Flügelrad-Anemometer
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flügelrad Anemometer für Gasströmungen mit einem mit dem Flügelrad mitdrehenden Geber zur elektrischen Übertra- gung der Drehzahl.
Zur Bestimmung von Gasgeschwindigkeiten werden Anemometer verwendet, die beispielsweise ebene Flügel aufweisen, welche in einer zylindrischen Umhüllung laufen. Die Umdrehungen der Flügel werden mechanisch oder elektrisch auf ein anzeigendes und/oder registrierendes Messinstrument, z. B. ein Zählwerk, übertragen.
Bei hohen Gastemperaturen von mehr als etwa 1000 C können die bekannten Anemometer mit ! elek- trischer Übertragung der Drehzahl nicht mehr verwendet werden, da die vorgesehenen magnetischen oder induktiven Geber, die der Gastemperatur ausgesetzt sind, nicht oder nur mit grossen Schwierigkeiten für derart hohe Betriebstemperaturen gebaut werden können. Besondere Schwierigkeiten entstehen auch bei der Ausbildung der benötigten rotierenden Kontakte zwischen dem Geber und den an das Messinstrument angeschlossenen Verbindungsleitungen. Zudem ist die Lagerung der rotierenden Teile bei hohen Temperaturen problematisch.
Zweck der Erfindung ist, die angeführten Nachteile zu vermeiden. Erfindungsgemäss ist das Flügelrad Anemometer gekennzeichnet durch einen kapazitiven Drehzahlgeber, der ein auf einer mit Spitzenlagern versehenen, das Flügelrad tragenden Welle angebrachtes Rotorpaket eines nach Art eines Schmetterlingkondensa tors ausgebildeten Drehkondensators und zwei einander gegenüberliegende, isoliert an Gehäuseteilen angebrachte Statorpakete aufweist, an welche je eine Leitung zur symmetrischen Verbindung der Statorpakete mit einem Messgerät angeschlossen ist.
Die Erfindung wird anschliessend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Horizontalschnitt eines Flügelrad-Anemometers mit einem kapazitiven Drehzahlgeber nach der Erfindung, worin Statorplattenpakete um 900 gegen über ihrer tatsächlichen Lage gedreht dargestellt sind.
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1 mit den Statorplattenpaketen in ihrer tatsächlichen Lage,
Fig. 3 eine schematische Darstellung von zwei Anemometern der Fig. 1 in einer Anordnung zur isokinetischen Gasentnahme aus einem Strömungskanal.
Gemäss Fig. 1 weist das Flügelrad-Anemometer einen Gehäusekörper 1 auf, der aus mehreren Teilen besteht, nämlich einem Kopfteil 3, einem zylindrischen Mantel 5, einem Endteil 7 und einem zwischen dem zylindrischen Mantel 5 und dem Endteil 7 eingebrachten Zwischenstück 9, das als Träger für den Mantel 5 und den Endteil7 vorgesehen ist. Der Kopfteil 3 und der Mantel 5 sind an ihrer Aussenseite nicht miteinander verbunden, sondern in einem geringen axialen Abstand voneinander angeordnet, so dass zwischen den beiden Teilen ein Umfangsspalt 10 vorliegt. Der Mantel 5 ist auf eine Andrehung des Zwischenstückes 9 satt sitzend aufgeschoben, während der Endteil 7 auf einen rohrförmigen Ansatz 12 des Zwischenstückes 9 aufgepresst oder mittels entsprechender Gewinde aufgeschraubt ist.
Die. offene Stirnseite des Enteils 7 liegt hierbei bündig mit der einen Stirnseite des Mantels 5. Der Kopfteil 3 und der Endteil 7 sind aus vollem Material gefertigt und weisen auf ihren inneren Seiten verschiedene Ausdrehungen auf.
Ihre Aussenseite ist stromlinienförmig ausgebildet, um eine aerodynamisch günstige Form zu erzielen.
Zur Befestigung des Gehäusekörpers 1 und insbesondere zum axialen Ausrichten und Distanzieren des Kopfteils 3 einerseits und des Mantels 5, des Endteils 7 und des Zwischenstückes 9 anderseits sind in den Kopfteil 3 und in das Zwischenstück 9 je zwei horizontale Bolzen 11 und 13 bzw. 23 und 25 eingeschraubt. Die auf der einen Seite des Gehäusekörpers 1 eingeschraubten Bolzen 11 und 23, deren Länge so gewählt ist, dass die Verbindungsgerade ihrer Enden parallel zur Längsachse des Gehäusekörpers 1 verläuft, weisen an ihrem äusseren Ende eine Gewindebohrung zur Befestigung der Bolzen an der Innenwand eines den Strömungskanal bildenden zylindrischen Rohres 17 mittels Schrauben 19 bzw. 29 auf. Die auf der anderen Seite des Gehäusekörpers 1 in gleicher Weise eingeschraubten Bolzen 13 und 25 sind mit einer zentralen Bohrung 15 bzw. 27 versehen.
Die Bohrung 15 des Bol- zens 13 ist hierbei als Druckgasleitung und die Bohrung 27 des Bolzens 25 zur Aufnahme einer elektrischen Verbindungsleitung vorgesehen. Zur Befestigung der Bolzen 13 bzw. 25 an der Wand des Rohres 17 und zugleich an einem Träger, von welchem nur eine Wand 33 dargestellt ist, dienen einerseits ein einsehraubbares Anschlussstück 21 und anderseits eine Mutter 31.
Ein ebenes Flügelrad 35 ist an einer in der Längsachse des Gehäusekörpers 1 angeordneten Welle 37 befestigt. Hierzu ist die Welle 37 mit einem Flansch 39 versehen, mit welchem die einzelnen Flügel des Flügelrades 35 fest verbunden, z. B. vernietet, sind. Zur Lagerung der Welle 37 sind zwei Lagerkörper vorgesehen, von welchen der eine als im Kopfteil 3 axial ver schiebbarer Stempel 40 und der andere als im Zwischenstück 9 eingeschraubter Bolzen 41, der durch eine sich auf die Stirnseite des Ansatzes 12 abstützende Gegenmutter 43 gesichert ist, ausgebildet sind. Der Stempel 40 und der Bolzen 41 sind mit je einer Lagerpfanne 45 für an beiden Enden der Welle 37 axial angebrachte Lagerstifte 47 versehen.
Im Innern des Gehäusekörpers 1 ist cin teilweise drehbar gelagerter Geber angeordnet, der nach Art eines Differentialdrehkondensators, insbesondere eines Schmetterlingsdrehkondensators, ausgebildet ist. Der Drehkondensator weist zwei Statorpakete 49 und 51 sowie ein Rotorpaket 53 auf. Jedes Statorpaket 49, 51 weist eine Anzahl Statorplatten 55 auf, für welche je ein Träger 57 in der Form ! eines Ausschnittes eines zy- lindrischen Rohres vorgesehen ist. Der Träger 57 geht am einen Ende des Statorpaketes 49 bzw. 51 in einen verstärkten Bodenteil 59 über. Mittels Schrauben 61 und Isolierbeilagen 63 sind beide Statorpakete 49, 51 an ihren Bodenteilen 59 am Zwischenstück 9 isoliert befestigt.
Das Rotorpaket 53 weist eine Anzahl doppelflügelförmiger Platten 65 auf, die auf der Welle 37 angebracht sind und die in der eingedrehten Lage zwischen den Statorplatten 55 der beiden Statorpakete 49 und 51 liegen.
In Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II von Fig. 1 dargestellt, wobei dieser Schnitt senkrecht zur Längsachse des Gehäusekörpers 1 zwischen je eine Statorplatte 55 und eine Rotorplatte 65 gelegt ist. Um die Ausbildung der Statorpakete 49, 51 zeigen zu können, sind diese in Fig. 1 um 900 um die Welle 37 gedreht. Ihre tatsächliche Lage ist also die in Fig. 2 dargestellte Lage.
In Fig. 2 sind das Rohr 17, das Flügelrad 35 und der zylindrische Mantel 5 dargestellt, ferner zwei am Träger 57 angebrachte Statorplatten 55 und eine auf der Welle 37 angebrachte doppelte Rotorplatte 65. Daraus ist ersichtlich, dass der Drehkondensator in der bekannten Art eines Schmetterlingskondensators ausgebildet ist und insbesondere den bei diesen üblichen Plat tenschnitt aufweist. Hierbei ist das Rotorpaket 53 im Gegensatz zu der sonst üblichen Drehkondensatorausbildung kontinuierlich über einen unbeschränkten Drehwinkelbereich drehbar.
An den beiden an die isoliert befestigten Bodenteile 59 der Statorpakete 49, 51 angeschlossenen und durch die Bohrung 27 des Bolzens 25 nach aussen geführten Verbindungsleitungen kann deshalb eine Kapazität gemessen werden, die bei voll zwischen die Statorplatten 55 eingedrehten Rotorplatten 65 am grössten und in der dazu um 900 gedrehten Lage der Rotorplatten 65 am kleinsten ist. Der Anschluss einer Verbindungsleitung an das Rotorpaket 53 ist nicht nötig, so dass die bei der Ausbildung eines Kontaktes mit einem rotierenden Teil insbesondere bei hohen Tempe raturen auftretenden Probleme gänzlich vermieden sind.
Mit Vorteil ist das Rotorpaket 53 bzw. die Welle 37 gegenüber dem Gehäusekörper elektrisch isoliert angeordnet, so dass die beiden Verbindungsleitungen bezüglich ihrer Kapazität gegenüber dem Gehäusekörper symmetrisch sind.
Die Erzeugung des Lagerdruckes für die Welle 37 wird gemäss Fig. 1 pneumatisch vorgenommen. Zu diesem Zweck ist das Anschlussstück über eine nicht dargestellte Leitung mit einer Druckgasquelle verbunden.
Das Druckgas, dessen Druck vorzugsweise einstellbar ist, gelangt durch die Bohrung 15 des Bolzens 13 in den im Kopfteil 3 hinter dem Stempel 40 befindlichen Raum und drückt den Stempel mit seiner Lagerpfanne 45 gegen den Lagerstift 47 der Welle 37. Zur Einstellung der axialen Lage der Welle 37 mit dem Zwecke, eine Berührung von Rotorplatten 65 mit Statorplatten 55 zu vermeiden, wird der Schraubbolzen 41 im Zwischenstück 9 gedreht.
Zur Messung der Drehzahl des Flügelrades 35, das durch die Luft- oder Gasströmung in Rotation versetzt wird, sind die Verbindungsleitungen 67 an ein nicht dargestelltes Gerät zur Umwandlung der zwischen den beiden Verbindungsleitungen 67 auftretenden periodischen Kapazitätsänderungen, deren Frequenz in fester Relation zur Drehzahl des Flügelrades 35 steht, in eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom, dessen Grösse proportional der Frequenz der Kapazitätsänderungen ist, angeschlossen. Solche Geräte sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. Beispielsweise kann die periodisch veränderliche Kapazität über eine Sinus schwingung oder direkt in eine Rechteckschwingung entsprechender Frequenz und dann mit Hilfe eines Diskriminators in eine Gleichspannung mit frequenzproportionaler Grösse umgewandelt werden.
Die Drehzahl des Flügelrades und damit nach erfolgter Eichung die Strömungsgeschwindigkeit sind auf diesem Wege anhand einer Gleichspannung oder eines Gleich stromes entsprechenden Span nungs- bzw. Stromwertes messbar.
Das beschriebene Flügelrad-Anemometer ist im Ge gensatz zu b, ekannben Anemometern insbesondere zur Verwendung in sehr heissen strömenden Gasen geeignet, in Gasen also, deren Temperatur über oder wesentlich über 10000 C liegt. Der Grund liegt darin, dass alle vom heissen Gas auf solche Temperaturen erhitzten Teile des Anemometers ohne Beeinträchtigung der Funktionen in einfacher Weise aus Werkstoffen hergestellt werden können, die bei den genannten Temperaturen ihre normalen Eigenschaften, beispielsweise eine ausreichende Festigkeit, Korrosionsfestigkeit usw., aufweisen.
Die folgenden Angaben seien beispi, elsweise gemacht.
Die Teile des Gehäusekörpers 1 (Fig. 1), nämlich der Kopfteil 3, der zylindrische Mantel 5, der Endteil 7, das Zwischenstück 9 und die Befestigungsbolzen 11, 13, 23 und 25, ferner das IFlügelrad 35 und das Rohr 17 können aus einem hochtemperaturfesten Stahl oder einer Stahllegierung hergestellt sein. Für sehr hohe Temperaturen kann zur Herstellung der genannten Teile auch ein Metall wie Molybdän oder Wolfram oder eine diese Metalle enthaltende Legierung verwendet werden. Die Statorpakete 49 und 51 werden mit Vorteil aus einem Stück gefertigt, indem die Statorplatten 55 aus dem vorgeformten, für die vorgesehene Betriebstemperatur geeigneten Material ausgefräst werden.
Durch entspre- chende Bearbeitung wird auch das Rotorpaket 53 zusammen mit der Welle 37 und dem Flansch 39 für das Flügelrad 35 aus einem einzigen Stück hergestellt. Die Lagerstifte 47 können aus Stahl, Platin, Molybdän, Wolfram, einer entsprechenden Legierung oder einem keramischen Material bestehen. Als Lagerpfannen 45 sind beispielsweise Saphirpfannen geeignet, die gleichzeitig die gewünschte elektrische Isolierung des Rotorpaketes 53 bewirken. Als Isolierbeilagen 63 zur Befestigung der Statorpakete 49 und 51 sind keramische Materialien geeignet.
Die Verbindungsleitungen 67 können aus einem drahtförmigen Material hergestellt sein, das ohne Rücksicht auf seinen elektrischen Widerstand nur im Hinblick auf seine Temperaturfestigkeit gewählt werden kann, da der als Drehkondensator ausgebildete Geber zur Steuerung einer Spannung und nicht eines Stromes geeignet ist. Zur Isolierung der Verbindungsleitungen gegenüber Teilen des Gehäusekörpers 1 und dem Bolzen 25 können ebenfalls keramische Materialien verwendet werden, beispielsweise als Abstandselemente. Als Druckgas zur Erzeugung des Lagerdruckes für die Welle 37 ist in einem mittleren Temperaturbereich beispielsweise Stickstoff geRignet, in einem höheren Temperaturbereich ein Edelgas, wie z. B. nachgereinigtes Argon.
In Fig. 3 ist eine Anordnung von zwei Flügelrad Anemometern nach der Erfindung dargestellt. Diese Anordnung dient der isokinetischen Entnahme eines Staubpartikeln enthaltenden heissen Gases mittels einer Sonde, beispielsweise in Öfen oder Mühlen bei der Zementhler- stellung oder Herstellung anderer Baustoffe mittels hoher Temperaturen oder zur Untersuchung von Feuerungen und pneumatischen Förderanlagen für staubförmige Güter. Durch eine solche Sonde soll ein kleiner Teil des Gas-Partikelgemisches in einer Zusammensetzung abgezogen werden, die derjenigen der freien Strömung entspricht, um die chemische Zusammensetzung des Staubes, die pro Volumeneinheit vorhandene Menge, das Gasvolumen, die Gaszusammensetzung und weitere interessierende Eigenschaften untersuchen und messen zu können.
Zu diesem Zweck sind gemäss Fig. 3 in einem Gaskanal 71, der beispielsweise Teil eines Ofens ist, zwei gleiche zylindrische Rohrstücke 73 und 75 freistehend angeordnet, in welchen je ein Flügelrad-Anemometer 77 bzw. 79 befestigt ist, wie es anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben worden ist. Jedes Anemometer 77, 79 ist an einem Kanal 81 befestigt, dessen vom Gas-Partikelgemisch in der Pfeilrichtung 82 angeströmter Kopfteil 83 als Temperatursonde ausgebildet sein kann und hierzu ein Thermoelement enthalten kann. Von jedem der Anemometer 77, 79 führen je zwei an die Statoren der Geberdrehkondensatoren angeschlossene Verbindungsleitungen sowie je eine Druckgasleitung zur Erzeugung des Lagerdruckes in den gemeinsamen Kanal 81.
In diesem sind also vier Messleitungen der Drehkondensatoren und eine gemeinsame Gasdruckleitung für die beiden Anemometer sowie gegebenenfalls eine Messleitung für das erwähnte Thermoelement untergebracht. Das eine Rohr 75 ist als Abzugkanal 84 fortgesetzt und zusammen mit dem Kanal 81 durch die Wand des Gaskanals 71 nach aussen geführt. Auf der Aussenseite des Gaskanals 71 ist im Abzugkanal 84 ein Ventilator 85 angeordnet, dessen Fördermenge einstellbar ist. Das abgezogene Gas-Partikelgemisch wird weiteren, nicht dar gestellten Geräten zur Analyse des G, Gemisches zugeführt.
Die im Kanal 81 untergebrachte Druckgasleitung ist an eine schematisch dargestellte Druckgasquelle 86 angeschlossen, z. B. an einen gereinigtes Argon unter einem einstellbaren Druck abgebenden Gasbehälter. Die beiden Messleitungen jedes Anemometers 77, 79 sind an je ein Umformergerät 87 bzw. 89 angeschlossen, welche die periodischen Kapazitätsänderungen der Anemometer in frequenzproportionale Gleichspannungen oder Gleichströme umwandeln. Ihre Ausgänge sind an ein Messinstrument 91 geführt, das ein Zeigerinstrument oder ein registrierendes Instrument sein kann und demnach die Differenzdrehzahl der beiden Anemometer 77, 79 anzeigt. Zudem kann ein Anzeige- oder Registriergerät 93 zur Messung der Gastemperatur angeordnet und an die Messleitungen des im Kopfteil 83 des Kanals 81 untergebrachten Thermoelementes angeschlossen sein.
Zur isokinetischen Entnahme einer Gasprobe aus dem Gaskanal 71 durch den Abzugkanal 84 wird die Fördermenge des Ventilators 85 so eingestellt, dass die an den Ausgängen beider Umformergeräte 87, 89 mit dem Instrument 91 gemessenen Spannungen oder Ströme gleich gross sind. Dies ist gleichbedeutend, dass die Drehzahlen beider Anemometer 77 und 79 gleich gross sind, dass also auch die Strömungsgeschwindigkeiten in beiden Messrohren 73 und 75 gleich gross sind. Da die Strömungsgeschwindigkeit im Messrohr 73 angenähert der freien Strömungsgeschwindigkeit im Gaskanal 71 entspricht, ist durch die beschriebene Methode gewährleistet, dass die Gasentnahme unter den Bedingungen der freien Gasströmung erfolgt.
Da die beiden Anemometer 77, 79 einen gewissen Strömungswiderstand darstellen und deshalb eine Verdrängung des Gas-Partikelgemisches bewirken, kann es zur Erzielung genauer Messresultate zweckmässig sein, im Messrohr 75 eine um einen geringen Betrag höhere Strömungsgeschwindigkeit zu erzeugen als diejenige, die im Messrohr 73 vorliegt. Dies kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, dass der Ventilator 85 so eingestellt wird, dass der vom Anemometer 79 erzeugte Messwert am Ausgang des Umformergerätes 89 höher ist als derjenige am Ausgang des Umformergerätes 77, welches mit dem Anemometer 77 verbunden ist. Die Grösse der für eine exakte isokinetische Gasentnahme notwendigen Differenz kann durch Eichung bestimmt werden.
Die beschriebenen Anemometer erlauben es, solche Entnahmen und Untersuchungen von Gemischen aus einem Gas und Partikeln isokinetisch und bei beliebig hoher Gastemperatur genau, schnell und ohne grossen Aufwand bezüglich Konstruktion und Herstellung der Anemometer durchzuführen.