DE2058137A1 - Turbinendurchflussmengenmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbinendurchflußmengenmesser.

Für derartige Durchflußmengenmesser gilt, wenn man mit 0 den volumetrischen Durchsatz des Fluids, der gemessen werden soll, bezeichnet und mit N die Drehzahl der Turbine, eine Eichkurve gemäß der Beziehung

N=F (0.),

die im wesentlichen innerhalb fester Grenzen für den Durchsatz, die Viskosität und die Dichte des Fluids linear verläuft.

In Fig. 1 ist für die bisher bekannten Durchflußmengenmesser dieser Gattung die relative Abweichung der Linearität δ q/q in Funktion vom Durchsatz Q (zwischen loo und Ij5oo rn^/h) für drei bestimmte häufig benutzte petrochemische Produkte aufgezeichnet, mit einer

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Dichte bei 15⁰C kinetische Viskosität Δ (in Centistokes)

Autotreibstoff o,74o o,5

Strahltriebwerktreibstoff 0,792 1,8

Gasöl 0,828 5

Die geringen beobachteten Linearitätsabweichungen (L 2 · lo-^) werden mit solchen Meßgeräten nur ausnahmsweise erzielt, und zwar innerhalb von Durchsatzbereichen

Snax ' inin ^ 1° und der Viskosität

^ max ' min ^, 1 ο,

und zwar außerdem nur dann, wenn der Aufbau des Mengenmessers sehr sorgfältig und gezielt erfolgt.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der relativen Linearitätsabweichung Λ Q/Q in Abhängigkeit vom Verhältnis Q/Δ , und man erkennt, daß die den drei oben genannten petro-chemischen Produkten entsprechenden Kurven sich nur unvollkommen überdecken, insbesondere bei extremen Durchsätzen. Die Abschnitte der Kurve außerhalb des Intervalles entsprechen einem Durchsatz von 12o-12oo nP/h und sind nur unterbrochen dargestellt.

Die schlechte Überdeckung dieser Kurven hat als Hauptursachen

örtliche Änderungen der Strömungsverhältnisse, nicht-hydraulische Einflüsse (Reibungen).

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Andererseits zeigt die mittlere Kurve für/* Q/Q in Abhängigkeit von Q/a häufig für niedrige Werte von Q/Δ erhebliche Anomalien.

Um diese Unregelmäßigkeiten zu beseitigen, hat man versucht, die mechanischen Reibungsmomente herabzusetzen. Unter den verschiedenen Vorschlägen seien hier die folgenden genannt:

Gleit- oder Rollenlager mit niedrigem Reibungskoeffizienten,

Lager, die selbst durch eine Sekundärturbine einem Drehantrieb unterworfen sind,

Kompensation der Axialdrücke, mit oder ohne Regelung.

Diese Maßnähmen haben die Funktion der Mengenmesser bei niedrigen Durchsätzen verbessert, bieten jedoch nur Teillösungen des Problems. Es verbleiben nämlich unabhängig von der gewählten Lösung immer ein nicht vernachlässigbares festes Reibungsmoment und Viskosereibungsmomente C_v, die nicht-linear verlaufen bezüglich der Winkelgeschwindigkeit OJ der Turbinenrotation, nämlich gemäß der Form C_v = aw + bw² + ...

Daraus folgt, daß das Widerstandsmoment, dem die Turbine unterliegt, eine nicht-lineare Funktion ihrer Drehzahl w ist. Infolgedessen ist das von den Bewegungen des Fluids abgeleitete Gesamtmoment bezüglich der Drehachse selbst keine lineare Funktion dieser Drehzahl. Schließlich ist der Vektor der relativen Geschwindigkeit

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zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der Turbine variabel gerichtet, je nach dem Durchsatz des Fluids, der zu messen ist, und den Kennwerten (Viskosität,Dichte) des Fluids.

Bei bestimmten Konstruktionen hat man deshalb bereits seit langer Zeit versucht, die Mengenmesser so aufzubauen, daß die Geschwindigkeitsvektoren am Einlaß und am Auslaß des Fluids gleichgerichtet sind.

Derartige Mengenmesser umfassen im allgemeinen zwei co-axiale Turbinen mit entgegengesetzter Stufung, die hintereinander angeordnet sind, derart, daß die Rotationsenergie des Fluids - wenn es aus der ersten Turbine austritt - die zweite Turbine, welche für die Messung benutzt wird, in Umdrehung versetzt, derart, daß die Absolutgeschwindigkeit des Fluids am Auslaß der letzteren axial gerichtet ist.

Derartige Mengenmesser weisen jedoch noch die folgenden Nachteile auf:

Die beiden Turbinen sind bezüglich der hydraulischen Verhältnisse nicht identisch,

die Reibungsmomente der beiden Turbinen sind unterschiedlich,

ihre Drehzahlen sind unterschiedlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Turbinendurchflußmengenmesser mit der Turbine vorgeschalteten Ausgleichseinrichtungen für nicht-axiale Komponenten der Fluidabsolutgeschwindigkeit zu schaffen, der wesentlich weniger empfindlich ist, als die bisher bekannten derartigen Meßgeräte, gegen Veränderungen

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des Durchsatzes, wie auch Abweichungen in den physikalischen Kennwerten (Viskosität, Dichte).

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Detektor für die nicht-axialen Fluidabsolutgeschwindigkeitskomponenten am Turbinenauslaß und durch eine, die Drehzahl der Turbine beeinflussende und von dem Detektor über eine Regeleinrichtung angesteuerte Korrektureinrichtung für die Beseitigung dieser Komponenten_t

Unter diesen Bedingungen ist die der kinetischen Energie des Fluids entnommene Energie Null; die Turbine hat eine Drehzahl, die tatsächlich als "Synchrondrehzahl" bezeichnet werden kann, weil sie ausschließlich eine Punktion des Durchsatzes und der Geschwindigkeitsverteilung ist und praktisch unabhängig ist, einerseits von mechanischen Reibungen und andererseits von physikalischen Kennwerten (Viskosität, Dichte) des Fluids, dessen Durchsatz zu messen ist.

Der Detektor für die nicht-axialen Absolutgesehwindigkeitskomponenten am Fluidauslaß kann bestehen aus:

Entweder einer Sekundärturbine, die co-axial mit der ersten Turbine und stromabwärts von dieser angeordnet ist und mit axial-gerichteten Schaufeln versehen ist, welcher Sekundärturbine ein Wandler für die Komponenten in ein Fehler-Signal nachgeschaltet ist, oder eine sich in eine Radialebene erstreckende frei auslenkbare Blattfeder mit Dehnmeßstreifen zur Erzeugung eines Fehlersignals.

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Die Korrektureinrichtung kann für die Beseitigung der nicht-axialen Absolutgeschwindigkeitskomponente am Fluidauslaß eine Motorgetriebekette umfassen, die entweder die Turbine zur Drehung antreibt, oder die auf die Stellung einer Strömungsfahne einwirkt, welche schwenkbar stromaufwärts der Turbine angeordnet ist.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 der beigefügten Zeichungen näher erläutert werden, welche jeweils einen Längsschnitt durch eine von drei Ausführungsformen des Turbinendurchflußmengenmessers gemäß der Erfindung darstellen.

Gemäß Fig. 3 strömt ein Fluid in einer Leitung in Pfeilrichtung. Um die Belastungsverluste auf einem Minimum zu halten und aus technologischen Gründen ist das Fluid so eingeengt, daß es am Einlaß des Mengenmessers eine ausschließlich axial-gerichtete Absolutgeschwindigkeit aufweist. Die Unregelmäßikgeiten der Verteilung und eine eventuelle Rotation, die stromaufwärts durch irgendwelche in der Leitung befindliche Elemente hervorgerufen worden sein könnten, werden am Einlaß des Mengenmessers praktisch auf Null gebracht mittels einer Beruhigungseinrichtung 2, von der man ein Bündel paralleler Röhren 2a erkennt, sowie durch einen konvergierenden Abschnitt, der dahinter erkennbar ist. In einer Hülle 11 des Mengenmessers ist eine Einlaßverengung 12 vorgesehen, eine Divergenzeinrichtung am Auslaß 13 und eine Zwischenröhre 14, deren letztere die Fluidader darstellt, in der die Messung des Volumendurchsatzes erfolgt. Die Durchmesser dieser Elemente sind vorzugsweise so gewählt, daß für

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die vorgesehenen Durchsatzbereiche und das Produkt, für das der Mengenmesser bestimmt ist, die Strömungsverhältnisse ausgesprochen turbulent sind.

An den Elementen 12, 15 und 14 sind Tragflügel 12a, 13a und 14a starr befestigt, die jeweils aus einer Gruppe von radial-gerichteten ebenen Blättern bestehen. Die Tragflügel 12a, 13a und 14a te ihrerseits tragen starr mittels Abschnitten 12b, 13b und 14b einer, wie an sich bekannt, am Einlaß und am Auslaß zugespitzten co-axialen Nabe Gleit- oder Rollenlager 12c, 13Ci, I3c₂ und I4c. In den beiden ersteren dieser Lager dreht sich die Welle einer Meßturbine 15 mit schraubenförmigen Flügeln, und In den beiden letzteren Lagern eine Detektorturbine 21 mit axialen Flügeln.

Die Meßturbine 15 trägt an ihrer Peripherie einen kleinen Einsatz 16 aus Material hoher magnetischer Permeabilität. Der Einsatz 16 wirkt zusammen mit einer festen Baugruppe, die abgedichtet in die Wandungen der Elemente 11, 14, wie sie oben erwähnt wurden, eingesetzt ist, mit einem in unmittelbare Nähe des Einsatzes 16 angeordneten kleinen Permanentmagneten 17 und einer Spule 18, die sich in einem Röhrchen 19 von außen zugänglich befindet. Die Frequenz des in der Spule 18 durch die Baugruppe 16, 17 induzierten Stromes gestattet die Bestimmung der Drehgeschwindigkeit der Turbine 15«

Die Sekundär- oder Detektorturbine 21, welche stromabwärts der Meßturbine 15 angeordnet ist, spricht auf jegliche Rotationskomponente der Absolutgeschwindigkeit des Fluids am Auslaß der Turbine 15 an, wobei die Drehzahl der Sekundärturbine im wesentlichen proportional

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ist mit dieser Rotationskomponente des Fluids. Die Drehungen der Turbine 21 werden über einen Wandler 22, der seinerseits an sich bekannt ist, als Fehlersignal übertragen. Dieses Signal wird über eine die Wand-ungen der Elemente 11, 14 mittels einer Abdichtung 32 durchsetzenden Leitung 31 auf einen Regler 33 übertragen. Beispielsweise kann der Wandler 22 ein photoelektrischer Drehzahldetektor sein und der Regler 33 einen Frequenzspannungswandler und einen Verstärker umfassen.

Der Regler 33 seinerseits liefert ein Steuersignal auf eine Leitung 3^ und somit an eine Motorgetriebekette 41, 42, die vorzugsweise außerhalb des Mengenmessers angeordnet ist. Die Gruppe 41, 42 treLbt über eine Welle 43, welche mittels einer Abdichtung die Wand-ungen der oben erwähnten Elemente 11,14 durchsetzt, sowie über ein Kegelgetriebe 45 die Welle der Meßturbine 15 derart an, daß dieses Fehlersignal ausgeregelt wird, indem die Turbinendrehung beeinflußt wird.

Bei der gerade beschriebenen Ausführungsform ist es denkbar, daß die Detektorturbine 21 den Nachteil hat, daß sie eine unangenehme mechanische Schwelle besitzt, die aus den auf ihre Welle wirkenden Reibungen herrührt. Dies ist der Grund dafür, daß es im allgemeinen zu bevorzugen ist, diese Turbine durch ein quasi festes Detektororgan zu ersetzen, dessen Zugspannungsänderungen unter dem Einfluß der hydro-dynamischen Wirkungen der Rotation, welche zu annullieren sind, abgegriffen werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß sie nicht nur praktisch keinen Schwellenwert besitzt, sondern außerdem auch den Aufbau der Vorrichtung vereinfacht.

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Im folgenden wird auf die Fig. 4 und 5 Bezug genommen, wo die den der Fig. 5 entsprechenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die beiden Ausführungsformen gemäß 4 und 5 haben gemeinsam, daß die Detektorturbine 21 der Ausführungsform nach Fig. 3 ersetzt ist, aus den oben angegebenen Gründen, durch ein Plättchen 25, das frei auslenkbar ist und radial stromabwärts der Turbine 15 angeordnet ist und dessen Deformation ermittelt wird mittels Dehnmeßstreifen 2b, die an sich bekannt sind, oder durch eine andere brauchbare Einrichtung. Das Plättchen 25 ist in den Ausführungsformen gemäß den Fig« 4 und 5 an einer Ausnehmung 27 in einem der Flügel des Tragflügels 14a befestigt. Ein solches Plättchen vibriert unter der Wirkung des strömenden Fluids mit einer relativ hohen Frequenz (einigen loo Hertz) proportional der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Mittels geeigneter Filterungen ist es leicht, dieses parasitäre Signal auszuschalten und nur die Veränderungen der niedrigeren Frequenz zu erfassen, die allein geeignet sind für den Regelvorgang, der hier zur Debatte steht.

In der Ausführungsform nach Fjg. 4 handelt es^ich ebenso wie bei der Ausführungsform nach Fig. 35 um eine Regelung der Turbinendrehung, und sie wird auf ganz die gleiche Weise bewirkt.

Demgegenüber ist die Ausführungsform nach Fig. diesbezüglich vollkommen anders aufgebaut. Hier wird nämlich das von dem Regler 23 kommende Steuersignal einer Motor-Getriebe-Kette 41, 42 zugeführt, die abgedichtet in die Wandung des Elements 11 eingesetzt ist, um über einen Excenter 4f> auf eine Strömungsfahne 47 einzuwirken, die schwenkbar stromaufwärts der Meßturbine 15 angeordnet ist.

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Im letzteren Pall wird die Energie, die erforderlich ist, um die Turbine 15 mit Synchrongeschwindigkeit zu drehen, nicht durch einen Motor geliefert - wie im Beispiel nach Fig. 4 - sondern durch den Druckabfall des Fluids. Der Vorteil dieser Lösung besteht demgemäß darin, daß nur intermittierend äußere Energie zuzuführen ist, wodurch die Regeleinrichtung vereinfacht werden kann.

Es ist festzuhalten, daß die Ausführungsform nach Fig. 4 besonders für Gase geeignet ist, während die Ausführungsform nach Fig. 5 nur für unkompressible Fluide, d.h. für Flüssigkeiten, brauchbar ist.

Man erkennt, daß in der AusfUhrungsform nach Fig. 4 die gesamte von der Turbinendrehung verbrauchte Energie vom Antriebsmotor geliefert wird, Auf diese Weise entnimmt der Mengenmesser gemäß der Erfindung dem Gas,das ihn durchquert, keine Energie.

Der Anwendungsbereich der Mengenmesser gemäß der Erfindung wird bestimmt durch die Empfindlichkeit des Detektors für die Rotationsgeschwindigkeit des Fluids.

Es hat sich gezeigt, daß es dank der Erfindung möglich ist, die Ansprechschwelle einer Turbine um etwa einen Faktor Zehn zu senken unter Aufrechterhaltung einer zulässigen Meßgenauigkeit.

Patentansprüche: 10982 5/1304

Claims (5)

1. Patentansprüche

   Iy Turbinen-Durchflußmengenmesser mit der Turbine vorgeschalteten Ausgleichseinrichtungen für nichtaxiale Komponenten der Fluidabsolutgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch einen Detektor für die nichtaxialen Fluidabsolutgeschwindigkeitskomponenten am Turbinenauslaß und durch eine die Drehzahl der Turbine beeinflussende und von dem Detektor über eine Regeleinrichtung angesteuerte Korrektureinrichtung für die Beseitigung dieser Komponenten.
2. 2) Turbinen-Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine Sekundärturbine umfaßt, die mit der Turbine koaxial stromabwärts von dieser angeordnet ist und axialgerichtete Schaufeln aufweist, und daß der Sekundärturbine ein Wandler für die nichtaxiale Fluidgeschwindigkeitskomponente nachgeschaltet ist.
3. 3) Turbinen-Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine sich in einer Radialebene erstreckende frei auslenkbare Blattfeder mit Dehnmeßstreifen zur Erzeugung eines Fehlersignals umfaßt.
4. 4) Turbinen-Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung eine Motor-Getriebe-Kette für den Drehantrieb der Turbine umfaßt·
5. 5) Turbinen-Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung eine Motor-Getriebe-Kette zum Verändern der Stellung einer stromaufwärts der Turbine schwenkbar angeordneten Strömungsfahne umfaßt.

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