DE2117692A1

DE2117692A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE2117692A1
Application number: DE19712117692
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-04-17
Filing date: 1971-04-10
Publication date: 1971-11-04
Also published as: FR2091908B1; FR2091908A1

Description

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN

DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT 2117692

MDNCHEN HAMBURG TELEFON: 395314 ' 2000 HAMBURG 50, "ft*" TELEGRAMME. KARPATENT KONIGSTRASSE 28 ^V

W. 24 686/71 8/B

Pierre Marie Marcel Penet, Creteil (Frankreich)

Messvorrichtung.

Die Erfindung bezieht sich in erster linie auf industrielle Durchsatzmengenmesser, die dazu dienen, die Durchsatzmenge eines durch eine Leitung hindurchströmenden Mediums zu messen, und die zu diesem Zweck eine mit schrägen Flügeln versehene und von dem Medium in Drehung versetzbare Schraube und eine Einrichtung zum Messen der Drehgeschwindigkeit der Schraube aufweisen. Die Erfindung betrifft ferner eine Messvorrichtung mit Flügelschraube, die dazu dient, die Viskosität eines durch eine Leitung hindurchströmenden Produktes industriell zu messen.

Bei einem bekannten industriellen Durchsatzmengenmesser ist die FlUgelschraube um eine in der Leitung in Längsrichtung verlaufende Achse frei drehbar angeordnet, so dass sie mit einer Drehgeschwindigkeit rotiert, die der Durchsatzmenge des Mediums» zwischen bestimmten Grenzen dieser Durchsatzmenge und der Viskosität des Mediums, praktisch proportional ist. Die Drehgeschwindigkeit der Flügelschraube eines üblichen Durchsatzmengenmessers liefert daher ein ziemlich genaues Mass der Durchsatzmenge, jedoch nur dann, wenn diese zwischen bestimmten Grenzen liegt und wenn die Viskosität des Mediums derjenigen nahekommt, für welche der Durchsatzmengenmesser entwickelt und geeicht ist. Kein existierender Durch-

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satzmengenmesser mit Schraube gestattet, in jedem Augenblick festzustellen, ob sein Arbeiten richtig oder gestört ist, und noch weniger ermöglicht er, eine Anzeige Über die Genauigkeit der Messung der Durchsatzmenge zu erhalten, weil die Eigenschaften und insbesondere die Viskosität von durch eine industrielle Leitung hindurchströmenden Produkten sich von einem Zeitpunkt zu einem anderen zufällig ändern können.

Kein Durchsatzmengenmesser liefert eine Anzeige über die Viskosität des Produktes, dessen Durchsatzmenge gemessen wird,

Die Erfindung bezweckt, Verbesserungen vorzusehen, die einerseits die Überwachung und die Steuerung des Arbeitens eines Durchsatzmengenmessers mit Flügelschraube ermöglichen und andererseits eine Korrektur liefern, die gestattet, den Durchsatzmengenmesser zum Messen der Durchsatzmengen von Medien hoher oder veränderlicher Viskosität zu verwenden. Diese Verbesserungen ermöglichen weiterhin, einen Durchsatzmengenmesser zu verwirklichen., der die Viskosität des Mediums und gleichzeitig seine Durchsatzmenge anzeigt, oder eine Messvorrichtung mit Schraube zu verwirklichen, die in Reihe mit einem Durchsatzmengenmesser angeordnet werden kann und ein angenähertes Mass der Viskosität liefert.

Gemäss der Erfindung ist der mit schrägen Flügeln versehenen Schraube, die nach ^rt der Schraube eines üblichen Durchsatzmengenmessers frei drehbar angeordnet ist, ein frei drehbar gelagerter Hilfsrotor zugeordnet, der koaxial zu der Schraube und stromab von ihr angeordnet und mit geraden, d. h. in durch die gemeinsame Achse hindurchgehenden Ebenen liegenden Flügeln versehen ist. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, welche die Drehgeschwindigkeit ω,, des Hilfsrotors misst und sie mit der Drehgeschwindigkeit ω der Schraube vergleicht und/oder kombiniert.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Mass der Durchsatzmenge in bekannter Weise von der Drehgeschwindigkeit co der Schraube geliefert, und die Änderungen des Verhältnisses co,/co , das vorzugsweise mittels eines Kechners

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bestimmt wird, ermöglichen die Peststellung, ob das Arbeiten des Durchsatzmesser richtig oder gestört ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Mass der Durchsatzmenge von der Summe der absoluten Werte der Drehgeschwindigkeiten ω und ω, , die gegebenenfalls mit Korrekturkoeffizienten versehen sind, geliefert, was gestattet, mit einer für industrielle Bedürfnisse ausreichenden Genauigkeit die Durchsatzmenge eines sehr viskosen Mediums oder eines Mediums von veränderlicher Viskosität zu messen. Bei dieser Ausführungsform ermöglicht das Verhältnis cj</cj ebenfalls, ein fehlerhaftes Arbeiten des Durchsatzmengenmessers festzustellen.

Eine Erhöhung der Viskosität eines mit einer gegebenen Durchsatzmenge strömenden Mediums ruft eine Verlangsamung der Flügelschraube und eine Beschleunigung des Hilfsrotors hervor, so dass der Vergleich von co undcj_feine Anzeige hinsichtlich der Viskosität liefert und^ von ihr sogar einen angenäherten Wert liefern kann.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Pig. 1 ist eine schematische Axialschnittansicht eines

Durchsatzmengenmessers gemäss der Erfindung. Fig. 2 ist eine in vergrössertem Massstab gehaltene abgewickelte Ansicht des Profils eines Flügels der Schraube in Höhe der Linie II-II von Fig. 1, und sie zeigt das Diagramm der Geschwindigkeiten am Ausgang dieses Profils.

Fig. 3 ist ein Diagramm, welches das Arbeiten der Schraube veranschaulicht.
Fig. 4 ist ein Schaltungsschema eines Stromkreises zum

Messen de? und Auswerten der Drehgeschwindigkeiten der Schraube und des Hilfsrotors. Fig. 5 ist ein der Fig. 4 ähnliches Schaltungsschema, das

eine andere Ausführungsform wiedergibt. Fig. 6 zeigt den allgemeinen Verlauf einer Kurve, welche

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die Viskosität zu bestimmen gestattet.

Der in Fig. 1 schematisch wiedergegebene Durchsatzmengenmesser gemäss der Erfindung weist eine Übliche Flügelschraube 1 und einen Hilfsrotor 2 auf, die koaxial in einem leitungsabschnitt 3 angeordnet sind, um die Durchsatzmenge eines Mediums zu messen, welches durch die Leitung in Rieh- . tung des Pfeiles F hindurchströmt.

Die Schraube 1 weist schräge Flügel 4 und eine Nabe 5 auf, die in üblicher Weise mittels Kugellager (nicht dargestellt) auf einer Stange 6 frei drehbar angeordnet ist, welche in fliegender Anordnung von drei radial gerichteten und um 120° gegeneinander versetzten Armen 7 abgestutzt ist, die mit einem Ringstück 8 verbunden sind, das einen vorderen zylindrischen Teil 8a aufweist, der in den Leitungsabschnitt 3 eingeschoben und in ihm durch nicht dargestellte Mittel derart befestigt, ist, dass die Drehachse der Schraube 1 mit der Achse X-X¹ des Leitungsabschnittes 3 zusammenfällt. Das Ringstück 8 weist stromab seines zylindrischen Seiles 8a einen konvergierenden Anpassungsteil .8b auf, der in eine zylindrische Wandung 8c übergeht, die an ihrem stromabseitigen Ende mit einem äusseren Flansch 8d versehen ist.

Es ist ein zweites ähnliches Ringstück 9 vorgesehen, das eine zylindrische Wandung 9a aufweist, die am stromaufseitigen Ende mit einem äusseren Flansch 9b versehen ist und stromab in einen divergierenden Rückgewinnungsteil 9c übergeht, der mit drei radialen Armen 10 verbunden ist, die eine Stange 11 fliegend abstützen, auf welcher die Nabe 12 des Hilfsrotors 2 mittels Kugellager (nicht dargestellt) frei drehbar angeordnet ist. Das Ringstück 9 ist in den Leitungsabschnitt 3 eingeschoben und an ihm durch nicht dargeotellte Mittel derart befestigt, dass die Drehachse des Hilf srotors 2 mit der Achse X-X* des Leitungsabschnittes 3 zusammenfällt· Der Bund 9d des Ringstückes 8 und der Bund 9b des Ringstückes 9 sind aneinander mittels echematisch durch gestrichelte Linien 13 angedeuteter Bolzen befestigt.

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Es sei bemerktι dass die nicht dargestellten Kugellager eine vernaohlässigbare Reibung haben und daher der Drehung der Schraube 1 und des Rotors 2 praktisch keinen Widerstand entgegensetzen. Die Schraube 1 und der Rotor 2 sind somit frei drehbar angeordnet, d.h. dass ihre Drehung praktisch ungehemmt ist.

Die Nabe 12 des Hilfsrotors 2 trägt Flügel 14, die, wie aus Pig. 1 ersichtlich ist, in.radialen i-benen liegen, welche durch die Achse X-X¹ hindurchgehen. Die die Schraube 1 tragende Stange 6 erstreckt sich stromab der Schraube bis fast an die Nabe 12 des Hilfsrotors 2, und die Stange 6 und die den Hilfsrotor 2 tragende Stange 11 sind zwischen den Naben 5 und 12 und auf beiden Seiten von ihnen verdickt, so dass um die Achse X-X¹ ein zylindrischer Körper 15 gebildet ist, der stromauf und stromab in profilierten Spitzbogenteilen 16 bzw.16a endigt. Die Schraube 1 und der Hilfsrotor 2 sind auf diese Weise hintereinander in-einem ringförmigen Kanal 17 angeordnet, der zwischen der zylindrischen Aussenflache des Körpers 15 und der zylindrischen Innenfläche der Wandungen 6c und 9a stromab des_; konvergierenden Teils 8b und stromauf des divergierenden Teils 9c gebildet ist.

Das du(rch den Leitungsabschnitt 3 hindurchgehende Medium erzeugt in jdem Kanal 17 eine aus parallelen Stromfäden bestehende .Strömung, die auf die schrägen Flügel 4 der Schraube 1 einwirkt und so die Schraube in Drehung versetzt. Es ist bekannt, dass! die Drehgeschwindigkeit u) der Schraube der Durchsatzmenge Qj des Mediums, zwischen bestimmten Grenzen des Durchsatzes] und der Viskosität des Mediums, praktisch proportional ist·! Die Schraube übt auf die Mediumströmung eine Re-

aktion aus, die ihr stromab der Schraube eine Rotation in umgekehrter Sichtung zu der Drehung der Schraube erteilt· Das' in Rotation versetzte Medium wirkt auf die Flügel 14 des Hilfsrotors 2 eifc und versetzt diesen in Drehung mit einer Geschwindigkeit «_f «

Die Drehgeschwindigkeit ω der Schraube 1 und die Drehge-

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schwindigkeit cj₄ des Hilfsrotors 2 werden mittels zweier Ultraschallvorrichtungen 18 bzw. 19 gemessen,, die mit denjenigen vergleichbar sind, welche in der französischen Patentanmeldung Nr. 70 09 886 vom 19. März 1970 aufgezeigt sind, und aus diesem Grund erscheint es überflüssig, sie hier im einzelnen zu besenreiben.

Die Nabe 5 der Schraube 1 ist mit Abflachungen 20 versehen, die während der Drehung der Schraube eine von einem Sender 18a der Vorrichtung 18 ausgehende Ultraschallstrahlung aufeinanderfolgend gegen einen Empfänger 18b reflektieren, der dadurch in einem Rhytbmus erregt wird, welcher der Drehgeschwindigkeit cj der Schraube proportional ist. Ebenso weist die Vorrichtung 19 einen Empfänger 19b auf, der in einem der Drehgeschwindigkeit Cj₁ des Hotors 2 proportionalen lihyümus durch eine Ultraschallstrahlung erregt wird, welche von einem Sender 19a ausgeht und. durch Abflachungen 21 der Habe 12 des Rotors 2 gegen den Empfänger 19b reflektiert wird.

Die Arbeitsweise der Schraube 1 wird aus Fig. 2 verständlich, die das Profil 4a eines Flügels 4 in einem Abstand r (Fig. 1) von der Achse X-X¹ und das Diagramm der (Geschwindigkeiten am Ausgang des Profils. 4a wiedergibt. Der in Fig. 2 eingezeichnete Pfeil la deutet die Drehrichtung der Schraube 1 an. Die Relativgeschwindigkeit W des Mediums am Ausgang des Profils 4 a ist gegen die Achse X-X* unter dem gleichen. Winkel (S wie das Profil 4a geneigt. Die absolute Geschwindigkeit V des Mediums ist die Resultierende aus der Relativgeschwindigkeit W und der Tangentialgeschwindigkeit U des Profils 4a. Diese absolute Geschwindigkeit V hat eine axiale Komponente Vd (mit Durchsatzgeschwindigkeit bezeichnet) und eine tangentiale Komponente Vt, welche die tangentiale Geschwindigkeit der Strömung am Ausgang des Profils 4a darstellt.

Wenn mit U, Vt und Vd die Grossen der Geschwindigkeiten U bzw. Vt, Vd bezeichnet werden, dann zeigt das Diagramm der Geschwindigkeiten, dass diese Grossen durch die Beziehung

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U + Vt - Vd.tgf» (1)

verknüpft sind.

Da U gleich CJ.r ist und Vd der Durchsatzsmenge Q proportional ist, so existiert in Höhe dee Profils 4a eine Beziehung

ω.r + Vt = k.Q.tgß (2)

in welcher k eine Konstante darstellt, Eine Beziehung gleicher Form besteht längs der ganzen Länge jedes Flügels der Schraube bis an den Umfang der Nabe. Es ist daher zu verstehen, dass die Drehgeschwindigkeit co der Schraube mit der Durchsatzmenge Q durch eine -Beziehung von der Form

CJ = A.Q - B.Vt_m (3)

verknüpft ist, in welcher A und B Konstanten sind und Vt_m die mittlere tangentiale Geschwindigkeit des Mediums am Ausgang der Schraube darstellt·

Diese letztere Beziehung zeigt, dass die Drehgeschwindigkeit ui der Schraube der Durchsatzmenge Q nicht exakt proportional ist und ein ziemlich genaues Mass von ihr nur dann liefert, wenn die mittlere tangentiale Geschwindigkeit Vt mit Bezug auf die Durchsatzmenge genügend klein ist, und dadurch wird die Anwendung der bekannten Durchsatzmengenmesser begrenzt, wie dies nachstehend an Hand von Fig. 3 erläutert wird.

Fig. 3, in welcher das Diagramm der Geschwindigkeiten in grösserem Massstab in gestrichelten Linien wiedergegeben ist, veranschaulicht das Arbeiten der Schraube in Höhe des Profils 4a, wenn die Durchsatzmenge Q variiert. Die Durchsatzgeschwindigkeit Vd, die der Durchsatzmenge Q proportional ist, ist auf einer Geraden 0-X aufgetragen, und die Relativgeschwindigkeit W ist auf einer Geraden 0-y aufgetragen, die gegen die Gerade O-x unter dem Winkel^ geneigt ist. Es ist eine Kurve So-S eingezeichnet, die der geometrische Ort eines Punktes M ist» und das Ende des Vektors 0-M stellt die Geschwindigkeit V dar, wenn die Durchsatzmenge Q variiert, wo-

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bei die Viskosität des Mediums konstant ist. Die geraden Linien 0-L und 0-N begrenzen zwischen sich den nutzbaren Teil ' dieser Kurve, für welchen die Drehgeschwindigkeit ω ein Mass · der Durchsatzmenge mit der erforderlichen Genauigkeit liefert (beispielsweise mit etwa ^ 1$ für einen üblichen Durchsatzmengenmesser oder mit etwa * 0,17k für einen sehr genauen Durchsatzmengenmesser). Vf'enn die Durchsatzmenge Q von Null ansteigt, bewegt sich der Diagrammpunkt M zunächst auf der Geraden 0-y bis zu dem Punkt So, dann auf der Kurve So-S bis zu dem Punkt To und schliesslich auf dem nutzbaren Teil To-S dieser Kurve.

Da zu Beginn das Antriebsmoment (das von dem Medium an die Schraube angelegt wird) kleiner als das ihm widerstehende Moment der Schraube ist, bleibt die Schraube tatsächlich unbeweglich. Von dem Punkt So ab übersteigt das Antriebsmoment das ihm widerstehende Moment, und die Schraube beginnt, sich zu drehen, jedoch ist von dem Punkt So bis zu dem Punkt So die tangentiale Geschwindigkeit Vt mit .bezug auf die Durchsatzgeschwindigkeit Vd gross, und die Drehgeschwindigkeit ou der Schraube liefert nur ein ungenügend genaues Mass der Durchsatzmenge Q, d.h. die Vorrichtung ist, wie man sagt, "ausser Toleranz". Nur wenn der Punkt M eich auf dem Teil To-S der Kurve bewegt, erfolgt die Messung mit der erforderlichen Genauigkeit.

Wenn die kinematische Viskosität des Mediums sich von •^ auf *9₄, y_s usw. erhöht, erhöht sich auch die viskose Heibung an der Schraube (wodurch das vorgenannte widerstehende Moment erzeugt wird), so dass die Kurve des geometrischen Ortes des Diagrammpunktee M ihre Gestalt ändert, wie dies durch gestrichelte Linien dargestellt istj der Punkt So verschiebt sich euf der Geraden 0-y nach Sl, S2 usw., und der Punkt To verschiebt sich auf der Geraden 0-1 nach Tl, Ϊ2 usw. Wenn der Punkt M sich beispielsweise zwischen Sl und Tl oder zwischen S2 und T2 befindet, liefert die Drehgeschwindigkeit der Schraube nur ein sehr ungenaues Mase der Durchsatzmenge· Daraue ergibt sich einerseits, dass die Schwelle der Messung mit der

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erforderlichen Genauigkeit (d.h. der kleinste Wert der Durchsatzmenge, die mit dieser Genauigkeit gemessen werden kann) sich mit der Viskosität erhöht, und andererseits, dass, wenn die Viskosität des Mediums sich unerwartet ändert, die Drehgeschwindigkeit der Schraube eine ungenaue Anzeige über die Durchsatzmenge liefern könnte, ohne dass sich dies erkennbar macht.

Überdies kann die Schraub« 1 Arbeitsmängeln unterworfen werden, die beispielsweise durch eine Änderung der mechanischen Reibung in einem Lager oder durch eine Verformung der Plügel zufolge einer Abnutzung durch Erosion verursacht werden. Diese Arbeitsmängel fUhren zu Messfehlern, die durch die alleinige Kenntnis der Drehgeschwindigkeit der Schraube nicht festgestellt werden können.

Die Erfindung ermöglicht, diese Nachteile auf Grund der Anordnung des Hilfsrotors 2 zu beheben. Die Drehgeschwindigkeit OJ₁ des Rotors ist tatsächlich der mittleren tangentialen Geschwindigkeit Vt im wesentlichen proportional, und zwar unabhängig davon, wie gross die Durchsatzmenge und die Viskosität deji Mediums sind; die viskosen Reibungen rufen ledig lich Längs
Drehung de

verstehen,
Lage des D:

eanspruchungen hervor, die keinen Einfluss auf die Rotors 2 haben.

Aus i:.g. 3 ist ersichtlich, dass Vt genau proportional zu U sein irürde, wenn der Teil To-S der Kurve des geometriechen Orten des Punktes M geradlinig wäre, üia ist daher zu dass die Änderung des Verhältnisses w^/tu die agrammpunktes M auf der Kurve So-S anzeigt. Wenn

dieses Verhältnis im wesentlichen konstant bleibt (bei der verlangten{Toleranz von * 1$ bzw, * 0,1?«), dann würde man wiseen, dass der Punkt M sich zwischen den geraden Linien 0-L und 0-N befindet, und damit» dass die Schraube 1 richtig arbeitet.

Eine ^usfUhrungeform der Erfindung, bei welcher die Drehgeschwindigkeit cj der Schraube 1 dazu verwendet wird, die Durcheatzmenge zu messen, und das Verhältnis cj«/w dazu ver-

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wendet wird, das Arbeiten der Schraube zu kontrollieren, wird nachstehend an Hand des Schaltungsschemas gemäss Fig. 4 beschrieben.

In Fig. 4 sind die Schraube 1 und der Hilfsrotor 2, die in dem Leitungsabschnitt 3 angeordnet sind, durch den ein Medium in Richtung des Pfeiles P hindurchströmt, sowie die Ultraschallvorrichtungen 18 und 19 schematisch dargestellt.

Die Ultraschallstrahlung, die von dem Sender 18a ausgeht und von den Abflachungen an der Nabe der Schraube 1 während ihrer Drehung reflektiert wird, wird von dem iümpfanger 18b aufgenommen, der ein bei 18o schematisch dargestelltes Signal von hoher irequenz (der Frequenz der Ultraschallstrahlung) liefert, das proportional zu der Drehgeschwindigkeit co der Schraube moduliert ist. Dieses Signal wird an einen Demudulatiönskreis 22 angelegt, der es in ein Signal 18d umformt» dessen Frequenz f der Drehgeschwindigkeit co der Schraube proportional ist· - . .

Ein Frequenz-Analog-Wandler 23 formt das Signal 18d in ein zu ω proportionales Analogsignal (beispielsweise eine Spannung) um, das an einen .anzeiger 24 angelegt wird, dessen Zeiger sich demgemäss proportional zu ca verschiebt. Die Vorrichtung kann in bekannter Y/eise derart geeicht werden, dejss der Anzeiger 24 die Durchsatzmenge Q des Mediums unmittelbar, anzeigt. Das Signal 18d wird ausserdem an einen mit "Teiler" bezeichneten Stromkreis 25 angelegt, der den Quotienten aus der Frequenz f dieses Signal und der Konstanten der Vorrichtung (d.h. beispielsweise dem Volumen des Mediums, dessen durch die Schraube hindurchgehende Strömung 4 Ie Schraube um eine-Umdrehung rotieren lässt) bildet und ein diesem Quotienten proportionales Ausgangssignal erzeugt, das an einen Totalisator 26 angelegt wird, so dass dieser das Volumen JQdt anzeigt, welches durch die Vorrichtung hindurchströmt.

Der Empfänger 19b der anderen Ultraschallvorrichtung 19 liefert ein Signal 19o, das in einem Demudulationskreis 27 demoduliert wird, um ein Signal 19d zu erzeugen, dessen Fre-

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quenz £1 der Drehgeschwindigkeit cj₄des Rotors 2 proportional ist.

Die Signale 18d und 19d werden von zwei Frequenz-Analog-Wandlern 28 bzw. 29 in Analogsignale umgeformt, die den Drehgeschwindigkeiten «o bzw. Cj₄ proportional sind» von denen das Verhältnis ca, /gj in einem Stromkreis 30 gebildet wird. Das aus diesem Stromkreis 30 austretende cj</co -Signal dient dazu, einen weiteren Anzeiger 31 zu erregen, an welchem der Wert des Verhältnisses cu«/ej direkt abgelesen werden kann. Dieser Anzeiger 31 kann durch eine einen sichtbaren oder hörbaren Alarm liefernde Vorrichtung vervollständigt sein, die wirksam wird, wenn das Verhältnis ω*/ω einen Wert übersteigt, der an einer Anweisungsvorrichtung 31b dargestellt ist.

Auf diese V/eise wird, sobald der Durchsatzmengenmesser auBser Toleranz arbeitet, dieser Zustand durch die Alarmvorrichtung unmittelbar zur Kenntnis gebracht. Diese Anordnung ist sehr vorteilhaft, insbesondere in dem Fall, in welchem die Anzeigen des Durchsatzmengenmessers als Grundlage für eine Buchung dienen*

In dem Fall, in welchem die Viskosität des Mediums hoch oder veränderlich iBt, kann auch die Drehgeschwindigkeit cJ* des Hilfsrotors 2 in Kombination mit der Drehgeschwindigkeit co der Schraube 1 verwendet werden, um die Durchsatzmenge Q su messen. Diese ist tatsächlich im wesentlichen eine lineare Funktion von ω und ω«·

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Wände des ringförmigen Kanals 17 zylindrisch, so dass in diesem Kanal eine Strömung aus im wesentlichen parallelen Stromfäden entsteht, zumindest wenn dae Medium eine nicht-zusammendrückbare Flüssigkeit ist. Daher kann, wenn der Hilfsrotor 2 sich genügend nahe an der Schraube 1 befindet, angenommen werden (Fig. 2), dass das Medium, welches das im Abstand r von der Achse X-X* liegende Flügelprofil 4a der Schraube mit der Geschwindigkeit V verlässt, die ΓIUgel 14 des Hilfsrotors 2 in dem gleichen Abstand r von der Achse erreichen wird.

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Die Grosse Vt der tangentialen.Geschwindigkeit Vt ist daher gleich w_f.r. Es folgt daraus, dass für die obengenannte Beziehung (2) geschrieben werden kann

( oj +Cu₄).r = k.Q.tgß (4) und dass die Beziehung (4) übergeht in

co + CJi = A.Q ' (5)

Unter diesen Voraussetzungen ist somit die Summe co + Co₁ der absoluten Werte der Drehgeschwindigkeiten der Schraube und des Hilfsrotors der Durchsatzmenge Q proportional und kann ein genaues Mass dieser Durchsatzmenge liefern, sogar falls sie sehr klein ist (theoretisch von einer DurchsatzmengeNull), selbst wenn die Viskosität des Mediums gross ist und selbst wenn diese Viskosität sich zufällig ändert.

Falls aus irgendeinem Grunde (beispielsweise wenn das Medium ein Gas ist) die Strömung in dem Kanal 17 nicht mehr als eine Strömung aus parallelen Stromfäden angesehen werden kann, würde das Medium, welches das Profil 4a (Fig. 2) mit der Geschwindigkeit V verlässt, die Flügel 14 des Hilfsrotors 2 in einem von r verschiedenen Abstand erreichen, jedoch kann zugelassen werden, dass die Grosse Vt der tangentialen Geschwindigkeit zu cj₄v proportional ist, so dass die ieziehung zwischen o» , cj_f und Q übergehen würde in

Cj + &,Cü₄ β A.Q (6)

wobei der Korrekturkoeffizient a eine Konstante ist.

Es ist diese .Beziehung, die ein genaues Mass der Durchsatzmenge Q liefert.

Wenn der erste Fall vorliegt - Beziehung (5) -> wird man die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 5 verwenden, die sich von derjenigen gemäss Fig. 4 dadurch unterscheidet, dass die Durchsatzmenge Q von der Summe cj + Co₁ der Drehgeschwindigkeiten der Schraube 1 und des Hilfsrotors 2 geliefert wird, wobei die Elemente dieser Anordnung, welche die gleiche Aufgabe haben, wie diejenigen der Anordnung gemäss Fig. 4 mit glei-

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chen Bezugszeichen versehen sind.

Die Signale 18d und 19d, die von den Demodulationskrelsen 22 bzw. 27 ausgehen, werden an einen mit Antikoinzidenz arbeitenden Addierer 32 angelegt, der ein Signal 32^a liefert, dessen frequenz f3 zu GJ + Oj^ proportional ist. Dieses Signal 32a wird von dem Yfandler 23 in ein Analogsignal umgeformt, das zu co +W₄ proportional ist, so dass der Zeiger des Anzeigers 24 proportional zu cü + Cj₁ abgelenkt wird; der Anzeiger kann so geeicht werden, dass er die Durchsatzmenge Q direkt . anzeigt. Das Signal 32a wird ausserdem an den Teiler-Stromkreis 25 angelegt, so dass der Totalisator 26 das durch die Leitung hindurchgeströmte Volumen JQdt anzeigt.

Wenn der zweite Fall - Beziehung (6) - vorliegt, wird zunächst der Korrekturkoeffizient a der Beziehung (6) durch eine Eichung des Durchsatzmengenmessers bestimmt« Zu diesem Zweck v/erden die Werte von co und OJ₁ notiert, die verschiedenen Werten der Durchsatzmenge Q entsprechen, was gestattet, den konstanten Koeffizienten a zu bestimmen, mit dem gj< zu multiplizieren ist, damit die Summe CJ + a.<y< proportional zu Q ist. Danach wird der einfache, mit Antikoinzidenz arbeitende Addieret 32 durch einen an sich bekannten komplexeren Stromkreis ersetzt, welcher zur Durchführung der Operation ω + a.CJ₄ geeignet ist.

Wie im Pail der Anordnung gemäss Pig. 4 zeigt der Anzeiger 31 den Wert des Verhältnisses gj*/cj an, und er macht eine Alarmvorriphtung wirksam, wenn sich dieses Verhältnis anormal ändert, beispielsweise zufolge eines Lagerschadens oder einer Erosion dek» Schraube.

iüs ist sehr nützlich, die Viskosität eines durch eine industrielle Leitung hindurchströmenden flüssigen Produktes zumindest angenähert messen zu können. Wie bereits oben angedeutet, liefert der Vergleich von Q undoi< eine Anzeige über die Viskosität des Produktes, und er kann sogar von ihr einen angenäherten Wert liefern. Aus Pig. 3 ist ersichtlich, dass die tangen/tiale Geschwindigkeit Vt eines das Profil 4a (Pig.2)

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verlassenden Produktes von der Viskosität N durch die Strecke H-M gemessen wird, dass die Durchsatzgeschwindigkeit Vd durch die Strecke 0-M gemessen wird und dass die tangentiale Geschwindigkeit U des Profils 4a durch die Strecke K-M gemessen wird, wobei der Diagrammpunkt M auf der Kurve So-To-S liegt, die der Viskosität S entspricht.

iiin Produkt von der Viskosität ^f,, welches das Profil 4a mit der gleichen Durchsatzgeschwindigkeit Vd verlässt, wird eine tangentiale Geschwindigkeit haben, die durch die Strecke H-M^ gemessen wird, und die tangentiale Geschwindigkeit des Profils 4a wird durch die Strecke K-M-j. gemessen, wobei der Diagrammpunkt M-^ auf der Kurve liegt, die der Viskosität V^ entspricht. jcIs kann wie vorher angenommen werden, dass die tangentiale Geschwindigkeit des Profils 4a zu Cü proportional ist und dass die tangentiale Geschwindigkeit des Produktes zu ^proportional ist. Es" folgt daraus, dass die Kenntnis von cj und ω₄ermöglicht, den Wert der Viskosität des Produktes festzustellen.

Der Wert der Viskosität als Punktion von Cj undo* könnte, zumindest theoretisch, mittels der i'ormeln und Methoden der Mechanik von Medien berechnet werden· Indessen würden die Pormeln, welche die kinematische Viskosität V als Funktion von cj und ω₄ zu berechnen gestatten, ausserordentlich kompliziert sein, so dass die Berechnungen sehr langwierig sein würden. Der Wert der Viskosität wird daher vorzugsweise mit Hilfe eines Diagramms bestimmt, das aus einer Eichung der Vorrichtung aufgezeichnet wird, üs ist leicht, ein solches Diagramm aufzuzeichnen, indem in dem Leitungsabschnitt 3 Produkte von bekannten Viskositäten mit verschiedenen Durchsatzmengen hindurchströmen gelassen werden und bei jedem Versuch die Werte von cu , cj_A , der Viskosität "\) und gegebenenfalls der Durchsatzmenge Q notiert werden.

Pig. 6 zeigt als Beispiel den allgemeinen Verlauf eines der Pig. 3 analogen Diagramms, welches dadurch erhalten wird, dass auf der Abszisse die Durchsatzmenge Q aufgetragen wird

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und auf der Ordinate die Summe a +W/aufgetragen wird, deren jeweiliger Wert von der Linie 33 dargestellt wird, us ist ersichtlich, dass der Wert von q +cJfgestattet, die Linie H'-K' auf dem Diagramm anzuordnen, und dass (beispielsweise) der Wert von cj,die Länge des Teiles dieser Linie bestimmt, der zwischen dem Punkt H¹ und dem Schnittpunkt M' oder M¹π oder M'p oder M¹, mit einer der Linien V bzw. V₄ »^₈ >V₅ liegt, welche den Wert der Viskosität angibt.

Das Diagramm kann offensichtlich auch in einer anderen Form aufgezeichnet werden. Insbesondere kann commit dem Kor rekturkoeffizienten a der oben angegebenen Beziehung (6) multipliziert werden, d.h. es kann den Längen, wie der Länge H^!-M', der Wert a.o< und den Längen, wie der Länge H'-K' der Wert <y gegeben werden. In der Praxis wird vorzugsweise ein Diagramm mit ausgerichteten Punkten hergestellt, was eine bequemere Auswertung ermöglicht.

Üs sei bemerkt, dass«aus naheliegenden Gründen die Durchsat zmengenmess er mit Flügelschraube im allgemeinen derart ausgebildet sind, dass die Änderungen der Viskosität des Produktes die Drehgeschwindigkeit der Schraube möglichst wenig beeinflussen. Bei einem gut ausgebildeten Durchsatzmengenmesser werden daher die Linien "V , V, , V_a , "V^ , der Fig. 6 in dem sogenannten "ToleranzVereich" der Vorrichtung sehr dicht zusammengedrängt sein, d.h. für die Werte von cj , die ein Mass der Durchsatzmenge mit der erforderlichen Genauigkeit liefern, Die Messung der Viskosität wird daher nicht sehr genau sein. Indessen weiss der Fachmann, dass es möglich ist, die viskose Heibung einer Schraube» wie der Schraube 1, beispielsweise dadurch zu vergrössern, dass ihre Oberfläche und/oder ihr Profil weniger sorgfältig bearbeitet werden (d.h., dass die Rauhheit der Oberfläche erhöht und/oder dem Profil eine weniger hydrodynamische Form gegeben wird), so dass ihre Drehgeschwindigkeit für die Viskosität sehr empfindlich ist. Wenn es als gegeben angenommen wird, dass, wie bereits oben erwähnt, die Drehgeschwindigkeit des Hilfsrotors 2 für die

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Viskosität unempfindlich ist, dann wird eine Vorrichtung, die derjenigen gemäss Fig. 1 ähnlich ist und eine Schraube 1 aufweist, deren Drehung für die Viskosität sehr empfind- · lieh ist, ein Mass der Viskosität mit einer ziemlich guten Annäherung liefern, und tatsächlich werden die Linien V , V< , V^, V₃ der Fig. 6 ziemlich weit voneinander getrennt sein,

Die Erfindung ermöglicht daher, einerseits einen genau arbeitenden Durchsatzmengenmesser zu verwirklichen, der eine Anzeige hinsichtlich der Viskosität eines Mediums liefert, und andererseits eine Messvorrichtung zu verwirklichen, die ein für den industriellen Bedarf ausreichend genaues Mass der Viskosität eines durch eine Leitung hindurchströmenden Mediums liefert. JSine solche Messvorrichtung kann in Reihe mit einem genau arbeitenden Durchsatzmengenmesser angeordnet werden.

Es sei bemerkt, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen nur Beispiele darstellen und dass sie im Rahmen der Erfindung abgewandelt werden können, im besonderen durch Ersatz technischer Äquivalente.-Insbesondere könnte, statt das Verhältnis «0.,/w mittels einer Analogeinrichtung zu berechnen, die auf Grund ihrer Art wenig genau sein wird, das zu dem vorstehenden Verhältnis umgekehrte Verhältnis cj /cj^ mit grosser Genauigkeit mit Hilfe eines bekannten numerischen Stromkreises berechnet werden, der durch Vergleich der Frequenzen f und f-i der Signale 18d bzw. 19d arbeitet.

Ferner könnte für den Vergleich von cj und ca,, um die Genauigkeit der Messung der Durchsatzmenge zu kontrollieren, auch eine Punktionsgrösse von <υ und cj_4f die von deren Verhältnis verschieden ist, verwendet werden. Das genaue Mass der Durchsatzmenge könnte durch eine lineare Funktion von Cj und Oj₁ geliefert werden, die eine von den Beziehungen (5) und (6)· verschiedene Form hat, beispielsweise durch die Summe der absoluten Werte von cj und w* , die mit Korrekturkoeff izienten versehen sind, von der Form b.üJ + c.cj^ .

Die Drehgeschwindigkeiten der Schraube und des Hilfero-

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tors können mittels irgendwelcher Einrichtungen gemessen
werden. Die Vorgänge, welche aus diesen Drehgeschwindigkeiten die Durchsatzmenge, die Punktionsgrösse von ο und Q^,
welche zum Kontrollieren der Genauigkeit der Messung dient, und die Viskosität zu bestimmen gestatten, können durch irgendwelche zweckentsprechenden Mittel herbeigeführt werden, insbesondere durch Berechnungen oder mit Hilfe von Diagrammen· Der Rahmen der Erfindung wird ebenfalls nicht verlassen, wenn die Viskosität aus α undco₄ mittels einer Rechenvorrichtung bestimmt wird.

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Claims

Patentansprüche

I 1.1 Messvorrichtung, die in einer Leitung anzuordnen ist, durch welche eine Mediumströmung hindurchgeht, gekennzeichnet durch die Kombination aus einer mit schrägen Flügeln versehenen Schraube, die um eine in der Leitung in Längsrichtung verlaufende Achse frei drehbar angeordnet ist, so dass sie mit einer Drehgeschwindigkeit rotieren kann, die der Durchsätzmenge der Strömung, zwischen bestimmten Grenzen dieser Durchsatzmenge und der Viskosität des Mediums, praktisch proportional ist, einem koaxial zu der Schraube und stromab von ihr frei drehbar angeordneten Rotor, der mit Flügeln versehen ist, die im wesentlichen in durch die gemeinsame Achse hindurchgehenden Ebenen liegen, und Einrichtungen zum Messen der Drehgeschwindigkeit ο der Schraube und der Drehgeschwindigkeit O₁ des Rotors. ^l
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1 zum Messen der Durchsatzmenge der Strömung, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche die Drehgeschwindigkeit cj₄ des Rotors mit der Drehgeschwindigkeit cj der Schraube vergleicht, um die Genauigkeit der Messung der Durchsatzmenge zu kontrollieren.·
3· Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Genauigkeit der Messung der Durchsatzmenge durch den Wert des Verhältnisses cji/ω bestimmt ist.
4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf das Verhältnis CJ*/u> ansprechende Warnsignaleinrichtung vorgesehen ist, die in Wirkung tritt, wenn das Verhältnis ^₁/cj einen vorbestimmten Wert übersteigt.
5· Messvorrichtung nach einem der: Ansprüche 1 bis 4t dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die Durchsatzmenge gemäss der Summe der absoluten Werte von <ü und αλ, misst, die gegebenenfalls sit durch eine .Eichung bestimmten Korrekturkoeffizienten versehen sind*
6. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» da-

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durch gekennzeichnet» dass eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die Drehgeschwindigkeit ^J der Schraube und die Drehgeschwindigkeit Cordes Rotors vergleicht oder kombiniert, um zu ermöglichen, die Viskosität des Mediums beispielsweise mittels eines durch eine Eichung hergestellten Diagramms zu bestimmen.
7· Vorrichtung zum Messen der Viskosität eines durch eine Leitung hindurchströmenden Mediums, gekennzeichnet durch die Kombination aus einer mit schrägen Flügeln versehenen Schraube, die um eine in der Leitung in Längsrichtung verlaufende Achse frei drehbar angeordnet ist, einem zu der Schraube koaxial und stromab von ihr frei drehbar angeordneten Rotor, der mit Flügeln versehen ist, die im wesentlichen in durch die gemeinsame Achse hindurchgehenden Ebenen liegen, Einrichtungen zum Messen der Drehgeschwindigkeit <0 der Schraube und der Drehgeschwindigkeit cj-tdes Rotors und einer Einrichtung zum Bestimmen der Viskosität des Mediums aus den gemessenen Werten der Drehgeschwindigkeiten ο und ω* .
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenzustand und/oder die Form der Schraube derart gewählt sind, dass die Viskosität des Mediums die Drehgeschwindigkeit der Schraube stark beeinflusst.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Bestimmen der Viskosität aus den gemessenen Werten der Drehgeschwindigkeiten to und CJ₁ ein durch Eichen der Vorrichtung hergestelltes Kurvendiagramm aufweist·
10. Verfahren zum Bestimmen des angenäherten Wertes der Viskosität eines durch eine Leitung hindurchströmenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit einer Schraube, die durch die Mediumströmung in der Art der Schraube eines üblichen Durchsatzmengenmessers in Drehung versetzt wird, und die Drehgeschwindigkeit eines stromab der Schraube und koaxial zu ihr frei drehbar angeordneten Rotors, der mit im wesentlichen in durch die gemeinsame Achse

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hindurchgehenden Ebenen liegenden Flügeln versehen ist, gemessen werden und die gemessenen Werte der Drehgeschwindigkeiten der Schraube und des Rotors, die vorher mittels Strömungen von Medien bekannter Viskositäten geeicht sind, dazu benutzt werden, die Viskosität beispielsweise mittels eines Kurvendiagramms zu berechnen.

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