des strömenden Mediums proportional ist, laut Fig. 1 gleich M_x ist bzw. einen Wert hat, der laut Fig. 1 c = c_z^>c_x entspricht, das Gleichgewicht der ganzen Anordnung ohne Zutun des asynchronen Generators I, welcher unter diesen Umständen leer umläuft, hergestellt wird. Unter diesen Umständen wird das dem asynchronen Generator I zugeführte Drehmoment dem Produkt γ · C₀ proportional sein, und da die Drehzahl des asynchronen Generators I praktisch konstant bleibt, so wird sich auch eine Proportionalität zwischen der ihm zugeführten mechanischen Leistung und dem Produkt γ · C₀ ergeben.

Infolgedessen wird also auch die von dem asynchronen Generator I erzeugte elektrische Leistung dem Produkt γ · C₀ proportional sein. Man erhält also: Vom Generator I abgegebene elektrische Leistung N = ky · c₀, C₀ ist aber die effektive durch den Verbrauch bedingte Strömungsgeschwindigkeit, wobei der effektive, durch den Verbrauch bedingte gewichtsmäßige Gasfluß durch: gewichtsmäßigerFluß = γ · C₀- F kg/sec gegeben ist (worin F der lichte Querschnitt der Leitung ist). Es ergibt sich also, daß die von dem asynchronen Generator I abgegebene elektrische Leistung dem gewichtsmäßigen durch den Verbrauch bedingten Fluß (kg/sec) proportional ist.

Gemäß Fig. 3 ist das in Fig. 2 dargestellte Gerät dadurch abgeändert, daß stromaufwärts von dem rotierenden Körper II ein konisch verjüngter Stutzen, also ein Venturirohr 23, vorgesehen ist. Das Venturirohr 23 ist in der Leitung 21 an derjenigen Stelle vorgesehen, an der die durch das Gebläse V erzeugte Zusatzströmung (Pfeil /) in die Hauptströmung (Pfeil r) eintritt. Die Anordnung ist so getroffen, daß der Zusammentritt der Zusatzströmung und der Hauptströmung im engsten Teil 24 des Venturirohres erfolgt.

Der durch das Venturirohr bedingte, mit .der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums anwachsende Unterdruck am Ort des Zusammenflusses wirkt der Druckzunahme entgegen, die sich sonst infolge des hydrodynamischen Widerstandes des rotierenden Körpers II bei wachsender Verbrauchsgeschwindigkeit einstellen könnte.

Bei Verwendung eines Axialgebläses wird die erforderliche Konstanz der zusätzlichen Strömung

daher durch Einwirken einer Regelvorrichtung 16 erzielt.

Da Fig. 3 nur der Veranschaulichung der soeben geschilderten baulichen Einzelheit dient und das in S Fig. 3 dargestellte Gerät im übrigen entsprechend den in den Fig. 2, 4 und 5 veranschaulichten Geräten gebaut sein kann, ist in Fig. 3 nur der allgemeine Aufbau angedeutet. Einzelheiten sind fortgelassen, so beispielsweise Einzelheiten des Differentialgetriebes, die elektrischen Leitungen für die Elektromotoren III und I sowie die Ablesegeräte. In Fig. 4 und 5 ist ein Gerät dargestellt, das im allgemeinen Aufbau dem Gerät nach Fig. 2 bzw. 3 entspricht, jedoch sind die folgenden Unterschiede vorhanden.

Als in der resultierenden Strömung (Verbrauchsströmung plus Zusatzströmung) rotierender Körper II ist ein Scheibenkörper angebracht, der eine Mehrzahl von zueinander parallelen, um die gleiche Drehachse rotierenden Scheiben enthält. Die Scheibenebenen stehen senkrecht zur Drehachse. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform eines solchen aus einer Mehrheit von Scheiben bestehenden Scheibenkörpers sitzen auf einer gemeinsamen Büchse 47 eine Mehrzahl zueinander paralleler Scheiben 45_ß, 45^ 45c ··· 45i, 45m- Wie bei 48 angedeutet, ist die Büchse 47 kraftschlüssig auf der lotrecht zu den Scheibenebenen stehenden Welle 42 befestigt. Die Welle wird ganz entsprechend der Welle 2 des Geräts nach Fig. 2 von dem Elektromotor III aus über Differentialgetriebe IV mit konstanter Drehzahl angetrieben.

In der in Fig. 4 und 5 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform haben aufeinanderfolgende Scheiben untereinander verschiedene Durchmesser, und zwar ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Anordnung so getroffen, daß die Umhüllende der Scheiben eine Kugelfläche ist. Ein größter Kugelkreis k dieser Fläche ist in Fig. 5 angedeutet.

Die Zusatzströmung (Pfeile /) wird im vorliegenden Fall durch ein Kapselgebläse V, z. B. durch ein Rootsgebläse, erzeugt, das ebenfalls von dem Elektromotor III aus angetrieben wird. Das Kapselgebläse V ist so angeordnet, daß es den Kanal 20 vollständig abschließt, so daß der gesamte Gasdurchgang der Zusatzströmung durch das Kapselgebläse V hindurch erfolgen muß. Die Eintrittsseite ist durch Pfeil e bezeichnet. An der gegenüberliegenden Seite des Kapselgebläses erfolgt bei Pfeil d der Gasaustritt.

Weitere Einzelheiten brauchen bezüglich des Geräts nach Fig. 4 und 5 nicht beschrieben zu werden, da sie sich aus der im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 gegebenen Beschreibung ergeben.

An Stelle eines Scheibenkörpers kann als rotierender Körper unter Umständen auch eine einzelne Scheibe verwendet werden, wie in Fig. 6 angedeutet ist. Die Scheibe 55 wird durch die lotrecht zur Scheibenebene stehende angetriebene Welle 52 in Rotation versetzt.

Um eine Abhängigkeit der Strömungseigenschaften der Scheibe 55 von der Reynoldschen Zahl zu vermeiden, ist die Oberfläche 56 der Scheibe allseitig gleichmäßig aufgerauht. Eine solche Aufrauhung kann auch für die Scheiben des Scheibenkörpers gemäß Fig. 4 und 5 zweckmäßig sein. Der Deutlichkeit halber ist in Fig. 6 bei 56 die Aufrauhung zeichnerisch übertrieben dargestellt.

Claims (19)

70 Patentanspküche:

1. Verfahren zur Messung des Massenflusses (kg/sec) oder der gesamten in einem bestimmten Zeitintervall durch einen Leitungsquerschnitt geflossenen Menge (kg) eines strömenden Mediums, insbesondere eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsdrehmoment eines mit konstanter Drehzahl innerhalb des strömenden Mediums um eine zur Strömungsrichtung senkrechte Achse angetriebenen, zu einer durch die Drehachse gehenden Ebene symmetrischen Körpers bzw. das Zeitintegral des Antriebsdrehmoments gemessen wird.

2. Verfahren zur Messung des Massenflusses eines strömenden Mediums nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömung des Mediums eine zusätzliche Strömung mit einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit überlagert wird und die Differenz der beiden Drehmomente, die zur Drehung des Körpers mit konstanter Drehzahl in der Gesamtströmung und in der Zusatzströmung allein gemessen wird.

3. Verfahren zur Messung der gesamten in einem bestimmten Zeitintervall durch einen Leitungsquerschnitt geflossenen Menge eines strömenden Mediums nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des Mediums eine zusätzliche Strömung mit einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit überlagert wird und das Zeitintegral der Differenz der beiden Drehmomente, die zur Drehung des Körpers mit konstanter Drehzahl in der Gesamtströmung und in der Zusatzströmung allein gemessen wird.

4. Verfahren zur Messung des Massenflusses eines strömenden Mediums nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt der Größe des Drehmoments bzw. der Differenz der beiden Drehmomente die dem Drehmoment direkt proportionale Energie gemessen wird, die dem Drehkörper eine konstante Drehzahl erteilt.

5. Verfahren zur Messung der gesamten in einem bestimmten Zeitintervall durch einen Leitungsquerschnitt geflossenen Menge eines strömenden Mediums nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt der Größe des Zeitintegrals des Antriebsdrehmoments bzw. der Differenz der Drehmomente das Zeitintegral der dem Drehmoment direkt proportionalen Energie gemessen wird, die dem Drehkörper eine konstante Drehzahl erteilt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 4, gekennzeichnet durch einen um eine zur Strömungsrichtung

senkrechteAchse mit konstanter Drehzahl angetriebenen, zu einer durch die Drehachse gehenden Ebene symmetrischen Körper und Mittel zur Messung· des Antriebsdrehmoments des mit der konstanten Drehzahl umlaufenden Körpers. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch ι und 5, gekennzeichnet durch einen um eine zur Strömungsrichtung senkrechte Achse mit konstanter Drehzahl angetriebenen, zu einer durch die Drehachse gehenden Ebene symmetrischen Körper und Mittel zur Messung des Zeitintegrals des Antriebsdrehmoments des mit der konstanten Drehzahl umlaufenden Körpers.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch, einen um eine zur Strömungsrichtung senkrechte Achse mit 'konstanter Drehzahl angetriebenen symmetrischen Körper, Mittel zur Erzeugung einer zusätzlichen Strömung und Mittel zur Messung der Differenz der beiden Drehmomente, die zur Drehung des Körpers in der Gesamtströmung und in der Zusatzströmung allein erforderlich sind.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet durch einen um eine zur Strömungsrichtung senkrechte Achse mit konstanter Drehzahl angetriebenen symmetrischen Körper und Mittel' zur Erzeugung einer zusätzlichen Strömung und Mittel zur Messung des Zeitintegrals der Differenz der beiden Drehmomente, die zum Antrieb des Körpers in der Gesamtströmung und in der Zusatzströmung allein erforderlich sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Drehkörpers ein Elektromotor (I) angeordnet ist, dessen Aufnahme an elektrischer Energie als Maß für das Drehmoment dient.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche'6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem strömenden Medium rotierende Körper (II) aus wenigstens einer flachen Kreisscheibe (45) mit vorzugsweise aufgerauhter Oberfläche oder aus einem mit ebenen Schaufeln ausgestatteten Flügelrad (15) besteht, dessen Drehachse (2) mit der Schnittlinie der Schaufelebenen zusammenfällt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das den rotierenden Körper (II) antreibende Mittel (III) gleichzeitig die Zusatzströmung erzeugt, vorzugsweise entweder mittels eines Kapselgebläses (V) oder mittels eines Axialgebläses (V) mit an sich bekannter zur Konstanthaltung der Geschwindigkeit (c₂) der zusätzlichen Strömung dienenden Regelvorrichtung (16).

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts vor dem rotierenden Körper (II) an der Stelle des Zusammenflusses der Hauptströmung mit der Zusatzströmung ein Venturirohr (23) angeordnet ist, vorzugsweise derart, daß der Zusammenfluß im engsten Querschnittsbereich (24) des Venturirohres erfolgt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des rotierenden Körpers (II) über ein Differentialgetriebe, vorzugsweise ein Stirnraddifferentialgetriebe (IV) dergestalt erfolgt, daß die eine Differentialwelle (2, 42, 52) mit dem rotierenden Körper (II) die andere Differentialwelle (3) mit dem Antriebsmotor (HI) und die dritte Welle (1) sowohl mit einem als angetriebenes Mittel arbeitenden Aggregat (I) als auch mit dem Gehäuse (6) des Differentialgetriebes (IV) starr verbunden ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Differentialgetriebe (IV) der Durchmesser des mit der Welle (2) des rotierenden Körpers (II) verbundenen Sonnenrades (5) kleiner ist als der Durchmesser des mit der treibenden Welle (3) verbundenen Sonnenrades (4).

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) des Differentialgetriebes (IV) innerhalb eines mit der eigentlichen Gasleitung (20, 21) kommunizierenden und daher mit dem gleichen, jedoch ruhenden Medium gefüllten Gehäuses (13) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgehäuse (6) hinsichtlich seines hydrodynamischen Widerstandes derart ausgebildet, z. B. mit Schaufeln (7) ausgestattet ist, daß bei Nullverbrauch das Gleichgewicht der gesamten Anlage ohne Zutun des angetriebenen Aggregats (I) hergestellt ist, so daß das Aggregat (I) leer umläuft.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Antrieb aller Bewegungselemente und zur Aufrechterhai tung der Zusatzströmung dienende Energiequelle ein asynchroner Drehstrommotor (III) ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das als zweites angetriebenes Mittel vorgesehene Aggregat (I) ein asynchroner Drehstrommotor mit Kurzschluß anker ist, der bei übersynchroner Drehzahl als asynchroner Generator wirkt, wobei vorzugsweise die von dem asynchronen Drehstromgenerator (I) abgeführte Energie (Wattstunden) durch einen an sich bekannten Wattstundenmesser (VI) bzw. die abgeführte Leistung (Watt) durch einen an sich bekannten Wattmesser meßbar ist.

In Betraccht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 567055;
USA.-Patentschrift Nr. 2 591 478.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen