DE3113112C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Meßturbine mit einem Turbinenläufer, der in
einem Strömungskanal des Meßgehäuses mit einer Achse in Strömungs
richtung angeordnet und mit einem induktiven Impulsabgriff ausgerüstet
ist.
Derartige Durchflußmesser sind an sich bekannt und gehören zur Gruppe
der mittelbaren Volumenzähler, welche nach dem Prinzip des sogenannten
Woltmann-Flügelradzählers arbeiten und die zur genauen Messung des
momentanen Volumenstromes sowie zur Volumenmessung von Flüssigkeiten
besonders geeignet sind. Ein Turbinenläufer mit geringer Masse, der in
einem Rohrkörper zentrisch gelagert ist, wird in axialer Richtung
angeströmt, wobei das Meßmedium, über Strömungsgleichrichter beruhigt,
als quasi laminare Strömung auf das Turbinenrad trifft. Die Drehzahl
des Turbinenrades ist hierbei proportional der mittleren Strömungs
geschwindigkeit und entspricht damit über einen weiten Bereich dem
durchgesetzten Volumen.
Die Drehzahl des Turbinenrades wird vorzugsweise rückwirkungsarm durch
den nicht-magnetischen Rohrkörper hindurch über einen induktiven Auf
nehmer abgegriffen. Die Impulszahl pro Zeiteinheit ist dem momentanen
Volumenstrom proportional, wobei selbst bei minimalem Volumenstrom die
Drehzahl des Turbinenrades durch den induktiven Impulsabgriff nicht
beeinflußt wird. Die hydraulischen Verluste sind jedoch viskosi
tätsabhängig bzw. abhängig von der Reynoldzahl.
Durch die Auswahl hochwertiger und reibungsarmer Lagerwerkstoffe und
durch die Verringerung der Flügelmasse ist man bemüht, das Bremsmoment
möglichst klein zu halten, um den maximalen Effekt, d. h. den großen
Meßbereich des Zählers zu behalten oder zu erweitern. Dies wirkt sich
auch auf die Charakteristik der Fehlerkurve aus. Solche Maßnahmen
hängen jedoch weitgehend von dem Winkel der Schaufeln zur Achse des
Turbinenrades sowie von der Anzahl der Schaufeln ab, wodurch auch die
Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrades mitbestimmt wird.
Die Bestrebungen, die bekannten Turbinendurchflußmesser zu einem genau
arbeitenden Meßgerät auszugestalten, führten im Laufe der Zeit zu Ver
besserungen, die sich insbesondere auf die Ausbildung der Flügel bezog.
So sind beispielsweise Konstruktionen mit zwei verschiedenen Steigungen
bekannt, wobei im vorderen Teil des Flügelrades eine steilere Steigung
verwendet wird, als im hinteren Teil. Dadurch wird erreicht, daß bei
kleinen Durchflußmengen die Beaufschlagung intensiver wirkt, so daß
bereits bei kleinen Durchflußmengen Drehzahlbereiche erreicht werden,
bei denen die untere Meßbereichsgrenze herabgesetzt werden kann. Um
jedoch andererseits nicht in zu hohe Drehzahlbereiche zu gelangen, die
einen erhöhten Verschleiß zur Folge hätten, wurde der hintere Teil des
Flügelrades mit einer flacheren Steigung versehen, die für den nötigen
Geschwindigkeitsausgleich sorgt.
Eine Reduzierung der Drehzahl des Flügelrades im Bereich relativ
geringen Durchflusses wirkt sich auf die Charakteristik der Fehlerkurve
derart aus, daß diese flacher gehalten werden kann, so daß entweder die
Fehlergrenze reduziert oder der Meßbereich erweitert werden kann, je
nachdem, ob die Nullgrenze verschoben oder in ihrer Lage unverändert
bleiben soll.
Bei dem Meßvorgang wirkt die den Turbinenläufer umschließende Gehäuse
wandung auf die Drehbewegung ein. Die zu messende Flüssigkeit befindet
sich unmittelbar an der Gehäusewandung im Ruhezustand, während ande
rerseits am Umfang des Turbinenläufers eine hohe Drehzahl derselben
auftritt. Es liegt somit eine Relativbewegung des Strömungsmittels auch
in Umfangsrichtung des Turbinenläufers vor. Wird die Umfangs-Ge
schwindigkeitskomponente dieser Strömung durch entsprechende Mittel
beeinflußt, so wird die jeweilige Drehzahl des Turbinenläufers ver
ändert.
Aus den mathematischen Grundlagen ist es bekannt, daß ein Schlupf des
Turbinenläufers auftritt, der quadratisch mit dem Durchfluß abnimmt.
Ein solcher Schlupf tritt z. B. bei der Rotation von Zylindern in
Gehäusen mit engem Spalt auf, aber auch bei Rotation der Schaufeln in
der Nähe der Gehäusewandung. So ist es bereits bekannt, die
Erkenntnisse aus diesen genannten Verfahren zu benutzen, um sogenannte
viskositätskompensierte Turbinenradzähler zu bauen. Die hier vorliegende
Strömung liegt im sogenannten laminar-turbulenten Bereich mit einem
Schlupfeinfluß von ¹/Re, wobei Re die Reynold'sche Zahl ist.
Weitere Einflüsse überlagern jedoch die mit dem Quadrat der
Durchflußmenge abnehmende Wirkung dieses Schlupfes, so daß in der
Praxis eine negative Neigung der Fehlerkurve auftritt. (Siehe hierzu
die gestrichelte Kurve in Fig. 3 nach dem Maximum.)
Aus der DD-PS 34 424 ist ein Durchflußmengenmesser bekannt, welcher
nach dem Woltmann-System arbeitet und ein von der Meßströmung
angetriebenes Flügelrad aufweist. Über dem Flügelrad befindet sich am
Strömungskanal ein Impulsgeber, bestehend aus einer Spule mit einem
Joch. Von diesem Impulsgeber geht jedoch keine Beeinflussung der Meß
strömung zur Verbesserung der Meßergebnisse insbesondere bei geringen
Strömungen aus.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit der Erzeugung
eines Schlupfes die Drehzahl eines Turbinenläufers derartig beeinflußt
werden kann, daß die prozentuale Abweichung der Fehlercharakteristik
vom tatsächlichen Istwert des Durchflusses verbessert oder der
Meßbereich hinsichtlich größerer Durchflußmengen erweitert werden kann.
Der Erfindung liegt danach die Aufgabe zugrunde, durch einen zusätz
lichen, definierten und veränderbaren, mit ähnlichen Eigenschaften wie
beschrieben versehenen Schlupf des in einem Strömungskanal des
Meßgehäuses angeordneten Turbinenläufers, das Maximum der Fehlerkurve
zu senken.
Mit der Erzeugung eines solchen Schlupfes läßt sich die Drehzahl eines
Turbinenläufers so beeinflussen, daß, wie eingangs ausgeführt wurde,
entweder die prozentuale Abweichung der Fehlercharakteristik vom tat
sächlichen Istwert des Durchflusses verbessert oder der Meßbereich
hinsichtlich größerer Durchflußmengen erweitert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei der eingangs aufge
führten Meßturbine die dem Turbinenläufer gegenüberliegende Gehäuse
wandung des Strömungskanals mindestens eine Bohrung aufweist, deren
wirksame Tiefe veränderbar ausgebildet ist.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist in einer Bohrung ein
induktiver Meßdetektor angeordnet, dessen Einschraubtiefe veränderbar
ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung wird bezüglich der Lösung des Problems der
Beeinflussung der Umfangsgeschwindigkeitskomponente mit Hilfe von
Bohrlöchern durch zwei Ausgestaltungen realisiert:
- 1. Die Meßsonde bzw. der induktive Impulsdetektor kann in der gleichen Bohrung enthalten sein, welche auch die veränderbare und wirksame "Störstelle" bildet.
- 2. Die Meßsonde bzw. der induktive Impulsdetektor kann in einer eigenen Bohrung enthalten sein, während die Bohrung zur Beein flussung der Umfangsgeschwindigkeitskomponente durch eine andere Bohrung, und damit unabhängig davon, gebildet wird.
Meßversuche haben ergeben, daß gemäß der Ausgestaltung 1. bei einer
Veränderung der Position der Meßsonde in der Bohrung zur Strömungs
beeinflussung auch die Induktivität variabel beeinflußt wird.
Dies wirkt sich besonders bei kleinen und hier interessanten
Drehzahlen des Turbinenlaufrades gegebenenfalls ungünstig aus. Bei
kleinen Drehzahlen der Turbine werden auch geringe Meßspannungen
erzeugt, welche bereits in der Größenordnung von auftretenden Stör
spannungen liegen können. Dies bedeutet, daß keine weiteren Verände
rungen der Meßsonde in Richtung kleinerer Spannungen durchgeführt
werden können, wodurch aufgrund der Meßsonde Grenzen für die
Strömungsbeeinflussung gegeben sind. Dies ist bei der Ausgestaltung 2.
nach der vorliegenden Erfindung nicht der Fall, da die Meßsonde
hinsichtlich ihrer zu erzeugenden Meßspannung stets auf Maximalwerte
eingestellt werden kann. Da die Mittel zur Strömungsbeeinflussung eine
von der Meßsonde getrennte Bohrung aufweisen, können auch diese mit
einer maximalen Wirkung eingestellt werden, ohne daß die Meßsonde davon
beeinflußt wird. Die Ausgestaltung 2. wird daher bevorzugt angewendet.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen näher dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert.
Hierbei zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Meßturbine,
Fig. 2a einen Querschnitt durch einen Induktivaufnehmer mit einem
Schraubeinsatz,
Fig. 2b einen Querschnitt durch eine Bohrung im Meßgehäuse für den
Einsatz des Induktivaufnehmers und
Fig. 3 die charakteristische Fehlerkurve gemäß einem Ausführungs
beispiel der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer
Fehlerkurve eines entsprechenden Meßgerätes gemäß dem Stand
der Technik.
Die Fig. 1 zeigt eine Meßturbine im Längsschnitt etwa in natürlicher
Größe.
Das Meßgehäuse umschließt einen runden Strömungskanal 15 und ist
eingangsseitig mit einem Einlauf 16 und ausgangsseitig mit einem
Auslauf 17 versehen, welche mit Gewinde ausgerüstet sind. Der Pfeil 13
zeigt die Strömungsrichtung des zu messenden Strömungsmittels an.
Unmittelbar hinter dem Einlaufanschluß befindet sich im Strömungskanal
15 ein Strömungsgleichrichter 18, welcher beispielsweise sechs Leit
bleche aufweist, die an einem Ring 30 eingangsseitig befestigt sind und
gleichzeitig zur Halterung der Läuferachse 2 dienen. Zur Verminderung
der Wirbelbildung ist der Läuferachse 2 ein Strömungskörper 19 vorge
schaltet. Vor und hinter dem Läuferrad 4 sowie am Auslaufende der Achse
2 sind weitere Strömungskörper 20, 21 und 22 vorhanden. Dem Strö
mungskörper 21 schließt sich unmittelbar eine weitere Leitblechan
ordnung 23 an, welche ebenfalls zur Strömungsgleichrichtung dient.
In dem Meßgehäuse 14 sind durch Kappen 28 und 29 verschlossene
Bohrungen 26 und 27 vorhanden, welche zur Aufnahme entsprechender Druck-
bzw. Temperaturwertgeber dienen. Die Bohröffnungen der Geber liegen
jeweils im Einflußbereich der Strömungsgleichrichter 18 bzw. 23, so daß
hierdurch keine merkliche Einwirkung auf den Turbinenläufer 4 entsteht.
Die Gehäusewandung 40 des Strömungskanals 15 weist eine Bohrung 24 auf,
die dem Tubinenläufer 4 gegenüberliegend angeordnet ist. In der Bohrung
befindet sich ein induktiver Meßdetektor 25, dessen Einschraubtiefe
veränderbar ist.
Eine weitere auf dem gleichen Umfang angeordnete Bohrung ist nicht
näher dargestellt.
Eine Ausführungsform eines Induktivaufnehmers ist aus der Fig. 2a
ersichtlich, während die Fig. 2b in vergrößerter Darstellung zur Fig.
1 die Bohrung 24 in der Gehäusewandung 40 wiedergibt.
Die Fig. 3 zeigt die charakteristische Fehlerkurve (durchgezogen) im
Vergleich zur entsprechenden Fehlerkurve einer Meßturbine nach dem
Stande der Technik (gestrichelt dargestellt).
Wie der Kurvenverlauf deutlich zeigt, läßt sich das Maximum der
Fehlerkurve durch Veränderung der Einschraubtiefe des Induktiv
aufnehmers 25 erheblich reduzieren, wobei die Reduktion dann am größten
ist, wenn die Bohrung 24 durch Zurückdrehung des Induktivaufnehmers
ihre maximal wirksame Tiefe aufweist. Durch das Vorhandensein der
Bohrung 24 in der Gehäusewandung 40 werden exzentrisch auf den
Turbinenläufer wirkende Bremskräfte erzeugt. Bei zunehmender Drehzahl
des Turbinenlaufrades erhöht sich das im Ringspaltraum 42 sich aus
bildende Schergefälle, welches in Abhängigkeit von der Turbinenläufer
drehzahl eine Bremswirkung ausübt, und zwar durch Erzeugung
entsprechender Wirbel, welche ihrerseits drehzahlabhängig sind. Je
größer somit die Bremswirkung auf das Turbinenläuferrad ist, um so mehr
wird die ursprüngliche maximale Drehzahl des Turbinenläuferrades
reduziert, wie aus der Fig. 3 vom Kurvenanfang bis zum Maximum
deutlich ersichtlich ist. Mit der Bremswirkung wird somit der
prozentuale Fehler reduziert, beispielsweise von plus 1% auf plus 0,5%.
Läßt man beispielsweise die gleiche Abweichung von 1% wie beim Stand
der Technik zu, so kann die Nullinie verschoben werden, so daß damit
der Meßbereich hinsichtlich größerer Durchflußmengen vergrößert werden
kann. Ist es beispielsweise nicht erforderlich, den Meßbereich zu
erweitern, so kann die Genauigkeit der Meßturbine durch Reduzierung
des prozentualen Fehlers vergrößert werden. Beim gleichen Meßbereich
wird somit eine erhöhte Genauigkeit erzielt, wie in Fig. 3
dargestellt ist.
Mit der Drehung des Meßdetektors 25 und damit der Veränderung der
wirksamen Tiefe der Bohrung 25 kann eine Justierung bzw. Kalibrierung
des Meßgerätes durchgeführt werden, so daß bei einer bekannten
Fehlercharakteristik die Nullinie festgelegt werden kann. Die
Genauigkeit bzw. der Verlauf der Fehlercharakteristik hinsichtlich
ihres Maximums läßt sich nun durch entsprechende Einstellung des
induktiven Meßdetektors 25 je nach Wunsch verändern.
Claims (2)
1. Meßturbine mit einem Turbinenläufer, der in einem Strömungskanal
des Meßgehäuses mit einer Achse in Strömungsrichtung angeordnet und
mit einem induktiven Impulsabgriff ausgerüstet ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß die dem Turbinenläufer (4) gegenüberliegende Gehäuse
wandung (40) des Strömungskanals (15) mindestens eine Bohrung (24)
aufweist, deren wirksame Tiefe veränderbar ausgebildet ist.
2. Meßturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer
Bohrung (24) ein induktiver Meßdetektor (25) angeordnet ist, dessen
Einschraubtiefe veränderbar ausgebildet ist.
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