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Vorrichtung zur Messung der Stoffgeschwindigkeit bzw. des Mengenstromes
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit
bzw. des Mengenstromes flüssiger, dampf- oder gasförmiger Stoffe in einem geschlossenen
Leitungssystem.
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Zu den dabei auftretenden meßtechnischen Problemen ist grundsätzlich
folgendes zu bemerken: Aufgaben der oben angegebenen Art werden vorwiegend nach
dem bekannten Wirkdruckverfahren durchgeführt. Hierbei handelt es sich um eine mittelbare
Messung, wobei der Stoff durch eine Einschnürung (Blende oder Düse) strömt und an
dieser einen Differenzdruck als Maß des Mengenstromes bildet.
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Dieses Arbeitsprinzip erfordert eine Einrichtung, bestehend aus a)
Wirkdruckgeber (Meßblende bzw. Düse), b) Differenzdruckmeßwerk (mit oder ohne Sperrstoff),
c) Wirkdruckleitungen [als Verbindungen zwischen a) und b)], d) Absperrarmaturen
(für Plus- und Minusleitung sowie Differenzdruckausgleich).
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Bei der Messung dampfförmiger Stoffe müssen das Meßwerk und die Wirkdruckleitungen
mit Wasser gefüllt sein, wodurch zusätzlich noch e) Kondenstöpfe als Wasservorlagen
zwischen a) und b) einzuschalten sind.
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Flüssigkeiten, die chemisch aggressiv wirken oder bei Abkühlung verdicken
bzw. auskristallisieren, zwingen zur Anwendung von f) Trenngefäßen, die den Meßstoff
gegen das Meßwerk abschließen.
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Entsprechend dem Betriebsdruck und den Eigenschaften des Meßstoffes
werden Ringwaage-, Plattenfeder- oder U-Rohr-Systeme zur mechanischen Darstellung
der Differenzdrücke bzw. deren Wurzelwerte als Zeigerausschläge benutzt. - In zahlreichen
Fällen muß der Meßstoff (explosions- bzw. feuergefährlich, chemisch aggressiv oder
giftig) vom Meßwerk des Anzeigers bzw. Schreibers für den Mengenstrom ferngehalten
werden. Des weiteren entspricht die Anwendung von Sperrstoff im Meßgerät - meist
Quecksilber - nicht mehr den neuzeitlichen betriebstechnischen Bedingungen.
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Diese Gesichtspunkte führten zur Entwicklung des Wirkdruckwandlers.
Ein solches Gerät besitzt ebenfalls ein Differenzdrucksystem als Eingangsglied.
Es gleicht einem Plattenfedermeßwerk, das von beiden Seiten druckmäßig belastet
wird. Der eingeprägte Differenzdruck stellt sich dabei nicht als Wegänderung (Ausschlag),
sondern durch eine Kraft dar. Die Ausgangsseite des Wandlers wertet die vom Differenzdruck
gebildete Meßkraft entweder in Luftdrücke oder Stromänderungen um, die dem Differenzdruck
verhältnisgleich sind. Hierdurch ergibt sich der »pneumatische« bzw. »elektrische«
Transmitter.
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Beim pneumatischen Transmitter wird die durch Kompensation der Meßkraft
notwendige Gegenkraft durch einen Luftdruck erzeugt, der den Differenzdruck abbildet.
Der elektrische Transmitter weist den Differenzdruck durch den Erregerstrom eines
Elektromagneten nach, der die Kompensationskraft aufbringt. Der Transmitter kann
in unmittelbarer Nähe des Meßortes angebracht werden. Sein pneumatisches bzw. elektrisches
Ausgangssignal läßt sich durch eine Luftleitung bzw. mit Hilfe von zwei Adern nach
dem Ort der Anzeige oder/und Aufzeichnung des Mengenstromes übertragen. Der pneumatische
Empfänger besitzt dabei ein normales Druckmeßwerk ohne bzw. mit Radizierung des
Zeigerausschlages. Zur Anschaltung an den Ausgang des elektrischen Transmitters
eignet sich ein Drehspulmeßwerk. Die Eingangsseite des Wirkdruckwandlers ist in
mehrfacher Hinsicht nicht als ideal zu bezeichnen. Dies betrifft sowohl die Meßmembran
im Differenzsystem als auch die Zusammenarbeit zwischen Wirkdruckgeber (Blende bzw.
Düse) und Transmitter. Entsprechend dem Differenzdruck und den Eigenschaften des
Meßstoffes verwendet man für die Meßmembran im Transmitter entweder eine Folie aus
Kunststoff oder Metall. Plastische Membranen eignen sich besonders für geringe bis
mittlere Differenzdrücke, weil damit eine hohe Meßgenauigkeit erreicht wird. Es
bestehen jedoch folgende Nachteile:
1. Unzureichende Überlastsicherheit
des Differenzdrucksystems, 2. mangelhafte Konstanz des mechanischen Nullpunktes,
3. Neigung zur Diffusion des Meßstoffes durch die Membran insbesondere bei längerer
Benutzung, 4. Dichtschwierigkeiten an der Einspannstelle der Membran.
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Metallmembranen sind überlastsicher, undurchlässig für den Meßstoff
und gut abzudichten. Diese Vorteile gehen allerdings auf Kosten einer geringeren
Meßempfindlichkeit. Die Wahl des Membranwerkstoffes wird noch erschwert, wenn es
sich um chemisch aggressive Meßstoffe handelt und/oder hohe Betriebstemperaturen
auftreten. Eine besondere Schwierigkeit besteht, wenn der Meßstoff bei Temperaturrückgang
verdickt bzw. fest wird oder auskristallisiert. In solchen Fällen muß das Differenzdrucksystem
unter Einschluß der Wirkdruckleitungen beheizt werden. Der Wirkdruckgeber wird zur
Ursache von Meßstörungen bzw. Fehlmessungen, wenn der Durchflußstoff Festbestandteile
enthält oder verunreinigt ist. Hierbei verstopfen bzw. verlagern sich die Wirkdruckentnahmen
am Geber (Meßblende oder Düse). Die Messung von flüssigen oder dampfförmigen Stoffen
bringt einwandfreie Ergebnisse, wenn beide Kammern des Differenzdrucksystems nur
mit Flüssigkeit gefüllt sind. Diese Voraussetzungen erfordern die Entlüftung der
Meßkammern und Wirkdruckleitungen. Der Wandler ist daher unterhalb des Meßortes
anzubringen. Bei der Durchflußmessung von Gasen wird die Anordnung des Wandlers
über dem Wirkdruckgeber notwendig, um anfallendes Kondensat vom Differenzdrucksystem
fernzuhalten.
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Im einzelnen ist zum Stand der Technik folgendes zu bemerken: Es
ist vorgeschlagen worden, den Differenzdruck mit Hilfe einer durch einen Servomotor
verstellbaren Drosselklappe zu erzeugen und durch Steuerung des Servomotors bei
unterschiedlichem Mengenstrom konstant zu halten, wobei der Stellweg des Servomotors
im Ausschlagsverfahren Maß für den Mengenstrom ist. - Ebenso sind Drosselklappen
in anderer Weise zur Erzeugung des Differenzdruckes zur Messung der Stoffgeschwindigkeit
bzw. des Mengenstromes verwendet worden. Diese Vorrichtungen arbeiten sämtlich nach
dem oben beschriebenen Wirkdruckverfahren und weisen somit die eingangs ausgeführten
Nachteile auf.
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Darüber hinaus sind Strömungsmesser bekannt, die mit Stauscheiben
arbeiten, wobei die von der Strömung auf die Stauscheibe bewirkte Kraft im Ausschlagsverfahren
gemessen als Maß für die Stoffgeschwindigkeiten bzw. Mengenströme benutzt wird.
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Weiterhin ist versucht worden, die Strömung mit einer quer zur Strömung
und in dieser stehenden Stauscheibe zu messen, wobei die von der Strömung auf die
Stauscheibe aufgebrachte Kraft durch eine von außen aufgebrachte Kompensationskraft
kompensiert und diese Kompensationskraft gleich als Meßgröße benutzt wird. Mengenstrom
und Kompensationskraft stehen bei dieser bekannten Vorrichtung jedoch nicht in reproduzierbarem
Zusammenhang. Man beobachtet vielmehr unkontrollierte Fluktuationen und erhält im
Ergebnis nicht einmal im zeitlichen Mittel hinreichende Meßgenauig
keit, so daß auch
die mit Stauscheiben sowohl im Ausschlagsverfahren oder im Kompensationsverfahren
arbeitenden Vorrichtungen zur Lösung der oben aufgezeigten Probleme bei der Messung
der Geschwindigkeit bzw. des Mengenstromes flüssiger oder gasförmiger Stoffe nichts
beigetragen haben.
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Das gilt auch für sogenannte Verhältnisschieber, die eine veränderliche
Kraftübertragung zulassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
mit der in realen Strömungen mit den dort unvermeidlich auftretenden unkontrollierbaren
Fluktuationen Geschwindigkeiten bzw.
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Mengenströme eindeutig und reproduzierbar mit hoher Genauigkeit gemessen
werden können.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit
bzw. des Mengenstromes flüssiger, dampf- oder gasförmiger Stoffe aus einer in dem
Stromfluß beweglich angeordneten Widerstandsfläche und einem Ausgleichsystem mit
zugeordneter Anzeigeeinrichtung. Die Erfindung besteht darin, daß die Widerstandsfiäche
als eine an sich bekannte, um eine quer zur Strömungsrichtung liegende Achse drehbare
Drosselklappe ausgeführt ist und mit einer an sich ebenfalls bekannten Ausgleichsvorrichtung
verbunden ist, die so ausgelegt ist, daß sie das durch den Stofffluß an der Drosselklappenachse
erzeugte Drehmoment kompensiert. Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung,
die mit einer um eine Achse drehbaren Drosselklappe arbeitet, überraschenderweise
eindeutige und reproduzierbare Meßwerte bei hoher Meßgenauigkeit liefert. Insbesondere
werden in jeder realen Strömung infolge der Strömungsinhomogenitäten entstehenden
Schwankungen kompensiert und stören den Meßvorgang nicht.
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Durch diese Art der Messung wird der beim Wirkdruckverfahren notwendige
Umweg - vom Mengenstrom über den Differenzdruck zur Meßkraft - vermieden.
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Die Lage der Widerstandsfläche in der Leitung ermöglicht auch den
ungehinderten Durchgang von Stoffen, die kleinere Festbestandteile mitführen oder
verschmutzt sind. Diese Betriebseigenschaft des Meßorgans schaltet Meßstörungen
bzw. Fehlmessungen aus. Das Arbeitssystem gemäß der Erfindung beschränkt die Anwesenheit
des Meßstoffes auf die Durchflußleitung, was ein wesentlicher betriebstechnischer
Vorteil ist. Die sonst üblichen Armaturen und Leitungen a) bis f) - eingangs beschrieben
-entfallen.
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Es ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, daß die Ausgleichsvorrichtung
als pneumatischer bzw. elektrischer Meßkraftumwerter an sich bekannter Bauart ausgeführt
ist und daß zur Änderung des Meßbereiches ein bekannter Verhältnisschieber vorgesehen
ist.
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Durch die Erfindung lassen sich wesentliche meß-und betriebstechnische
Vorteile erzielen. Die Anordnung des Meßorgans innerhalb der Stoffleitung ermöglicht
eine verzögerungsfreie, weil unmittelbare Darstellung der Meßgröße. Des weiteren
ist die Anwesenheit des Meßstoffes auf die Durchfiußleitung begrenzt. Es sind deshalb
auch keine Armaturen für die Inbetriebnahme und Nullpunktkontrolle erforderlich.
Bei der Durchflußmessung dampfförmiger Stoffe entfallen auch die sonst notwendigen
beiden Kondensgefäße als Wasservorlagen. Da das Meßorgan einen Bestandteil der Stoffleitung
bildet, können
die bekannten Schwierigkeiten, die durch Verdicken
bzw. Festwerden oder Auskristallisieren des Stoffes im Meßkreis ergeben würden,
nicht auftreten.
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Der Meßkreis bedarf keiner Entlüftung bei Flüssigkeit bzw. keiner
Entwässerung für gasförmige Stoffe.
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Installationen im Meßkreis entfallen. Die Meßeinrichtung arbeitet
wartungsfrei und ist daher stets betriebsbereit. Infolge des erfindungsgemäßen Aufbaus
des Meßorgans kann auch der Mengenstrom von Stoffen, die verunreinigt sind oder
kleinere Festbestandteile enthalten, im Dauerbetrieb ohne Meßstörungen bzw. Fehlmessungen
erfaßt werden. Das Meßorgan ist überlastsicher, besitzt eine hohe Konstanz des mechanischen
Nullpunktes und ausreichende Genauigkeit auch bei kleineren Mengen strömen. Der
Meßbereich läßt sich nicht nur, wie an sich bekannt, am Verhältnisschieber des Hebelsystems,
sondern zusätzlich durch eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Öffnungswinkels
der Klappe ändern. Bei symmetrischer Ausbildung der Drosselklappe wird außerdem
die Messung des Mengenstromes unabhängig von der Richtung des Stoffflusses.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird an Hand der nachstehenden
Beschreibung und der Zeichnungen im einzelnen erläutert; es zeigt F i g. 1 den Meßwertgeber
einer Vorrichtung, die mit einer Drosselklappe arbeitet, F i g. 2 den Verlauf des
von einer Drosselklappe nach F i g. 1 erzeugten Drehmomentes in Abhängigkeit des
Öffnungswinkels, Fig.3 schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung und Fig.
4 bei der Vorrichtung nach F i g. 3 im Detail die stopfbuchsenlose Durchführung
der Klappenwelle aus dem Druckraum.
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Zunächst werden die Zusammenhänge zwischen Mengenstrom, Druckdifferenz
und resultierendem Drehmoment bei Verwendung einer Drosselklappe in einem geschlossenen
Leitungssystem betrachtet.
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Hieraus geht hervor, daß die Drosselklappe in bestimmten Stellungen
zur Flußrichtung nicht nur ein Differenzdruckgeber, sondern vor allem ein unmittelbar
wirkender Drehmomentgeber zur Darstellung der Stoffgeschwindigkeit und somit des
Mengenstromes ist.
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Wird die Klappe in eine bestimmte Stellung zur Flußrichtung gebracht,
die zwischen geschlossener und ganz geöffneter Stoffleitung liegt, dann erzeugt
diese - wie jedes Einschnürglied - durch den Mengenstrom einen Differenzdruck. Seine
Größe kommt durch die Beziehung P- r. w2 (1) 2g zum Ausdruck.
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Es bedeutet P = Differenzdruck an der Drosselklappe in kg/m2 y =
Wichte des Durchflußstoffes in kg/NmS, g = Erdbeschleunigung in m/sec, w = Stoffgeschwindigkeit
in m/sec.
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Der Widerstandsbeiwert t ist eine dimensionslose Zahl, die nur von
der Form der Drosselklappe und deren Einstellung zur Flußrichtung bestimmt wird.
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Für eine bestimmte Bauart und Ausführung der Klappe ist deren Widerstandsbeiwert
(2) Hierbei gilt ç als Einstellwinkel, gerechnet von der Schließ- in die Öffnungsstellung
der Klappe.
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Gibt die Klappe den ganzen Öffnungsquerschnitt frei oder sperrt sie
diesen restlos ab, so verteilt sich die Belastung gleichmäßig auf beide Flügel derselben.
In oder Zwischenstellung wird die dem Stofffluß entgegengesetzte Seite der Klappe
stärker belastet als die andere. Da die Drehachse die Klappe halbiert, ist das resultierende
Drehmoment bestrebt, die Klappe zu schließen.
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Die Größe des vom Mengenstrom hervorgerufenen Drehmomentes ergibt
sich aus der Gleichung D, =adsdp. (3) Es bedeutet Dr = resultierendes Drehmoment
in mkg/Drehmoment, a = Koeffizient als Funktion des Öffnungswinkels der Drosselklappe,
d = lichter Durchmesser der Klappenöffnung in m, dp= an der Klappe erzeugter Differenzdruck
in kg/m2.
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Wird das gebildete Drehmoment durch ein gleich großes Gegenmoment
kompensiert, dann kann sich die vorgegebene Stellung der Klappe nicht ändern.
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Dadurch bleibt gemäß Gleichung (2) der Widerstandswert der Klappe
konstant. Setzt man den nach (1) definierten Differenzdruck A p in die Gleichung
(3) ein, so läßt sich schreiben: Dr = a . d3 . #γ . w² . (4) 2 g Bei einer
Drosselklappe bestimmter Größe und Ausführung, deren Stellung zur Flußrichtung gegeben
ist, sind die Werte d und a bekannt. 5 wird durch q7 bestimmt. Vereinigt man die
für eine bestimmte Größe, Bauart und Einstellung der Drosselklappe geltenden Werte
zu einer Konstante, so ergibt sich: D, = C r W2- (5) Da der Mengenstrom (V) der
Stoffgeschwindigkeit (w) verhältnisgleich ist, wird: Dr = C y. V2 (6) und somit
Kommt das Gegenmoment zur Kompensation von Dr durch eine Kraft (p) zustande, die
an einem Hebel mit bestimmter Wirklänge angreift, so gilt:
An Stelle der Kompensationskraft (p) tritt beim pneumatischen Transmitter der notwendige
Luftdruck (P,). Für den elektrischen Transmitter ersetzt
der Erregerstrom
(l>) des Kompensationsmagneten die Größe P.
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Zur Bildung der KonstanteC müssen die Werte für a und t bekannt sein.
Die Größe d ist für eine bestimmte Drosselklappe gegeben.
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Der Drehmomentkoeffizient a läßt sich für jeden Öffnungswinkel aus
der Kennlinie (F i g. 2) der Klappe entnehmen. Wurden Dr und dp gemessen, so ist
a nach der Oleichung (3) berechenbar. Der für die Einstellung einer Drosselklappe
bestimmter Bauart geltende Widerstandsbeiwert liegt auf Grund von Versuchen fest,
worüber graphische Darstellungen bestehen [ = f(ç)]. Die Berechnung von ¢ ist auch
nach der Bezeichnung (1) möglich.
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Die Konstanz der Werte a und C, als Voraussetzung für die genaue
Messung des Mengenstromes, ist gegeben, wenn die Drosselklappe durch die Kompensationswirkung
ihre vorgewählte Einstellung zur Flußrichtung nicht ändern kann. Der pneumatische
bzw. elektrische Abgriff der Meßgröße müßte daher theoretisch ohne Wegänderung erfolgen.
Obwohl diese Forderung in der Praxis nicht erfüllbar ist, arbeiten pneumatische
bzw. elektrische Meßkraftumwerter mit ausreichender Genauigkeit. In beiden Fällen
ist zur Aussteuerung des Meßkraftabgriffes nur eine Wegänderung zwischen 10 und
100 y notwendig, die an einem mit der Klappenachse verbundenen Hebel relativ großer
Wirklänge angreift.
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Es ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, daß zur Veränderung
des Meßbereiches der Arbeitsbereich des Meßorgans durch Vergrößerung oder Verkleinerung
des Öffnungswinkels innerhalb von 0 bis 700 änderbar ist.
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F i g. 3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Ausführungsform mit
pneumatischem Umwerter der Meßgröße.
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Als pneumatischer Umwerter ist hierbei die an sich bekannte Düsen-Prallplatten-Steuerung
dargestellt, deren Luftdruckänderung sowohl auf den Balg zur Erzeugung der Kompensationskraft
als auch auf die Ausgangsleitung zur Anschaltung eines Meßwerkes für die Anzeige
und/oder Aufzeichnung der Meßgröße dient.
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Am Anschluß 1 wird Luft unter konstantem Druck zugeführt, die über
die Vordrossel 2 strömt und an der Düse 3 austritt. Die Vordrossel 2 bildet den
fest eingestellten und die Ausgtrömdüse 3 den veränderbaren Strömungswiderstand.
Der Düse 3 gegenüber liegt die Prallplatte 4, die am Hebel 5 befestigt ist.
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Der Hebel 5 ist mechanisch mit der Drehachse der Drosselklappe 6 verbunden.
Erreicht der Luftfluß von 1 über 2 und 3 nach der Atmosphäre seinen Höchstwert,
dann tritt an der Vordrossel 2 der größte Differenzdruck auf. Hierbei besteht zwischen
2 und 3, d.h. in den Luftwegenla, ib und 1c der geringste Druck.
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Dieser Zustand entspricht der unbelasteten Drosselklappe, also dem
Mengenstrom 0. Kommt in der Leitung 7 ein Stofffluß zustande, so will sich die Klappe
im Schließsinn dienen, was eine Annäherung der Prallplatte 4 an die Ausströmdüse
3 zur Folge hat. Damit vermindert sich der Luftfluß durch 3, und der Differenzdruck
an 2 geht zurück. Der Druck in la, lb und lc steigt. Der Druckkörper 8 erhöht
seine
Kraft, die über eine Schneidenrolle 9 auf den Hebel 5 wirkt. Hierdurch hebt sich
die Schließtendenz der Drosselklappe auf. Der größten Klappenbelastung, d. h. dem
maximalen Mengenstrom in der Leitung7 entspricht somit auch die stärkste Kompensationswirkung
durch den Druckkörper 8. Der zur Erhaltung der vorgegebenen Klappenstellung notwendige
Luftdruck im Körper 8 und den Leitungen la, lb und 1 c bildet den Mengenstrom in
der Leitung 7 ab. Durch die Hebel 5 und 10 mit der Schneidenrolle9 ergibt sich ein
Verhältnisschieber, der die änderung des Meßbereiches für denMengenstrom gestattet.
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Mit dem Symbol 11 ist ein Empfangsgerät dargestellt, das zur Anzeige
oder/und Aufzeichnung der Meßgröße dient.
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F i g. 4 veranschaulicht die stoffbuchsenlose Übertragung des Klappendrehmomentes
aus dem Druckraum mit Hilfe des an sich bekannten Torsionsrohres.
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Diese Art der Übertragung ist für den Erfindungsgegenstand besonders
geeignet, weil es sich praktisch um eine weglose Messung handelt. Hierbei dienen
die kreisförmigen Dichtflächen 12 und 13 des Rohres 14 als Abschlüsse der Stoffleitung
7 gegenüber Atmosphäre. In Punkt 13 als Mantellinie besteht die Verbindung der Klappenachse
15 mit dem Rohr 14.
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Der Hebel 5 überträgt das Drehmoment der Klappe.
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An der wählbaren Wirklänge des Hebels 5 kann die Kompensationskraft
zur Herstellung des Drehmomentengleichgewichtes, d. h. für die Abbildung der Meßgröße,
angreifen.
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Der Öffnungswinkel der Klappe für die Messung soll etwa 700 nicht
überschreiten, weil sonst eine Umkehr des Drehmomentes eintritt.