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Die vorliegende Erfindung betrifft zum einen ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschalldurchflusszählers zur Ultraschallmessung von Durchflussmengen von strömenden Fluiden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Ultraschalldurchflusszähler gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 5, 9 sowie 16.
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Technologischer Hintergrund
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Der Wasserverbrauch bei kleinen Durchflüssen stellt zunehmend einen nennenswerten Anteil am Gesamtverbrauch dar. Besonders kleine Durchflüsse werden beispielsweise begründet durch Leckagen oder Schleichmengen unter Umständen bedingt durch ein nicht vollständiges Schließen eines Wasserhahns. Es besteht ein zunehmendes wirtschaftliches Interesse zur Erfassung und Berechnung entsprechender Verbrauchsmengen. Demgegenüber soll der durch einen Wasserzähler bedingte Druckverlust möglichst gering sein, damit die Wasserversorgung auch bei Verbrauchsspitzen sichergestellt ist.
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Um der oben genannten Problematik gerecht zu werden, wurden bislang Wasserzähler auf die Erlangung einer möglichst hohen Messdynamik ausgelegt. Die Messdynamik eines herkömmlichen Ultraschallwasserzählers liegt bei ca. 1:250. eine verbesserte Messdynamik wird bei sogenannten Verbund-Wasserzählern erreicht. Es handelt sich hierbei um zwei unabhängige, mechanische, d. h. mit einem Flügelrad ausgestattete Messgeräte, die parallel geschaltet werden. Nachteilig ist hierbei, dass zwei komplett, unabhängige Messgeräte erforderlich sind, um den gesamten Durchflussbereich abzudecken. Zusätzlich erfordert jedes Gerät eine eigene Auswertung sowie ggf. eine eigene datentechnische Verbindung für eine Fernauslesung. Durch diese Art der Technik wird eine Messdynamik von ca. 2500, kurzzeitig sogar 5000 erreicht.
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Es gibt auch neuerdings Überlegungen, zwei Messstrecken unterschiedlicher Größe in dem Gehäuse eines einzigen Durchflusszählers unterzubringen. Hierbei handelt es sich allerdings lediglich um theoretische Modelle.
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Nächstliegender Stand der Technik
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Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Oberbegriff der Ansprüche 5, 9 sowie 16 ist aus der
DE 10 2007 045 101 A1 bekannt. Der dort beschriebene Ultraschalldurchflusszähler umfasst zwei Messstrecken unterschiedlicher Größe innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses mit einem gemeinsamen Auswerteglied. Die Steuerung des Fluidzulaufs erfolgt über ein am Einlauf befindliches Umschaltventil, dessen Betrieb selbsttätig hydraulisch, d. h. über Druck und/oder Kraftdifferenzen ohne explizite äußere Ansteuerung erfolgt.
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Aus der
DE 196 16 330 C1 ist ein Verbundwasserzähler bekannt, der aus einem an eine Hauptleitung anschließbaren Hauptzähler zur Erfassung größerer Durchflussmengen besteht und einem in einer zweiteiligen Umgehungsleitung angeordneten Nebenzähler zur Erfassung kleiner Durchflussmengen, und der einen Schaltventileinsatz aufweist, der bei niedrigem Druck den Durchgang durch die Hauptleitung verschließt und beim Erreichen eines vorbestimmten höheren Druckes letztere freigibt. Im Fall der abgesperrten Hauptleitung wird Strömung ausschließlich über einen Nebenzähler erfasst, der zwischen einem gehäuseseitigen Anschlussstutzen und einem deckelseitigen Anschlussstutzen eingeschaltet ist und über ein eigenes Gehäuse verfügt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Ultraschalldurchflusszählers sowie einem gattungsgemäßen Ultraschalldurchflusszähler bei vereinfachtem konstruktiven Aufbau eine wirksame Messbereichserweiterung zur Verfügung zu stellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die vorliegende Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 sowie bei dem Ultraschallzähler gemäß Anspruch 5 bzw. Anspruch 9 bzw. Anspruch 16 durch deren kennzeichnenden Merkmale gelöst.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfinderischen Idee sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht und in der Beschreibung erläutert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 ermöglicht es, das Absperrventil solange geschlossen zu halten, wobei ein definierter Durchfluss in der Nebenmessstrecke bzw. zweiten Messstrecke erfolgt, woraufhin dann bei steigendem Durchfluss das Absperrventil selbsttätig öffnet, so dass sich dann ein Durchfluss einstellt, der bereits im Messbereich der Hauptmessstrecke d. h. der ersten Messstrecke liegt.
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Vorzugsweise fällt beim Öffnen des Absperrventils mit zunehmender Öffnungsbewegung desselben entlang dessen Öffnungswegs der Verlauf der resultierenden Kraft über dem Öffnungsweg in einem ersten Bereich unter die Kraft-Wegkennlinie der die Vorspannung bewirkenden Kraftquelle, z. B. Feder, ab und steigt anschließend über einem zweiten Bereich wieder an.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Übergang von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich unstetig, d. h. vorzugsweise in Form eines Knicks bzw. Kickpunkts entlang des Verlaufs der resultierenden Kraft über den Öffnungsweg erfolgt.
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Zweckmäßigerweise ist die Fläche des Absperrventils, auf der der Strömungsdruck lastet, im geschlossenen Zustand des Absperrventils kleiner, vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 2 kleiner, als im geöffneten Zustand desselben. Hierdurch wird das vorgenannte Ziel eines definierten Anfangsdurchflusses in der Hauptmessstrecke unmittelbar nach dem Schaltvorgang noch unterstützt.
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Dadurch, dass die Schalteinrichtung ein Absperrventil ist und ein Bypasskanal um das Absperrventil herumführt, können die Haupt- und Nebenmessstrecke besonders einfach in ein gemeinsames Gehäuse integriert werden. Das Absperrventil kann vorteilhaft beispielsweise stirnseitig in ein z. B. rohrförmiges Gehäuse eingeschoben und dort fixiert werden.
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Erfindungsgemäß weist das Absperrventil ein auf magnetischen Kräften beruhendes Schaltverhalten auf. Hierdurch kann ein verbessertes Umschalten des Messbetriebs von einer Messtrecke (Nebenmessstrecke) auf beide Messstrecken (Haupt- und Nebenmessstrecke) erreicht werden. Hierdurch wiederum wird sichergestellt, dass nach dem Öffnen des Absperrventils der Durchfluss bereits einen Umfang hat, der innerhalb des Messbereichs des Hauptzählers liegt. Die Messbereiche der beiden Messstrecken grenzen daher aneinander an. Hierdurch kann die Messgenauigkeit eines Ultraschalldruckflusszählers gerade im niedrigen Durchflussbereich erheblich verbessert werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Absperrventil eine Magnetanordnung umfasst, die das Absperrventil für ein Halten in der Schließstellung mit einer magnetischen Kraft unterstützt, nach dem Öffnen des Absperrventils und nach Erreichen eines Kipppunktes jedoch die Öffnungsbewegung des Absperrventils mit einer magnetischen Kraft unterstützt.
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Die zweite Messtrecke weist zweckmäßigerweise ein Rohr auf, innerhalb dessen sich die Umlenkspiegel befinden und welches aus schalldurchlässigem Material besteht. Hierdurch können Ausnehmungen oder Durchbrüche für die Ultraschallwandler entfallen, so dass sich eine verbessertes Strömungsprofil innerhalb der Nebenmessstrecke einstellt. Dies erhöht die Messgenauigkeit im Bereich geringfügiger Strömungsmengen.
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Das, auch nebengeordnet beanspruchte, hydraulische Dämpfungsverhalten des Absperrventils ermöglicht es, Schwingungen des Ventilsystems zu vermeiden, wobei gleichzeitig auf konventionelle, verschleißbehaftete Reiblager verzichtet werden kann.
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Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird anhand von Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels eines Ultraschalldurchflusszählers gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine stirnseitige Ansicht des Ultraschalldurchflusszählers gemäß 1 vom Fluideinlauf gesehen;
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3 eine Schnittdarstellung des Ultraschalldurchflusszählers entsprechend der Schnittebene A-A in 2;
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4 eine perspektivische Teilschnittdarstellung einer Ausgestaltung eines Beispiels eines Absperrventils für den Einsatz in dem Ultraschalldurchflusszähler gemäß den 1–3;
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5 eine Teilschnittdarstellung des Absperrventils gemäß 4 im Schließzustand (5A) sowie im geöffneten Zustand (5B) sowie
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6 Beispiele von Kraft-Weg-Verläufe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die Bezugsziffer 1 in 1 bezeichnet eine zweckmäßige Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflusszählers in seiner Gesamtheit. Der Ultraschalldurchflusszähler 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches zweckmäßigerweise langgestreckt, vorzugsweise rohrförmig, ausgebildet ist. An jedem Ende des Gehäuses 2 befindet sich ein flanschartiger Ring, der jeweils dazu dient, den Ultraschalldurchflusszähler 1 mit einem (nicht dargestellten) Fluidnetzwerk, z. B. einer Wasserleitung, zu verbinden. Die Bezugsziffer 3 kennzeichnet den Fluideinlauf, die Bezugsziffer 4 den Fluidauslauf des erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflusszählers 1.
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Die 2 zeigt eine Ansicht aus der Blickrichtung des Einlaufs 3 des Gehäuses 2 des Ultraschalldurchflusszählers 1 nach 1. Zu sehen sind ein erster Messkanal 5, welcher als Hauptdurchflusskanal zur Erfassung eines Hauptdurchflusses dient sowie ein weiterer, zweiter Messkanal 6, welcher als Nebendurchflusskanal zur Erfassung von geringfügigen Durchflüssen, wie z. B. Leckagedurchflüssen und dergleichen, dient. Der Hauptdurchflusskanal ist vorzugsweise mittig zum Gehäuse 2 orientiert, der Nebendurchflusskanal seitlich versetzt dazu.
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Wie aus der 3 ersichtlich, bildet jeder Messkanal 5, 6 einen eigenen Ultraschalldurchflusszähler. Die erste Messstrecke wird festgelegt durch zwei Ultraschallwandler 9a, 9b, die jeweils in Ausnehmungen oder Durchbrüchen des Gehäuses 2 positioniert sind und deren Ultraschallsignale von im Messkanal 5 befindlichen Umlenkspiegeln 11a, 11b zu einem U-förmigen Verlauf umgelenkt werden. Die beiden Umlenkspiegel 11a, 11b sind über eine gemeinsame Halterung 20, vorzugsweise mittig entlang der Mittellinie M, ins Gehäuse 2 eingesetzt. Um die Messstrecke herum bildet die Halterung 20 einen ringförmigen Einsatz 14 aus, der den Durchflussquerschnitt in einem Bereich des Messkanals 5 verringert.
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An der Unterseite des Gehäuses 2 befindet sich ferner ein, vorzugsweise langgestrecktes, Rohr 13, welches dazu dient, dem zweiten Messkanal 6 eine exakt definierte Fluidströmung zuzuführen. Durch die Länge des Rohrs 13 stellt sich auch bei geringen Durchflussmengen ein ungestörtes Strömungsprofil im Bereich des zweiten Messkanals 6 ein.
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Ultraschallwandler 10a, 10b für den zweiten Messkanal 6 sind vorzugsweise ebenfalls in entsprechenden Ausnehmungen bzw. Durchbrüchen im Gehäuse 2 positioniert. Die Umlenkspiegel 12a, 12b sind über eine geeignete Halterung im Inneren des Rohrs 13 befestigt.
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Zweckmäßigerweise besteht das Rohr 13 aus schalldurchlässigem Material, vorzugsweise aus Kunststoff, sodass der Schall von den einzelnen Ultraschallwandlern 10a, 10b bzw. zu den einzelnen Ultraschallwandlern 10a, 10b durch das Rohr 13 hindurch treten kann. Bohrungen, die die Strömung nachteilig beeinträchtigen, somit nicht notwendig.
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Das Rohr 13 ist mit einem Gehäuseeinsatz 31 verbunden, der wiederum mit einem U-förmigen Bypasskanal 8 in Verbindung steht. Letzterer mündet im Bereich des Einlaufs 3 wieder in das Gehäuse 2. Der Bypasskanal 8 dient dazu, ein im Bereich des Einlasses 3 befindliches Absperrventil 7 zu umgehen. Bei dem Absperrventil 7 handelt es sich um ein selbsttätiges, allein in Abhängigkeit vom Fluiddruck im Einlassbereich wirkendes Ventil. Das in 3 dargestellte Absperrventil 7 befindet sich in einem geöffneten Zustand, sodass die Strömung des Fluids vom Einlass 3 durch die erste Messstrecke 5 hindurch das Absperrventil 7 zum Auslass 4 hin passieren kann. Zusätzlich strömt in diesem Zustand auch Fluid entlang des zweiten Messkanals 6 über den Bypasskanal 8 zum Auslass 4. An der Oberseite der jeweiligen Ultraschallwandler 9a, 9b bzw. 10a, 10b kann eine Platine vorgesehen sein, die mit einer gemeinsamen, in den Zeichnungen nicht dargestellten, Auswerteeinheit in Verbindung stehen kann.
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4 zeigt eine zweckmäßige Ausgestaltung des Absperrventils zum Einsatz in einem Ultraschalldurchflusszähler der beschriebenen Art. Das Absperrventil 7 umfasst einen feststehenden Ventilkörper 21, der mit einer Nabe 26 verbunden ist. An der Oberseite des Ventilkörpers 21 sitzt ein vorzugsweise mittels Schrauben fixierter Klemmring 22. Der Klemmring 22 dient dazu, eine aus weichem Gummi- bzw. Kunststoffmaterial bestehende Dichtung 25 in Form eines Dichtrings zu fixieren. Im der Nabe 26 zugewandten Bereich des Ventilkörpers 21 befindet sich ein Durchbruch, der im geschlossenen Zustand des Absperrventils 7 von einem Ventilteller 16 verschlossen wird.
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Außenseitig am Ventilteller 16 ist ein Ventilring 23 positioniert, der bei geöffnetem Absperrventil 7 den Strömungswiderstand zusätzlich vergrößert, damit sich ein definierter Anfangsdurchfluss einstellt. Der Ventilteller 16 steht mit einem Ventilzylinder 27 in Verbindung, der wiederum in die ebenfalls starr an der Nabe 26 befestigte Dämpferkappe 17 gleitend eintaucht. Im Inneren des von der Dämpferkappe 7 sowie dem Ventilzylinder 27 gebildeten, gemeinsamen Hohlraums befindet sich eine Feder 18, die vorzugsweise als Spiralfeder ausgebildet sein kann und den Ventilteller 16 in Schließstellung unter Vorspannung auf dem Ventilkörper 21 bzw. der Dichtung 25 hält.
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Zwischen dem Ventilzylinder 27 und der Dämpferkappe 17 befindet sich ein Ringspalt 30. Der Ringspalt 30 dient dazu, dass sich das beim Öffnen des Absperrventils 7 innerhalb des gemeinsamen Hohlraums von der Dämpferkappe 17 sowie dem Ventilzylinder 27 befindliche Fluid durch diesen Ringspalt 30 hindurch nach außen treten kann.
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Zweckmäßig kann eine Verdrehsicherung 28 in Form einer länglichen Erhöhung am Ventilzylinder 27 vorgesehen sein, die in eine (in 4 nicht dargestellte) entsprechende Ausnehmung im Inneren der Dämpferkappe 17 eingreift.
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Zudem können zwei sich anziehende Magnete 24a sowie 24b in entsprechenden Ausnehmungen am Ventilteller 16 sowie am Ventilgrundkörper 21 gegenüberliegend angeordnet sein. Die beiden Magnete 24a und 24b sorgen dafür, dass zwischen dem Ventilgrundkörper 21 und dem beweglichen Ventilteller 16 eine zusätzliche, magnetbedingte Haltekraft wirkt.
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Bei der in 4 dargestellten Ausgestaltung sind die Magnete 24a, 24b an einer bestimmten Stelle entlang des Umfangs des Ventiltellers 16 bzw. Ventilgrundkörpers 21 positioniert. Denkbar ist allerdings auch, dass ringförmig oder ringabschnittförmig geformte Magnete zum Einsatz kommen.
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Darüber hinaus sind im Bereich der Dämpferkappe 17 sowie des Ventilzylinders 27 zwei sich gegenseitig abstoßende Magnete 19a sowie 19b in der Schließstellung leicht versetzt zueinander angeordnet. Die versetzte Anordnung dieser Magnete 19a sowie 19b bewirkt, dass bei Beginn einer Öffnungsbewegung des Ventiltellers 16, also einer Bewegung des Ventiltellers 16 in 4 nach oben, zunächst die in 4 nach unten gerichtete Abstoßungskraft der beiden Magnete 19a und 19b überwunden werden muss, bevor bei weiterer nach oben erfolgender Bewegung des Ventiltellers 16 über einen Kipppunkt eine umgekehrte Abstoßungskraft d. h. eine in 4 nach oben gerichtete, die Öffnung des Absperrventils 7 unterstützende Kraftwirkung durch die beiden Magnete 19a und 19b eintritt. Auch die beiden Magnete 19a, 19b sind bei der in 4 dargestellten Ausführungsform an einem Punkt entlang des Umfangs der Dämpferkappe 17 bzw. des Ventilzylinders 27 positioniert. Die Magnete 19a bzw. 19b können zweckmäßigerweise aber auch als Ringmagnete oder Ringabschnittmagnete ausgebildet sein. Besonders im Falle eines Ringmagnets entfällt die Verdrehsicherung 27.
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Gemäß der Erfindung ist die Fläche, auf welcher der Strömungsdruck im geschlossenen Zustand des Absperrventils 7 lastet deutlich, vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 2 kleiner als im geöffneten Zustand. Hierdurch wird erreicht, dass zusammen mit der Wirkung der Magnete 19a, 19b sowie der Kraft der Feder 18 das Absperrventil 7 solange geschlossen bleibt, bis bei steigendem Durchfluss ein definierter Durchfluss bzw. Druckabfall entlang der zweiten Messstrecke 5 erreicht wird, wobei dann schlagartig der Ventilteller 16 soweit öffnet, dass ein Durchfluss erreicht wird, der im Messbereich der ersten Messstrecke 5 liegt.
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Die 5A zeigt das Absperrventil 7 im geschlossenen Zustand. Mit zunehmendem Strömungsdruck gleitet die Einheit bestehend aus Ventilteller 16 sowie Ventilzylinder 27 nach oben und verkleinert hierdurch den gemeinsamen Hohlraum im Bereich der Zylinderkammer 29. Dass in der Zylinderkammer 29 befindliche Fluid wird durch den Ringspalt 30 zur Außenseite der Dämpferkappe 17 gedrängt. Dies bewirkt eine Hydraulikdämpfung, die es ermöglicht, dass die Dämpfung des Absperrventils 7 nicht über ein Reiblager, welches schmutz-, temperatur- und verschleißbehaftet ist, erfolgen muss. Das Dämpfungsniveau kann zweckmäßigerweise über die Fläche des Ringspaltes und/oder dessen Toleranzen zuverlässig einjustiert werden. Weitere Öffnungen sind nicht unbedingt notwendig. Der Weg des austretenden Fluids durch den durch den geöffneten Ventilteller 16 gebildeten Ringspalt hindurch ist in der strichlierten Linienführung dargestellt.
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Für den Fall, dass der Strömungsdruck wieder nachlässt, z. B. weil ein Wasserhahn geschlossen worden ist, schließt das Absperrventil 7 aufgrund der Kraft der Feder 18 wieder.
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In der 6A ist das erfindungsgemäße Öffnungsverhalten des Absperrventils 7 in einem Kraft(F)-Weg(S)-Diagramm wiedergegeben. In der 6A ist die Kraftresultierende F (resultierend) gezeigt, bei der abstoßende Magnetpaare 19a, 19b sowie anstoßende Magnetpaare 24a, 24b verwendet werden. Die Kraftresultierende zeigt eine hohe Schließkraft F (Schließ) sowie eine sehr definierte Halteposition K. Bis zu dem Punkt tritt keine nennenswerte Fluidströmung in der Hauptmessstrecke auf. Nach der Halteposition K macht die Kraftresultierende einen unstetigen Sprung nach oben, ab dem die abstoßenden Magnete 19a, 19b die Öffnungsbewegung des Ventiltellers unterstützen. Die Kraftresultierende fällt somit in einem ersten Bereich unter die Kraft-Weg-Kennlinie der Feder ab, um nach einem Knick in einem zweiten Bereich wieder anzusteigen. Es wird hiermit ein Öffnungsverhalten erreicht, bei dem das Absperrventil 7 erst ab einem bestimmten Strömungsdruck öffnet, bei dem ein für die Hauptmessstrecke ausreichender Durchfluss vorliegt.
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Bei der Ausgestaltung nach 6B sind keine anziehenden Magnete 24a, 24b vorgesehen sondern nur abstoßende Magnete 19a, 19b. vorgesehen. Zwar hat sich die Schließkraft im Vergleich zur Ausgestaltung nach 6A deutlich verringert, die Halteposition K ist dennoch sehr ausgeprägt.
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Sofern man die abstoßenden Magnetpaare 19a, 19b weg lässt, ergibt sich ein stetiger Übergang im Minimum des Kurvenverlaufs der Kraftresultierenden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ultraschalldurchflussmesser
- 2
- Gehäuse
- 3
- Einlass
- 4
- Auslass
- 5
- Erste Messstrecke
- 6
- Zweite Messstrecke
- 7
- Absperrventil
- 8
- Bypasskanal
- 9
- Ultraschallwandler
- 10
- Ultraschallwandler
- 11
- Umlenkspiegel
- 12
- Umlenkspiegel
- 13
- Rohr
- 14
- Ringförmiger Einsatz
- 15
- Gehäuseeinsatz
- 16
- Ventilteller
- 17
- Dämpferkappe
- 18
- Feder
- 19
- Magnet
- 20
- Halterung
- 21
- Ventilgrundkörper
- 22
- Klemmring
- 23
- Ventilring
- 24
- Magnet
- 25
- Dichtung
- 26
- Narbe
- 27
- Ventilzylinder
- 28
- Verdrehsicherung
- 29
- Zylinderkammer
- 30
- Ringspalt
- 31
- Gehäuseeinsatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007045101 A1 [0005]
- DE 19616330 C1 [0006]
