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Strömungsfühlvorrichtung zum Wahrnehmen von Strömungen in einer Leitung
Die Erfindung betrifft Strömungsfühlvorrichtungen und Strömungsmesser für Fluide
(d. h. für Flüssigkeiten oder Gase) und befaßt sich im besonderen mit der direkten
Ableitung eines aus dem fließenden Strom sich ergebenden Ausgangs, der eine Funktion
der Massenströmungsgeschwindigkeit des fließenden Stromes ist, wobei dieser Ausgang
dann in eine wahrnehmbare Anzeige der Massenströmung umgewandelt wird.
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Um diese Aufgabe zu lösen, ist gemäß der Erfindung bei einer Strömungsfühlvorrichtung
zum Wahrnehmen von Strömungen in einer Leitung vorgesehen, daß zur Einleitung von
Signalimpulsen ein erster und ein zweiter Signalgeber vorhanden sind, von denen
jeder zwei zusammenwirkende Geberelemente, und zwar ein Signalerzeugungselement
und ein Signalweitergabeelement, aufweist, daß ein Geberelement des ersten Signalgebers
mit einem Geberelement des zweiten Signalgebers federnd verbunden und durch die
Strömung relativ zueinander um einen Betrag beschränkt winkelverschiebbar ist, der
eine Funktion des Strömungsimpulses ist, daß je ein Geberelement des ersten und
zweiten Signalgebers gegen Rotation gesichert und die anderen beiden Geberelemente
der Signalgeber rotierbar angeordnet sind, wobei die Winkelgeschwindigkeit der Rotation
proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist, und daß die gesamte Anordnung derart
ist, daß in jedem Geber beim Vorbeigang des rotierbar angeordneten Geberelementes
an dem gegen Rotation gesicherten Geberelement ein von dem Signalerzeugungselement
ausgehendes Signal dem Signalweitergabeelement zuleitbar ist, wobei das zwischen
der Zuleitung der Signale zu den Signalweitergabeelementen der beiden Geber liegende
Zeitintervall eine Funktion der relativen Winkelverschiebung der federnd verbundenen
Geberelemente und der Winkelgeschwindig keit der rotierbar angeordneten Geberelemente
und damit eine Funktion der Massenströmungsgeschwindig keit ist.
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Vorzugsweise ist die Anordnung so getroffen, daß die Signalerzeugungselemente
auf durch das Fluidum betätigten Rotoren angeordnet sind, die in bezug auf die Strömung
verschieden übersetzt sind, so daß ein Rotor dem anderen vorzueilen versucht und
daß die federnde Verbindung zwischen den Signalerzeugungselementen ein Torsionsglied
ist, das eine gemeinsame Drehung der Rotoren herbeiführt, wobei die Geschwindigkeit
eine Funktion der Geschwindigkeit der Strömung ist.
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Die Zwangsmittel sind derart angeordnet, daß die Rotoren eine im
wesentlichen vorbestimmte oder phasengleiche Winkelbeziehung bei einer minimalen
Strömung und eine progressiv zunehmende, durch die
auf die Zwangsmittel ausgeübte
Kraft gemessene Phasendifferenz bei zunehmender Massenströmung aufweisen.
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In einer bevorzugten und einfachen Ausführungsform sind die Rotoren
koaxial hintereinander angeordnet, und die Mittel zur Zwangseinwirkung auf die Rotoren,
um sie gemeinsam rotieren zu lassen, bestehen vorzugsweise aus einer Torsionsfeder,
die zwischen den Rotoren angeordnet ist und beide miteinander verbindet.
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Vorzugsweise sind ferner kombinierte Lager- und Abschirmglieder auf
der Oberströmungsseite der Rotoren angebracht, und ferner ist ein Lager an der Unterströmungsseite
des zweiten Rotors vorgesehen, wobei das kombinierte Lager- und Abschirmglied an
der Oberstromseite des zweiten Rotors auch als Unterstromlager für den ersten Rotor
dient und von hohler Konstruktion sein kann, so daß die Torsionsfeder in der Höhlung
angeordnet werden kann.
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Die einzelnen Rotoren können so eingerichtet sein, daß sie einen
oder mehrere elektrische Impulse pro Umdrehung erzeugen, und diese Impulse werden
nach Verstärkung und Differenzierung oder Wellenumformung über einen elektrischen
Trigger, zweckmäßigerweise einen Schmitt-Trigger, dazu benutzt, um ein elektronisches
Tor zu steuern, wobei der von dem vorlaufenden Rotor ausgehende Impuls zum Öffnen
des Tores und der von dem nachlaufenden Rotor ausgehende Impuls zum Schließen des
Tores dient. Wenn das Tor offen ist, werden Impulse eines mit konstanter
Frequenz
laufenden Zeitsteueroszillators durch das Tor hindurch und von dort über eine Kalibriervorrichtung
geleitet, die die richtige Kalibrierkonstante einführen, wodurch die eine konstante
Frequenz aufweisenden Impulse pro Periode in Masseneinheiten pro Zeiteinheit umgewandelt
werden und dann in einen digitalen, anzeigenden Geschwindigkeitszähler fließen.
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Dieser Zähler zeigt die Zählung an, bis der nächste Impuls des voreilenden
Rotors den Zähler auf Null zurücksetzt und ein neuer Zählvorgang beginnt.
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Um nun eine Anzeige der gesamten durch die Leitung hindurchgehenden
Masse zu erhalten, werden die die Massenströmung darstellenden Signalimpulse außerdem
durch ein sperrbares elektronisches Tor hindurchgeschickt. Dieses Tor wird in der
gleichen Weise wie das erste betätigt und wird durch einen Impuls des vorlaufenden
Rotors geöffnet und durch einen Impuls des nachlaufenden Rotors geschlossen. Doch
kann das zweite Tor nur periodisch, beispielsweise einmal pro Sekunde, geöffnet
werden. Wenn das Tor durch einen Impuls des nachlaufenden Rotors geschlossen wird,
so kann das Tor durch einen Impuls des vorlaufenden Rotors erst dann wieder geöffnet
werden, wenn es durch einen Impuls von dem Zeitsteueroszillator so vorbereitet wird,
daß eine solche Wiederöffnung möglich ist. Wenn das Tor entsprechend eingestellt
ist, so wird durch den nächsten vom vorlaufenden Rotor kommenden Impuls eine Zählung
der durch das Tor fließenden Impulse über einen Summierungsdigitalzähler begonnen,
der die aufeinanderfolgenden, einmal je Sekunde bewirkten Zählungen akkumuliert.
Dieser Zähler gibt die Gesamtsumme so lange, bis er wieder von Hand auf Null zurückgestellt
wird.
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Wenn ein analoger Ausgangswert erforderlich ist (Gleichstrom, der
zur Massenströmungsgeschwindigkeit und damit zur Anzahl der durch das Tor in einer
einzigen Periode hindurchgehenden Oszillatorimpulse proportional ist), kann ein
einfacher kapazitiver Netzwerkumwandler verwendet werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Leitungsstück, in dem ein mehrteiliger,
rotierender Fühler einer vorteilhaften Ausführungsform und die zugehörigen Signalerzeugungsmittel
dargestellt sind, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Anzeigemittel und des Stromkreises, durch die den vom Fühler abgeleiteten Impulsen
eine wahrnehmbare Bedeutung gegeben wird.
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In Fig. 1 ist ein Leitungsstück mit 10 bezeichnet, in dem drei Lagersternräder
12, 14 und 16 angeordnet sind, in denen mit Flügel versehene Rotoren 18 und 20 gelagert
sind, die koaxial zum Leitungsstück 10 und zueinander angeordnet sind. Das Sternrad
12 trägt ein stationäres Lager- und Abschirmglied 22, in dem ein vorderer Lagerzapfen
23 des Rotors 18 drehbar und verschiebbar angeordnet ist. Ein ähnliches, jedoch
hohles stationäres Lager- und Abschirmglied 24 ist im Sternrad 14 gelagert, in dem
ein hinterer Lagerzapfen 25 des Rotors 18 drehbar und verschiebbar angeordnet ist.
Im Lagerglied 24 ist ferner ein vorderer Lagerzapfen 27 des Rotors 20 drehbar und
verschiebbar angeordnet. In einem stationären, vom Sternrad 16 getragenen Lagerglied
26 ist ein hinterer Lagerzapfen 29 des Rotors 20 gelagert. Die Glieder 22 und 24
weisen konische Abschirmstücke auf, die mit den konischen Teilen des Rotors 18und
20 zusammenwirken, um so
die Rotoren vom Axialdruck im Einklang mit einem bekannten
Prinzip zu befreien.
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Wie oben erwähnt, ist das kombinierte Lager- und Abschirmglied 24
hohl, obgleich es im wesentlichen an seinen Enden durch die Lagerringe 30 und 32
geschlossen ist, die dicht gegen die zugehörigen Lagerteile des Rotors anliegen.
Ein innerhalb des Gliedes 24 angeordnetes Torsionsglied, beispielsweise eine Schraubenfeder
34, ist mit seinen entgegengesetzten Enden mit dem Lagerzapfen 25 des Rotors 18
und dem Lagerzapfen 27 des Rotors 20 verbunden. Die Rotoren 18 und 20 weisen Flügel
36 bzw. 38 auf, die in vorbestimmten Neigungen angeordnet sind, so daß sich jeder
einzelne Rotor mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit bei einer bestimmten
Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung dreht. Die Flügel 36 und 38 haben eine
unterschiedliche Durchschnittsteilung, so daß sie sich bei einer bestimmten Fluidumgeschwindigkeit
mit etwas verschiedenen Geschwindigkeiten drehen. Dabei dreht sich dann derjenige
Rotor schneller, dessen Flügel unter einer größeren Durchschnittssteigung zur Leitungsachse
angeordnet sind. Die Rotoren werden dann durch die Feder 34 gezwungen, sich im Einklang
miteinander mit einer Geschwindigkeit zu drehen, die ein Kompromiß zwischen den
natürlichen und ungehinderten Geschwindigkeiten der beiden Rotoren darstellt, wobei
jedoch die Geschwindigkeiten gegenseitig um einen Betrag phasenverschoben sind,
der eine Funktion der kinetischen Energie des strömenden Fluidums ist.
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Dies bedeutet, daß die Phasenverschiebung mit dem Quadrat der Fluidumgeschwindigkeit
und linear mit der Fluidumdichte zunimmt.
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Bevor die Konstruktion weiter beschrieben wird, ist es erwünscht,
genau die Faktoren zu analysieren, die sich auf die Phasenverschiebung der Rotoren
relativ zueinander bei gleichmäßigen Strömungsbedingungen auswirken. Das auf die
Feder 34 einwirkende Drehmoment ist gleich dem Unterschied der Antriebsdrehmomente,
die auf die Rotoren einwirken. Das Drehmoment T, das den voreilenden Rotor relativ
zum nacheilenden Rotor weiter vorbewegen will, ist T = CRDV2(tgA,-tgA2) (1) Hierin
bedeutet R den durchschnittlichen wirksamen Radius der Rotorflügel der beiden Rotoren,
D die Dichte (Masse pro Volumeneinheit) des Fluidums, V die Geschwindigkeit des
Fluidums, A1 die Durchschnittsflügelsteigung des voreilenden Rotors A2 die Durchschnittsflügelsteigung
des nacheilenden Rotors und C eine Konstante. Wenn die Konstante K für CR (tg A1
- tg A2) eingesetzt wird, ergibt sich T= KDV2. (2) Die Winkeldrehung X der Feder
kann wie folgt ausgedrückt werden: T = KDV2 = K1DY2 (3) k k Hierin bedeutet klein
k die Torsionsfederkonstante, und K, ist gleich K/k. Die Gleichung 3 bestätigt die
früher gemachte Angabe, daß die Winkelverschiebung oder die Phasenverschiebung der
Rotoren proportional der kinetischen Energie (momentum) des Fluidums ist. Es sei
besonders darauf hingewiesen, daß die Phasenverschiebung proportional dem Quadrat
der Geschwindigkeit und nicht etwa nur der Geschwindigkeit ist.
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Um die Massenströmungsgeschwindigkeit, DV pro Flächeneinheit, zu erhalten,
muß die Potenz, mit der
die Geschwindigkeit in Gleichung (3) behaftet
ist, um den Faktor 1 erniedrigt werden. Da die Geschwindigkeit des Fluidums in einem
normalen Strömungsmesser proportional der Drehgeschwindigkeit der Rotoreinrichtung
ist, so ergibt der erfindungsgemäße Fühler die Möglichkeit, die Potenz der Geschwindigkeit
um den gewünschten Faktor 1 zu erniedrigen. Dies ist nachstehend erläutert, wobei
die Zeit zwischen den von den zwei Rotoren stammenden Impulsen gegeben ist durch:
Zeit zwischen den Impulsen Winkelabstand ~~ X Winkelgeschwindigkeit 5 Die Winkelgeschwindigkeit
Seines Turbinenströmungsmessers ist VtgA S = -Daraus folgt, daß die Zeit zwischen
den Impulsen X = KRDV2 S VtgA K2DV ist, wobei K2 = eine Konstante ist.
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Damit ist die Zeit zwischen den Impulsen der zwei Rotoren ein direktes
Maß für die Massenströmungsgeschwindigkeit.
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Das Fühlelement ergibt die erforderlichen Signale in folgender Weise:
Ein Flügel jedes Rotors ist mit einer Magnetspitze 40 aus magnetischem Material
(beispielsweise rostfreiem Stahl Nr. 430) versehen. Die Drahtspulen 42 und 44 mit
ihren permanenten Magneten 46 bzw. 48 wirken mit den betreffenden Rotoren 18 und
20 zusammen und sind vorzugsweise in einer bestimmten Winkelstellung relativ zur
Leitungsachse angeordnet. Wenn die einzelnen mit der Magnetspitze versehenen Flügel
an der zugehörigen Spule vorbeigehen, so wird durch die Abnahme der Reluktanz ein
Strom in der betreffenden Spule induziert. Die Fluidumsgeschwindigkeit kann dadurch
festgestellt werden, daß die Zahl der Impulse pro Zeiteinheit für einen Rotor gezählt
wird, und die Zeit zwischen den von beiden Rotoren kommenden Impulsen ergibt die
Massenströmungsgeschwindigkeit wie oben beschrieben.
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Eine unmittelbare und bevorzugte Form einer Einrichtung zur Umwandlung
der zwischen den Impulsen der beiden 'Rotoren auftretenden Zeit in Massenströmungsgeschwindigkeit
und den gesamten Massendurchfluß ist schematisch in Fig. 2 dargestellt.
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Die von den Spulen 42 und 44 stammenden Impulse werden zuerst in
den mit 50 und 52 bezeichneten Verstärkern verstärkt und differenziert oder geformt,
wobei elektronische Trigger-Anordnungen nach Schmitt für eine genaue Zeitauflösung
verwendet werden. Der voreilende Impuls, der beispielsweise von der Spule 42 stammen
kann, wird dann durch einen Leiter 54 weitergegeben, um ein elektronisches Tor 56
zu öffnen, und der entsprechende nacheilende Impuls der Spule 44 fließt nach einer
Erzeugung durch einen Leiter 58 zum Tor 56, um dieses zu schließen. Wenn das Tor
offen ist, läßt man ein Wechselstromsignal, das von einem mit konstanter Frequenz,
beispielsweise 100000 Hz, arbeitenden Zeitsteueroszillator 59 stammt, durch das
Tor, durch eine Digitalkalibrier-
vorrichtung 60, die den richtigen Umwandlungsfaktor
zwischen Impulsen pro Periode und Masseneinheiten pro Sekunde einführt, hindurch
und von dort zu einem elektronischen Digitalzähler 61. Der Zähler zeigt dann die
Ablesung vom Schließen des Tores 56 bis zum nächsten Öffnen des Tores, wobei beim
nächsten Öffnen des Tores ein Teil des von der Spule 42 stammenden Verstärkerimpulses
über einen Leiter 62 an eine Vorrichtung 64 gegeben wird, die den Zähler auf Null
zurückstellt. Bei der beschriebenen Anordnung behält der Zähler seine maximale Ablesung
während des Hauptteiles jeder Periode bei.
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Der handelsüblich erhältliche elektronische Zähler kann als Massenströmungsgeschwindigkeitsanzeigesystem
50 bis 64 der Fig. 2 benutzt werden und ergibt eine Digitalablesung, die direkt
proportional der Massenströmungsgeschwindigkeit ist.
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Um nun eine Anzeige der während einer Arbeitsperiode weitergegebenen
Gesamtmasse zu erhalten, werden die durch das Tor hindurchgehenden, vom Oszillator
59 stammenden und die Massenströmungsgeschwindigkeit anzeigenden kalibrierten Signale
durch ein sperrbares elektronisches Tor 66 hindurchgeschickt.
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Dieses Tor 66 entspricht dem Tor 56. Es wird durch das verstärkte
Signal, das von der Spule 42 kommt und über den Leiter 68 weitergegeben wird, geöffnet
und durch das von der Spule 44 über den Leiter 70 kommende verstärkte Signal geschlossen.
Das Tor 66 wird jedoch nur dann durch einen von der Spule 42 stammenden Impuls geöffnet,
wenn es für eine solche Öffnung durch einen Impuls vorbereitet wurde, der von dem
Oszillator 72 stammt. Nach einer solchen Vorbereitung öffnet der erste von der Spule
42 stammende Impuls das Tor wieder und beginnt die Zählung.
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Aus vorstehendem ergibt sich, daß die während einer Nacheilungsperiode
erhaltene Zählung in den Zähler pro Sekunde eingegeben wird und daß daher einmal
pro Sekunde eine der Masseneinheiten pro Sekunde entsprechende Zählung über einen
Leiter 74 an einen elektronischen Digital-Ablesezähler 76 weitergegeben wird. Der
Zähler 76 wird nicht automatisch auf Null zurückgestellt, sondern akkumuliert die
Zählungen von Anfang bis zum Ende über irgendeine gewünschte Arbeitsperiode. Der
Zähler 76 zeigt daher die gesamte hindurchgeströmte Masse. Der Zähler kann durch
eine von Hand bediente Rückstellvorrichtung 78 zu jeder beliebigen Zeit auf Null
zurückgestellt werden.