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Rotationsströmungsmesser mit Haftreibungskompensation, insbesondere
zur Messung kleiner Strömungsgeschwindigkeiten Die Erfindung betrifft einen Rotationsströmungsmesser
mit Haftreibungskompensation zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten
und Gasen, insbesondere zur Messung sehr kleiner Strömungsgeschwindigkeiten.
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Die herkömmlichen Rotationsströmungsmesser, wie z. B. Schalenkreuz-
oder Flügelradanemometer, mit denen die Translationsgeschwindigkeit eines strömenden
Mediums in eine Rotationsgeschwindigkeit umgesetzt wird, haben den Nachteil, daß
sie infolge der in den Lagern auftretenden Haftreibung erst bei einer wesentlich
von Null verschiedenen Strömungsgeschwindigkeit zu rotieren beginnen. Die von der
Haftreibung verursachte Anlaufverzögerung verhindert eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit
in einem endlichen Anfangsintervall. Diesen Mangel zu beseitigen und insbesondere
die Messung geringer Strömungsgeschwindigkeiten zu ermöglichen, ist das Ziel der
nachfolgend beschriebenen Erfindung.
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Der bekannte Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß dem Rotor,
der von der Strömung angetrieben werden soll, bei der Strömungsgeschwindigkeit Null
durch einen von der Strömung unabhängigen Antrieb bereits eine endliche Rotationsgeschwindigkeit
erteilt wird, so daß die Haftreibung aufgehoben ist. In dieser Meßanordnung bewirkt
jede noch so kleine Strömungsgeschwindigkeit eine Anderung der ursprünglichen Rotationsgeschwindigkeit,
so daß eine Anlaufverzögerung entfällt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Haftreibung bei Anemometern
durch einen künstlichen Luftstrom als zusätzlichen Antrieb zu kompensieren.
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Diese Methode weist jedoch z. B. außer der Schwierigkeit, den zusätzlichen
Luftstrom konstant und definiert meßbar zu halten, verschiedene Mängel auf, die
mit vorliegender Erfindung umgangen werden.
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Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen ein zusätzlicher Antrieb
der Rotorwelle durch einen Elektromotor erfolgt (deutsche Patentschrift 477 072
und USA.-Patentschrift 2493 931). Bei diesen Anordnungen hat der Elektromotor die
Aufgabe, die Anemometerwelle auf eine Drehzahl zu bringen, die gerade dem schlupflosen
Zustand des Flügelrades entspricht. Damit wird jedoch die Haftreibung nicht kompensiert,
weil die Motordrehzahl durch die Strömung als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit
so gesteuert wird, daß die Zufuhr zusätzlicher Energie beim Anlaufvorgang nur erfolgen
kann, wenn die Strömung den Propeller bereits in Bewegung gesetzt hat, d. h. bei
einer von Null verschiedenen Anlaufgeschwindigkeit, die durch die Haftreibung eindeutig
bestimmt ist. Es wird also bei diesen Anordnungen
lediglich die Gleitreibung, nicht
aber die Haftreibung kompensiert, so daß sie zur Messung geringer Strömungsgeschwindigkeiten,
die kleiner sind als die Anlaufgeschwindigkeit, nicht brauchbar sind. Die Anlaufgeschwindigkeit
hochempfindlicher herkömmlicher Flügelradanemometer liegt bei etwa 50 cm/sec Gasgeschwindigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem
Betrag Null und dem Betrag der Anlaufgeschwindigkeit herkömmlicher Anemometer zu
messen. Ausgehend von einem Rotationsströmungsmesser mit einem an die Propellerwelle
angekuppelten elektrischen Motor, durch den der Propeller auf einer von Null verschiedenen
Rotationsgeschwindigkeit gehalten wird, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrischen Größen des Motors ein differentielles Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
des strömenden Mediums darstellen.
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Wenn im folgenden der Einfachheit halber vom Propeller oder Schalenkreuz
gesprochen wird, so ist damit immer allgemein eine Einrichtung gemeint, mittels
derer von dem strömenden Medium eine Drehkraft auf die Motorwelle ausgeübt werden
kann.
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Jede Änderung der Strömungsgeschwindigkeit ruft eine Änderung der
folgenden Meßgrößen hervor: Spannung U an den Motorklemmen, Strom l im Kreis, Drehfrequenz
v der Welle.
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Um zu reproduzierbaren Meßergebnissen zu gelangen, wird in Weiterbildung
der Erfindung vorgeschlagen, daß unter Konstanthaltung einer der elektrischen Meßgrößen
eine oder mehrere der anderen als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit genommen
werden.
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Bei den entwickelten Meßverfahren ergaben sich noch zwei grundsätzliche
Unterschiede in der Meßmethode, je nach der Rotationsrichtung des Propellers in
bezug auf die Strömungsrichtung. In diesem Sinne wird als Mitstromverfahren das
Meßverfahren gekennzeichnet, bei dem das strömende Medium die Propellerdrehung beschleunigt,
als Gegenstromverfahren dasjenige, bei dem das strömende Medium die Propellerdrehung
verzögert.
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In A b b. 1 ist eine Schaltung angegeben, die für die nachfolgend
beschriebenen Meßmethoden verwendet wurde. Der Übergang von Mitstrom- auf das Gegenstromverfahren
und umgekehrt erfolgt durch Umschalten des Polwenders S. Die konstante Spannung
UO einer Stromquelle wird über den Polwender S auf das als Spannungsteiler geschaltete
Potentiometer R gegeben. Die an den Klemmen des Motors M liegende Spannung U kann
hier grob und an dem Potentiometer Ri fein eingestellt werden. Das im Prinzip wiedergegebene
Schaltbild zeigt außerdem das Meßinstrument A für den Strom I und das Meßinstrument
V für die Spannung U.
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Nachstehende Meßverfahren wurden entwickelt und untersucht: 1. Messung
der Stromstärke I bei konstanter Spannung U. In A b b. 2 ist die Stromstärke I im
Kreis als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit w bei verschiedenen konstanten Spannungen
Wi an den Klemmen des Motors M dargestellt.
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Die Kurvenscharen, die einerseits dem Meßbereich des Mitstromverfahrens
und andererseits dem des Gegenstromverfahrens zugeordnet sind, sind durch einen
Bereich voneinander getrennt, der durch die beiden gestrichelten Kurven in A b b.
2 begrenzt ist.
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Dieser Bereich enthält die Strömungsgeschwindigkeiten w, bei denen
die Drehfrequenz v infolge des Gleichgewichtes zwischen der von der Strömung und
der vom Motor am Propeller verursachten Kraft Null ist und wegen der bei Stillstand
auftretenden Haftreibung über ein endliches Intervall der Strömungsgeschwindigkeit
Null bleibt. Solche Intervalle sind im allgemeinen für die Messung uninteressant.
Wie aus der Darstellung hervorgeht, ist das Gegenstromverfahren für Messungen kleiner
Strömungsgeschwindigkeiten, das Mitstromverfahren für die Messung großer Strömungsgeschwindigkeiten
besonders geeignet. Kurven gleichen Spannungsbetrages Ui haben die Eigenschaft,
daß sich ihre Meßbereiche gegenseitig überlappen, so daß der gesamte Bereich der
Strömungsgeschwindigkeit erfaßt werden kann.
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2. Messung der Spannung U bei konstantem Strom I.
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A b b. 3 zeigt die Abhängigkeit der Motorspannung U von der Strömungsgeschwindigkeit
w bei verschiedenen konstanten Stromstärken 4. Auch hier gibt es einen Bereich der
Strömungsgeschwindigkeit w, für den die Drehfrequenz v des Propellers Null ist.
Dieser Bereich trennt auch hier die Meßbereiche von Mit-bzw. Gegenstromverfahren.
Man sieht, daß für die Messung kleiner Strömungsgeschwindigkeiten das Gegenstromverfahren,
für die Messung großer Strömungsgeschwindigkeiten das Mitstromverfahren besonders
geeignet ist. Kurven gleichen Strombetrages lt haben auch hier die Eigenschaft,
daß sich ihre Meßbereiche gegenseitig überlappen. Der Übergang vom Mitstrom- zum
Gegenstromverfahren und umgekehrt erfolgt durch Umschalten des Polwenders S.
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Die spezielle Meßkurve = const. = 0 hat noch den Vorzug, daß eine
eventuelle Störung der Messung
durch Entstehung von Stromwärme in den Wicklungen
des Motors hier völlig unterbleibt.
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3. Messung der Drehfrequenz y des Propellers bei konstantem Strom
l bzw. bei konstanter Spannung U.
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A b b. 4 zeigt die Abhängigkeit der Drehfrequenz r von der Strömungsgeschwindigkeit
w im Mitstromverfahren einerseits bei konstantem Strom I, andererseits bei konstanter
Motorspannung U. Mit wachsender Strömungsgeschwindigkeit w nimmt die Drehfrequenz
-i' monoton zu. Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen den angegebenen
Meßgrößen, dessen Bereich um so größer ist, je kleiner die konstanten Parameter
I bzw. U gewählt werden. A b b. 5 zeigt die Abhängigkeit der Drehfrequenz, von der
Strömungsgeschwindigkeit w im Gegenstromverfahren bei konstantem Strom I einerseits
und bei konstanter Motorspannung U andererseits. Mit wachsender Strömungsgeschwindigkeit
w nimmt die Drehfrequenz y einsinnig ab, und zwar ergibt sich für einen genügend
großen Meßbereich ein linearer Zusammenhang zwischen den Meßgrößen. Wie bei dem
unter Ziffer 1 und 2 beschriebenen Verfahren ist auch hier das Gegenstromverfahren
für Messungen kleiner Strömungsgeschwindigkeiten, das Mitstromverfahren für die
Messung größerer Strömungsgeschwindigkeiten besonders geeignet.
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Die Messung der Drehfrequenz v kann mit einem beliebigen, an die
Rotorwelle angekuppelten Frequenzgeber G (vgl. A b b. 1) mit nachgeschalteter Meßeinrichtung
durchgeführt werden. Der Geber G kann z. B. ein elektrischer Generator mit einer
frequenzproportionalen Spannungscharakteristik sein, oder er kann nach dem Prinzip
fotoelektrischer oder magnetischer Abtastung arbeiten.
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Für den erfindungsgemäßen Rotationsströmungsmesser wurde ein Geber
entwickelt, der die Eigenschaft hat, daß die von ihm gelieferte Wechselspannung
über einen Frequenzbereich von 0 bis mehr als 300 Hz der Drehfrequenz des Propellers
streng proportional ist. Dieser Geber hat den besonderen Vorteil, daß die von ihm
gelieferte sinusförmige Wechselspannung als Maß für die Drehfrequenz des Propellers
durch Anschließen eines gewöhnlichen Spannungsmessers genommen werden kann. In A
b b. 6 ist der beschriebene Frequenzgeber schematisch dargestellt. Zwischen den
beiden eisenfreien Spulen Sp, und Sp2 ist ein zylindrischer Magnet Ma auf einer
in den beiden Lagern L, und L., geführten Welle W drehbar angeordnet. Der Magnet
Ma ist ein Sintermagnet aus pulverförmigem ferromagnetischem Material, wodurch Wirbelstromverluste
bei hohen Drehfrequenzen praktisch völlig vermieden werden.
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Die erzeugte Wechselspannung wird an den Spulenenden abgegriffen.
Damit entfällt auch der störende Einfluß eines Kollektors, der hier bewußt vermieden
wurde. Die magnetischen Rückstellkräfte sind sehr klein, weil die Spulen kein Eisen
enthalten; bei der Frequenz = = 0 sind sie sogar exakt gleich Null. Damit tritt
eine die Drehbewegung hemmende Kraft nur als Reibungskraft in den Lagern auf. Mit
Hilfe der Kupplung K wird der Geber an die Propeller- bzw.
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Motorwelle angekuppelt.
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4. Messung des Stromes 1 bzw. der Motorspannung U bei konstanter
Drehfrequenz zu In A b b. 7 ist dieser Zusammenhang dargestellt. Der Strom I bzw.
die Motorspannung U sind monoton steigende Funktionen der Strömungsgeschwindigkeit
w. Bei geeigneter Wahl des Parameters sy = const. erhält man
einen
linearen Zusammenhang zwischen den Meßgrößen.
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Um die Meßempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Anordnung zu überprüfen,
wurde ein Anernometer der herkömmlichen Bauart untersucht, bei dem die elektrische
Spannung eines auf der Propellerwelle sitzenden Generators als Maß für die Windgeschwindigkeit
diente. Ein solches Anemometer lief infolge Haftreibung erst bei einer Windgeschwindigkeit
von etwa 5000 mlh an. Bei Verwendung des gleichen Generators, als Motor im Gegenstromverfahren
geschaltet, wurde eine Ansprechempfindlichkeit im Nullpunkt der Windgeschwindigkeitw
von lmA pro 50m/h erzielt. Wenn man eine Ablesegenauigkeit von 1 mA zugrunde legt,
so bedeutet das im Vergleich zu dem herkömmlichen Anemometer eine Steigerung der
Ansprechempfindlichkeit um den Faktor 100. Es wurde ferner ein zweites Anemometer
herkömmlicher Bauart mit extrem niedriger Haftreibung untersucht. Seine Ansprechempfindlichkeit
lag unter den gleichen äußeren Bedingungen bei einer Strömungsgeschwindigkeit von
450 mit. Im Vergleich hierzu hat das als Erfindung beschriebene Anemometer im Gegenstromverfahren
sogar noch eine um den Faktor 10 größere Ansprechempfindlichkeit.
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Den bis hier beschriebenen Meßverfahren ist eine Eigenschaft gemeinsam:
Der Strömungsgeschwindigkeit w = O ist eine von Null wesentlich verschiedene Meßgröße
U, I bzw. y zugeordnet. Für bestimmte Meßzwecke kann es wünschenswert sein, daß
der Nullpunkt der die Strömungsgeschwindigkeit w charakterisierenden Meßgröße mit
dem Nullpunkt von w zusammenfällt. Dies wird durch den nachstehend beschriebenen
weiteren Erfindungsgedanken erreicht.
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5. Der Motor M wird als Widerstand in eine bekannte Widerstandsmeßbrücke
geschaltet, wie in A b b. 8 dargestellt. Für die Strömungsgeschwindigkeitw = 0 wird
der Zeigerausschlag am Brückeninstrument A mit Hilfe des veränderlichen Widerstandes
Rl auf den Ausschlag Null eingeregelt. Jede Änderung der Strömungsgeschwindigkeit
w bedingt eine Änderung des Brückengleichgewichts und damit einen Zeigerausschlag,
dessen Vorzeichen die Strömungsrichtung kennzeichnet. Der Betrag des Zeigerausschlages
ist ein Maß für den Betrag der Strömungsgeschwindigkeit w. Andererseits ist der
Betrag der Änderung des Widerstandes R1, die notwendig ist, um das Brückengleichgewicht
wieder herzustellen, ein Maß für die Änderung des Betrages der Strömungsgeschwindigkeit
w, das Vorzeichen der Widerstandsänderung ein Kennzeichen für das Vorzeichen der
Änderung der Strömungsgeschwindigkeit.
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6. Die in den Meßverfahren 1 bis 5 jeweils die Strömungsgeschwindigkeit
w kennzeichnende Meßgröße ist bei Gasen außerdem eine Funktion des Druckes vor dem
Propeller. Für manche Meßzwecke kann es wünschenswert sein, den Einfluß dieses Parameters
auszuschalten.
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Dies geschieht gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken in nachstehend
beschriebener Weise: Die Brückenschaltung der Ab b. 8 wird dahingehend abgeändert,
daß der Widerstand R3 durch einen Motor M2 mit angekuppeltem Propeller mit den gleichen
Eigenschaften wie der Motor Ml ersetzt wird (s. Abb.9). Gleichheit der Propeller
ist ebenfalls vorausgesetzt. Der Propeller des Motors M2 rotiert in
einem Gefäß,
das mit dem Meßmedium gefüllt und über ein Rohr mit dem Meßraum am Ort des Propellers
des Motors M1 in Verbindung steht, so daß zwar am Ort des Propellers M2 der gleiche
Druck bzw. die gleiche Zähigkeit herrscht wie im Meßraum, aber der Propeller M2
im nicht strömenden Medium rotiert. Mit Hilfe des veränderlichen Widerstandes Al
wird für die Strömungsgeschwindigkeitw = 0 der Zeigerausschlag des Brückeninstrumentes
auf Null eingestellt. Für eine beliebige Strömungsgeschwindigkeit w wird damit der
Zeigerausschlag nach Betrag und Richtung ein direktes Maß für den Betrag und die
Richtung der Strömungsgeschwindigkeit w. Da eine Änderung des Druckes bzw, der Zähigkeit
im Meßraum auf beide Propeller in gleichem Maße einwirkt, ändern sich die entsprechenden
Widerstände der Motoren M, und M9 in gleichem Maße, so daß das Brückengleichgewicht
erhalten bleibt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit w konstant ist. Damit wird die
Geschwindigkeitsanzeige vom Druck am Propeller bzw. von der Zähigkeit des strömenden
Mediums unabhängig.
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7. Die in Abschnitt 5 und 6 beschriebenen Brückenmethoden lassen
sich, falls dies für gewisse Meßzwecke wünschenswert sein kann, dahingehend abändern,
daß statt der Motoren MX und Mfl jeweils ein Geber G, (wie z. B. unter Ziffer 3
beschrieben) als Widerstand in die entsprechenden Brückenzweige geschaltet wird.
Die Geber werden durch Motoren mit Propeller angetrieben und die Motoren aus einer
konstanten Spannungsquelle gespeist. Im übrigen bleibt die hydrodynamische Meßanordnung
der Ä b b. 8 bzw. 9 erhalten. Die restlichen Brückenwiderstände können auch durch
Wechselstrom-Widerstände und die Brückenspeisespannung Us durch eine Wechselspannung
ersetzt werden. Eine Änderung der Drehfrequenz des Gebers, hervorgerufen durch eine
Änderung der Strömungsgeschwindigkeit w, bewirkt eine Widerstandsänderung des Gebers
und damit eine meßbare Änderung des Brückengleichgewichtes, die ein Maß ist für
die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit. Die Verwendung von Gebern G als Brückenwiderstände
hat den besonderen Vorzug, daß die Brückenströme klein gehalten werden können.