Durchflussmesseinrichtung für flüssige und gasförmige Medien
Die Erfindung betrifft eine Durchfiussmesseinrichtung für flüssige und gasförmige Medien mit einem in der Strömung des zu messenden Mediums angeordneten Hubglied, dessen Hubweg ein Mass für den Durchfluss ist.
Es sind viele derartige Durchflussmesseinrichtungen unter der Bezeichnung Schwebekörpermesseinrichtungen bekannt. Hierbei wird ein beweglicher Körper, der unter Einfluss der Schwerkraft oder eines elastischen Organs verschiebbar geführt ist, in einen veränderlichen Querschnitt gestellt. Die Stellkraft ergibt sich aus der axialen Strömung am Umfang des Schwebekörpers. Die Verschiebung des Schwebekörpers kann als direktes Mass für den Durchfluss abgelesen werden. Schwierigkeiten bietet die fehlerfreie Umwandlung der Schwebe körperstellnng in ein technisch brauchbares Ausgangssignal. Ausserdem haben derartige Messeinrichtungen ein grosses Einstellvolumen und hierdurch bedingt eine lange Einstellzeit, besonders im unteren Durchflussbereich.
Weiter macht sich die starke Viskositätsempfindlichkeit, bedingt durch den bei diesen Einrichtungen vorhandenen ringspaltförmigen Drosselquerschnitt, störend bemerkbar. Dynamische Messungen von pulsierenden Strömungen sind nicht möglich. Das Verhältnis des minimalen Durchflusses zum maximalen Durchfluss (Messbereich) ist bei dieser Bauart auf 1:10 begrenzt.
Weiterhin sind sogenannte Durchflusswächter bekannt, die bei Unterschreiten eines einstellbaren Minimalwertes beziehungsweise bei Ueberschreiten eines einstellbaren Maximalwertes ein Signal abgeben. Solche Durchflusswächter erbringen kein kontinuierliches Signal über die jeweils gegenwärtige augenblickliche Durchflussgrösse. Der Ansprechbereich beträgt maximal 1:5.
Bei allen bekannten Durchflussmesseinrichtungen mit einem in der Strömung des zu messenden Mediums angeordneten Hubglied ist es mit Schwierigkeiten ver bunde, Durchflüsse unterhalb 1 Kubikcentimeter pro Minute kontinuierlich zu erfassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und eine Durchflussmesseinrichtung mit grossem Messbereich zu schaffen, die auch bei kleinsten Durchflüssen ein kräftiges Ausgangssignal erbringt, unempfindlich gegen Störeinflüsse und im Aufbau einfach und billig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der zu messende Durchfluss durch eine in einem Gehäuse vorgesehene Bohrung geleitet wird, welche eine erste Steuerkante aufweist, dass das in Achsrichtung der Bohrung verschiebbar geführte Hubglied eine zweite Steuerkante aufweist, wobei durch die beiden Steuerkanten ein Drosselquerschnitt variabler Grösse mit im wesentlichen quer zur Achsrichtung der Bohrung verlaufender Durchflussrichtung begrenzt wird, dass das Hubglied mit einer der Durchflussrichtung in der Bohrung entgegengerichteten Federkraft beaufschlagt und mit einem Weggeber gekoppelt ist, und dass wenigstens der bewegliche Teil des Weggebers innerhalb des Druckraumes des zu messenden Mediums liegt.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Durchflussmesseinrichtung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Durchflussmesseinrichtung;
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine Seitenansicht der Zunge in der Anordnung gemäss Fig. 3;
Fig. 5 eine elektrische Messanordnung bei Verwendung eines induktiven Wegaufnehmers;
Fig. 6a bis 6d verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der Ausnehmung (Pos. 21) in Fig. 2; Fig.7 die Abhängigkeit des Hubweges S vom Durchfluss Q für die verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten gemäss Fig. 6a bis 6d.
Bei der Anordnung gemäss Fig. 1 ist in einem Gehäuse 1 eine Eintrittsöffnung 2 und eine Austrittsöffnung 3 für das zu messende Medium vorgesehen. In der Eintrittsöffnung 2 ist eine Büchse 4 mit einer Bohrung 5 und einer durch das obere Bohrungsende gebildeten Steuerkante 6 dicht eingeschraubt. Gegen die Steuerkante 6 liegt ein Ventilteller 7 an, der mit einer Achse 8 und einem Spulenkern 9 fest verbunden ist. Die Achse
8 ist in einer Bohrung 10 in Achsrichtung der Bohrung 5 verschiebbar gelagert. Der Spulenkern 9 ragt in den Innenraum 11 eines Spulenkörpers 12 mit einer Doppelspule 13 hinein. Der Innenraum 14 des Gehäuses 1 ist über Bohrungen 15 mit dem Innenraum 11 verbunden.
Der Spulenkörper 12 ist durch eine Verschraubung 16 im Gehäuse 1 gehalten. Die Verschraubung 16 dichtet gleichzeitig das Gehäuse 1 nach aussen hin ab. Der Ventilteller 7 wird durch eine Druckfeder 17 gegen die Steuerkante 6 angedrückt. Von der Doppelspule 13 führt eine elektrische Anschlussleitung 18 druckdicht nach aussen.
Das zu messende Medium durchströmt von der Eintrittsöffnung 2 kommend die Bohrung 5 und hebt dabei den Federteller 7 entgegen der Kraft der Druckfeder 17 an, strömt in den Innenraum 14 und verlässt diesen durch die Austrittsöffnung 3. Der Hub des Ventiltellers 7 wird durch die Achse 8 auf den Spulenkern 9 übertragen. Hierbei ändert sich die Induktivität in der Doppelspule 13. Das dadurch erzeugte elektrische Signal wird über die elektrische Anschlussleitung 18 nach aussen übertragen und einer im einzelnen in Fig. 5 dargestellten Messanordnung zugeführt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist eine Büchse 4a mit einer zylindrischen Bohrung 5a versehen.
In dieser Bohrung 5a ist ein Kolben 19 mit einer Steuerkante 20 dicht und in Achsrichtung verschiebbar eingepasst. Die Büchse 4a weist eine Ausnehmung 21 auf.
Das zu messende Medium durchströmt von der Eintrittsöffnung 2 kommend die Bohrung 5a und hebt dabei den Kolben 19 entgegen der Kraft der Druckfeder 17 an, strömt in den Innenraum 14 und verlässt diesen durch die Austrittsöffnung 3. Der Hub des Kolbens 19 wird in der gleichen Art wie bei der Anordnung gemäss Fig. 1 in ein elektrisches Signal gewandelt und nach aussen übertragen.
Bei der Anordnung gemäss Fig. 3 ist in einem Gehäuse 30 eine Eintrittsöffnung 31, eine Austrittsöffnung 32 und ein Innenraum 33 vorgesehen. In der Eintritts öffnung 31 ist eine Büchse 34 mit einer Bohrung 35 und einer durch das Bohrungsende gebildeten Steuerkante 36 dicht eingeschraubt. Gegen die Steuerkante 36 liegt eine in einer Halterung 37 einseitig eingespannte Blattfeder 38 mit ihrem freien Ende dicht an. Die Blattfeder 38 ist beidseitig mit Dehnungsmesstreifen 39 versehen, welche zu einer Halbbrücke geschaltet sind. Von den Dehnungsmesstreifen 39 führt eine elektrische Anschlussleitung 40 druckdicht ausserhalb des Gehäuses 30. Der Innenraum 33 ist durch eine Verschraubung 41 nach aussen abgedichtet.
Das zu messende Medium durchströmt von der Eintrittsöffnung 31 kommend die Bohrung 35 und hebt dabei das freie Ende der Blattfeder 38 an, strömt in den Innenraum 33 und verlässt diesen durch die Austritts öffnung 32. Die in der Blattfeder 38 erzeugte Biegespannung wird durch die Dehnungsmesstreifen 39 erfasst und über die elektrische Anschlussleitung 40 einer nicht im einzelnen dargestellten Messanordnung für Dehnungsmesstreifen zugeführt.
Bei der Anordnung gemäss Fig. 5 sind in einem Messverstärker 50 ein Netzteil 51, ein Oszillator 52, ein phasenabhängiger Gleichrichter 53 und ein Impedanzwandler 54 angeordnet Der Messverstärker 50 ist durch eine dreiadrige Leitung 55 mit der Doppelspule 56 eines Durchflussmessgerätes 57 verbunden, welches einen Spulenkern 58 und ein Hubglied 59 besitzt. Der Messverstärker ist ausserdem mit einer Spannungsquelle 59a und einem elektrischen Anzeigeinstrument 60 verbunden.
Die Wirkungsweise der Messanordnung ist wie folgt.
Der Spulenkern 58 verändert bei einer Verschiebung durch das Hubglied 59 infolge magnetischen Neben.
schlusses die Induktivitäten der beiden Hälften der Doppelspule, welche Zweige einer vom Oszillator 52 gespeisten Brückenschaltung sind. Die in der Brückendiagonalen erzeugte, dem Verschiebeweg proportionale Wechselspannung wird verstärkt und phasengesteuert gleichgerichtet und wirkt auf den Impedanzwandler 54, der die gleichgerichtete Spannung an das Anzeigeinstrument 60 anpasst.
In den Fig. 6a bis 6d sind verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der Ausnehmung 21 gemäss Fig. 2 dargestellt. Die schraffierten Bereiche entsprechen dem Oeffnungsverlauf des Drosselquerschnittes in Abhängigkeit vom Hubweg S des Hubgliedes. Bei Null ist der Drosselquerschnitt geschlossen, während bei 1000/o der Drosselquerschnitt voll geöffnet ist.
In Fig. 7 sind die verschiedenen Messcharakteristiken entsprechend Fig. 6a bis 6d in Kurvenform dargestellt, und zwar ist der Oeffnungsweg in Abhängigkeit vom Durchfluss Q aufgezeichnet. Die Kurve a entspricht der Ausnehmung gemäss Fig. 6a, die Kurve b entspricht der Ausnehmung gemäss Fig. 6b, usw. Zusätzlich ist eine Kurve eingezeichnet, die die Messcharakteristik einer Ausnehmung entsprechend Fig. 6d bei Verwendung einer Ventilfeder (Pos. 17 in Fig. 2) mit steiler Hubcharakteristik zeigt. Diese Anordnung, bei der die Progressivität im unteren Bereich verstärkt ist, eignet sich besonders für die Messung von kleinsten Durchflüssen.
Flow measuring device for liquid and gaseous media
The invention relates to a flow measuring device for liquid and gaseous media with a lifting element arranged in the flow of the medium to be measured, the lifting path of which is a measure of the flow.
Many such flow measuring devices are known under the designation float measuring devices. Here, a movable body, which is guided displaceably under the influence of gravity or an elastic organ, is placed in a variable cross section. The actuating force results from the axial flow on the circumference of the float. The displacement of the float can be read off as a direct measure of the flow. The problem-free conversion of the float position into a technically useful output signal presents difficulties. In addition, such measuring devices have a large setting volume and, as a result, a long setting time, particularly in the lower flow range.
Furthermore, the strong viscosity sensitivity, due to the annular gap-shaped throttle cross-section present in these devices, is noticeable in a disturbing manner. Dynamic measurements of pulsating flows are not possible. The ratio of the minimum flow to the maximum flow (measuring range) is limited to 1:10 for this design.
Furthermore, so-called flow monitors are known which emit a signal when the value falls below an adjustable minimum value or when an adjustable maximum value is exceeded. Such flow monitors do not provide a continuous signal about the current, instantaneous flow rate. The maximum response range is 1: 5.
In all known flow measuring devices with a lifting element arranged in the flow of the medium to be measured, it is a related party with difficulties to continuously detect flows below 1 cubic centimeter per minute.
The invention is based on the object of eliminating these disadvantages and creating a flow measuring device with a large measuring range, which produces a powerful output signal even with the smallest flow rates, is insensitive to interference and is simple and cheap in construction.
This object is achieved according to the invention in that the flow to be measured is passed through a bore provided in a housing, which has a first control edge, that the lifting member, which is guided displaceably in the axial direction of the bore, has a second control edge, with a throttle cross-section being more variable due to the two control edges The size with the flow direction running essentially transversely to the axial direction of the bore is limited, that the lifting member is acted upon by a spring force opposing the flow direction in the bore and is coupled to a displacement sensor, and that at least the movable part of the displacement sensor lies within the pressure chamber of the medium to be measured .
In the drawings, exemplary embodiments of the invention are shown.
1 shows a cross section through an exemplary embodiment of the flow measuring device;
2 shows a cross section through a further exemplary embodiment of the flow measuring device;
3 shows a cross section through a further exemplary embodiment;
FIG. 4 shows a side view of the tongue in the arrangement according to FIG. 3;
5 shows an electrical measuring arrangement when using an inductive displacement transducer;
6a to 6d show various possible embodiments of the recess (item 21) in FIG. 2; 7 shows the dependence of the stroke S on the flow rate Q for the various possible embodiments according to FIGS. 6a to 6d.
In the arrangement according to FIG. 1, an inlet opening 2 and an outlet opening 3 for the medium to be measured are provided in a housing 1. In the inlet opening 2, a sleeve 4 with a bore 5 and a control edge 6 formed by the upper end of the bore is screwed tightly. A valve disk 7, which is firmly connected to an axis 8 and a coil core 9, rests against the control edge 6. The axis
8 is mounted displaceably in a bore 10 in the axial direction of the bore 5. The coil core 9 protrudes into the interior space 11 of a coil body 12 with a double coil 13. The interior 14 of the housing 1 is connected to the interior 11 via bores 15.
The coil body 12 is held in the housing 1 by a screw connection 16. The screw connection 16 simultaneously seals the housing 1 from the outside. The valve disk 7 is pressed against the control edge 6 by a compression spring 17. An electrical connection line 18 leads from the double coil 13 to the outside in a pressure-tight manner.
The medium to be measured flows through the bore 5 coming from the inlet opening 2 and lifts the spring plate 7 against the force of the compression spring 17, flows into the interior space 14 and leaves it through the outlet opening 3. The stroke of the valve plate 7 is determined by the axis 8 transferred to the coil core 9. The inductance in the double coil 13 changes here. The electrical signal thus generated is transmitted to the outside via the electrical connection line 18 and fed to a measuring arrangement shown in detail in FIG.
In the arrangement shown in Fig. 2, a sleeve 4a is provided with a cylindrical bore 5a.
In this bore 5a, a piston 19 with a control edge 20 is fitted tightly and displaceably in the axial direction. The sleeve 4a has a recess 21.
The medium to be measured flows through the bore 5a coming from the inlet opening 2 and lifts the piston 19 against the force of the compression spring 17, flows into the interior space 14 and leaves it through the outlet opening 3. The stroke of the piston 19 is performed in the same way converted into an electrical signal as in the arrangement according to FIG. 1 and transmitted to the outside.
In the arrangement according to FIG. 3, an inlet opening 31, an outlet opening 32 and an interior 33 are provided in a housing 30. In the inlet opening 31 a sleeve 34 with a bore 35 and a control edge 36 formed by the bore end is screwed tight. A leaf spring 38 clamped on one side in a holder 37 rests tightly against the control edge 36 with its free end. The leaf spring 38 is provided on both sides with strain gauges 39 which are connected to form a half bridge. An electrical connection line 40 leads from the strain gauges 39 outside the housing 30 in a pressure-tight manner. The interior 33 is sealed off from the outside by a screw connection 41.
The medium to be measured flows through the bore 35 coming from the inlet opening 31 and in doing so lifts the free end of the leaf spring 38, flows into the interior 33 and leaves it through the outlet opening 32. The bending stress generated in the leaf spring 38 is determined by the strain gauges 39 detected and fed via the electrical connection line 40 to a measuring arrangement not shown in detail for strain gauges.
In the arrangement according to FIG. 5, a power supply unit 51, an oscillator 52, a phase-dependent rectifier 53 and an impedance converter 54 are arranged in a measuring amplifier 50. The measuring amplifier 50 is connected by a three-wire line 55 to the double coil 56 of a flow meter 57, which has a coil core 58 and a lifting member 59 has. The measuring amplifier is also connected to a voltage source 59a and an electrical display instrument 60.
The mode of operation of the measuring arrangement is as follows.
The coil core 58 changes when displaced by the lifting member 59 due to magnetic sub.
Finally, the inductances of the two halves of the double coil, which are branches of a bridge circuit fed by the oscillator 52. The alternating voltage generated in the bridge diagonal and proportional to the displacement path is amplified and rectified in a phase-controlled manner and acts on the impedance converter 54, which adapts the rectified voltage to the display instrument 60.
In FIGS. 6a to 6d, various possible embodiments of the recess 21 according to FIG. 2 are shown. The hatched areas correspond to the course of the opening of the throttle cross-section as a function of the stroke S of the lifting element. At zero, the throttle cross-section is closed, while at 1000 / o the throttle cross-section is fully open.
In FIG. 7, the various measurement characteristics corresponding to FIGS. 6a to 6d are shown in curve form, namely the opening path as a function of the flow rate Q is recorded. Curve a corresponds to the recess according to FIG. 6a, curve b corresponds to the recess according to FIG. 6b, etc. In addition, a curve is drawn which shows the measurement characteristics of a recess according to FIG. 6d when using a valve spring (item 17 in FIG. 2) shows a steep stroke characteristic. This arrangement, in which the progressivity is increased in the lower area, is particularly suitable for measuring the smallest flow rates.