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Die Erfindung betrifft einen Durchflussmesser
insbesondere für
flüssige
Medien, wie beispielsweise Wasser.
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Durchflussmesser sind bspw. in Form
sogenannter Wasserschalter bekannt.
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Ein solcher Wasserschalter ist aus
der
DE 100 46 618 zu
entnehmen. Dieser Wasserschalter enthält ein Venturirohr, das von
der zu messenden oder zu erfassenden Wasserströmung durchflossen ist. Vor
dem Venturirohr zweigt ein Staudruckkanal zu einem Druckschalter
ab. In dem Druck schalter ist eine Membran vorgesehen, deren andere
Seite über einen
Saugkanal mit einer Saugöffnung
des Venturirohrs verbunden ist. Eine Bewegung der Membran wird über ein
Schutzgasrelais erfasst, das von einem mit der Membran verbundenen
Magneten betätigt wird.
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Ein solcher Wasserschalter kann schwache Strömungen feinfühlig erfassen,
ohne einen zu großen
Strömungswiderstand
zu bieten. Jedoch ist keine Möglichkeit
vorgesehen, ein Signal zu erzeugen, das der Größe des Durchflusses entspricht.
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Es ist bereits versucht worden, Wasserströmungen mit
einem Flügelrad
zu erfassen. Ein solches Flügelrad
ist in einem von der Wasserströmung durchflossenen
Kanal drehbar angeordnet und wird von durchfließenden Wasser gedreht. Hier
können Probleme
auftreten, wenn eine Strömung
sowohl in Vorwärtsrichtung
als auch in Rückwärtsrichtung
auftreten kann. Es existieren Anwendungsfälle, bei denen ein Rückwärtsfluss
der zu erfassenden Fluidströmung
gerade nicht erfasst werden darf. Dies ist bspw. in Warmwasserleitungen
der Fall, die zu einer Warmwasser/Kaltwasser-Mischbatterie führen. Kommt es hier zu einer
Kaltwasserrückströmung in
die Warmwasserleitung, darf diese nicht gewissermaßen als Rücknahme
von Warmwasser gewertet werden. Mit anderen Worten, der Flügelradzähler darf
nicht rückwärts zählen.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der
Erfindung, einen richtungsempfindlichen Durchflussmesser zu schaffen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe auf besonders
einfache Weise:
Der erfindungsgemäße Durchflussmesser weist eine Strömungsleiteinrichtung
auf, die bezüglich
einer vorgegebenen Durchflussrichtung einen Drall erzeugt. In Durchströmungsrichtung
hinter der Strömungsleiteinrichtung
ist ein Flügelrad
angeordnet, dessen Flügel
von der Drallströmung
beaufschlagt werden, wohingegen sie bezüglich der Rückwärtsströmung in einer neutralen Richtung
orientiert sind. Mit anderen Worten, die Strömungsleiteinrichtung erzeugt
eine um die Drehachse des Flügelrads
gerichtete unkompensierte Strömung.
Diese Strömung,
die in Umfangsrichtung des Flügelrads
wirkt, triebt das Flügelrad
an. Die Rückwärtsströmung trifft
hingegen zuerst das Flügelrad
und dann die Strömungsleiteinrichtung.
Das Flügelrad
ist dabei so ausgebildet und angeordnet, dass die Rückwärtsströmung an
dem Flügelrad
keine oder lediglich symmetrische, einander aufhebende Drehmoment
erzeugt. Dies bedeutet, dass bei einer Rückwärtsströmung im Bereich des Flügelrads
gerade keine unkompensierte Umlaufströmung erzeugt wird.
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Der erfindungsgemäße Durchflussmesser eignet
sich zur richtungsabhängigen
Strömungserfassung.
Er kann für
Vorwärts-
und Rückwärtsdurchströmung unterschiedliche
Empfindlichkeit aufweisen. Insbesondere ist es möglich, ihn für Rückwärtsströmungen gänzlich unempfindlich
zu machen, so dass diese nicht erfasst werden. Darüber hinaus
gelingt es, ein Signal zu erzeugen, das die Größe der Fluidströmung kennzeichnet.
Beispielsweise kann die Drehzahl des Flügelrads von dem Durchfluss
abhängig
sein und über
einen entsprechenden Positionsgeber erfasst werden.
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Die Richtungsabhängigkeit der Strömungserfassung
wird rein durch strömungsdynamische
Mittel, nicht aber durch mechanische Sperrmittel wie Freiläufe oder
dergleichen erreicht. Es ist jedoch möglich, zur Unterstützung des
strömungsdynamischen
Effekts eine richtungsabhängige
Lagerreibungen vorzusehen. Beispielsweise kann das Flügelrad bei
einer Vorwärtsdurchströmung an
einem Spitzenlager oder an einem reibungsarmen Drucklager laufen,
während
es bei Rückwärtsdurchströmung gegen eine
Bremsfläche
gedrückt
wird.
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Die Strömungsleiteinrichtung kann einen Axialdrall
erzeugen. Das Flügelrad
ist dann vorzugsweise ein mit axialer Drehachse ausgerichtetes Rad mit
in Axialrichtung orientierten Flügeln.
Dies ergibt einen einfachen, robusten Aufbau mit geringem Strömungswiderstand.
Es ist auch möglich,
die Strömungsleiteinrichtung
so auszubilden, dass eine Umlaufströmung um eine quer zur Strömungsrichtung orientierte
Achse entsteht. Dies kann bspw. erreicht werden indem eine Kammer,
in der ein Flügelrad
angeordnet ist, einen außermittigen
Zufluss aufweist, der etwa in Umfangsrichtung des Flügelrads
weist. Der Abfluss aus der Kammer ist dann in Radial- oder Axialrichtung
orientiert. Bei Rückwärtsdurchströmung entstehen
an den einzelnen Flügeln
entweder keine Kräfte
(Anströmung
in Axialrichtung) oder die an den einzelnen Flügeln entstehenden Kräfte heben sich
auf (Rückwärtsströmung in
Radialrichtung). In beiden Fällen
spricht das Flügelrad
nicht oder kaum auf Rückwärtsströmungen an,
wobei in Vorwärtsrichtung
schon besonders schwache Strömungen
erfasst werden können.
Weitere Einzelheiten in vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung ergeben
sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Unteransprüchen. In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Durchflussmesser
in längs
geschnittener Darstellung,
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2 den
Durchflussmesser nach 1 in perspektivischer,
teilweise geschnittener Explosionsdarstellung,
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3 ein
Prinzipfunktionsbild des Durchflussmessers nach 1 und 2,
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4 die
Strömungsleiteinrichtung
des Durchflussmessers nach 3 in
Stirnansicht,
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5 das
Flügelrad
des Durchflussmessers nach 3 in
Stirnansicht,
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6 und 7 alternative Ausführungsformen des
Durchflussmessers in aufs Äußerste schematisierter
Darstellung.
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In 1 ist
ein Durchflussmesser 1 veranschaulicht, der zur Erfassung
einer Fluidströmung, insbesondere
einer Wasserströmung
eingerichtet ist. Der Durchflussmesser 1 weist ein zweiteiliges
Gehäuse 2 auf.
Sein eingangsseitiges Gehäuseteil
ist rohrartig ausgebildet und steckt mit einem Rohrfortsatz in einem
entsprechenden Aufnahmebereich eines zweiten, ausgangsseitigen Gehäuseteils 4.
Zur Abdichtung zwischen den Gehäuseteilen 3, 4 ist
der erste Gehäuseteil
mit radial nach außen
offenen Ringnuten versehen, in den O-Ringen 5, 6 sitzen.
Zur Arretierung der Gehäuseteile 3, 4 aneinander
ist der Gehäuseteil 4,
wie 2 veranschaulicht,
in seinem Einsteckbereich mit zwei Querbohrungen 7, 8 versehen,
in die ein Drahtbügel 9 eingesteckt
werden kann. Seine Schenkel erstrecken sich durch die Querbohrungen 7, 8 und
sichern dadurch den Gehäuseteil 3 formschlüssig an
seinen Platz.
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Zur weiteren Verbindung mit anderweitigen Fluidleitungsmitteln
können
die Gehäuseteile 3, 4 an ihrem
jeweiligen eingangsseitigen bzw. ausgangsseitigen Ende einen zylindrischen
Einsteckabschnitt 11, 12 aufweisen, der sich jeweils
nach außen
hin trichterartig erweitert. Hier können Querbohrungen 13, 14 vorgesehen
sein, um anzuschließende
Leitungen formschlüssig
zu sichern.
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Zu dem Durchflussmesser 1 gehört eine Strömungsleiteinrichtung 15,
die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
in dem eingangsseitigen Gehäuseteil 3 einstückig ausgebildet
ist. Dazu erstrecken sich von dem Außenumfang des zylindrischen Durchgangs
Leitflügel 16, 17, 18, 19, 20 radial
nach innen, die sich mittig bei einem Verbindungsstück 22 treffen.
Die Leitflügel 16 bis 20 sind
schräg
zu der Durchflussrichtung orientiert. Die Durchflussrichtung ist durch
die Axialrichtung des von dem Gehäuse 2 definierten
Durchgangs bestimmt.
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Das Verbindungsstück 22 kann, wie 1 veranschaulicht, als Lager
oder als Halterung für
einen Lagerstift 23 dienen. Dieser ist in einer gegen die Strömungsrichtung
in das Verbindungsstück 22 führende Sackbohrung
eingesteckt. Das andere Ende des Lagerstifts 23 ist in
einer Fassung 24 gelagert, die endseitig an einem von der
Wandung des Gehäuseteils 4 radial
nach innen ragenden Arm getragen ist.
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Auf den Lagerstift 23 sitzt
drehbar ein Flügelrad 25,
das somit bezüglich
der Durchströmungsrichtung
des Durchflussmessers 1 stromabwärts zu der Strömungsleiteinrichtung 15 angeordnet
ist. Das Flügelrad 25 weist
mehrere, bspw. vier, in Radialrichtung orientierte Flügel 26, 27, 28 auf,
von denen drei in 2 sichtbar
sind. Der vierte ist verdeckt. Die Flügel sind außerdem in Axialrichtung orientiert,
d.h. eine drallfreie Strömung übt kein
Drehmoment auf das Flügelrad 25 aus.
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Es wird als vorteilhaft angesehen,
wenn sich die Anzahl der Leitflügel 16 bis 20 von
der Anzahl der Flügel 26 bis 28 unterscheidet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
weist die Strömungsleiteinrichtung 15 Flügel auf,
während
das Flügelrad 25 lediglich
vier Flügel
aufweist. Es wird weiter als vorteilhaft angesehen, wenn sich die
Flügelzahlen
um 1 unterscheiden. Dies ermöglicht
einen gleichmäßigen Anlauf
und Lauf des Flügelrads 25 auch
bei sehr geringen Strömungen.
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Das Flügelrad 25 ist drehfest
mit einem Geberrad 31 verbunden, das als Polrad ausgebildet
ist und zu einem Positionsgeber 32 gehört. Das Geberrad 31 ist
bspw. ein mit Magnetpolen versehener permanentmagnetischer Ring,
der auf eine Kunststoffbuchse 33 aufgeschoben ist. Letztere
sitzt drehbar auf dem Lagerstift 23 und ist an ihrem der
Leiteinrichtung 15 zugewandten Ende mit den Flügeln 26 bis 28 versehen.
Die Magnetpole des Geberrads laufen mit dem Geberrad um, wenn sich
dieses dreht. Zur Lagerung der Kunststoffbuchse 33 auf
dem Lagerstift 23 weist die Kunststoffbuchse 33 ein
gewisses Radialspiel und nötigenfalls
auch ein gewisses Axialspiel auf. Zwischen dem abströmseitigen
Ende der Kunststoffbuchse 33 und der Fassung 24 können reibungsmindernde
Ringe 34, bspw. Teflonringe vorgesehen sein.
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Der Positionsgeber 32 ist
bspw. durch eine Hallsonde oder ein anderes magnetfeldempfindliches
Bauelement gebildet, das die Vorbeigänge der Magnetpole bei sich
drehenden Geberrad 31 registriert. Der Positionsgeber ist über eine
oder mehrere Leitungen 35 mit einem Anschlussstecker 36 verbunden.
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Der insoweit beschriebene Durchflussmesser 1 arbeitet
wie folgt:
In 3 ist
der Durchflussmesser 1 aufs äußerste schematisiert veranschaulicht.
Das Gehäuse 2 ist von
links nach rechts durchströmt,
d.h. die Strömung trifft
zuerst die Strömungsleiteinrichtung 15 und
danach das Flügelrad 25.
Die zunächst
axial ohne Drall heranführende
Strömung
erhält,
sobald sie die Strömungsleiteinrichtung 15 passiert,
durch die Schrägstellung
von deren Flügeln
einen Drall. Dieser ist in dem in 3 vergrößert dargestell ten
Abstand zwischen der Strömungsleiter
in Richtung 15 und dem Flügelrad 25 durch sich
kreuzende Pfeile veranschaulicht. Der Drall bedeutet eine Strömungskomponente,
die bezüglich
des Flügelrads 25 in
dessen Umfangsrichtung gerichtet ist. Die Drehbewegung dieser Strömung ist
konzentrisch zu der Drehachse 37 des Flügelrads 25 festgelegt.
Die Umfangskomponente der Strömung
treibt das Flügelrad 25 an,
so dass sich dieses zusammen mit dem Geberrad 31 dreht.
Das sich ändernde
Magnetfeld wird zu dem Positionsgeber 32 erfasst. Die entstehenden
Signalimpulse können
in Form von Spannungs- oder Stromimpulsen oder Widerstandsänderungen über die Leitungen 35 abgegriffen
werden.
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Dieses Zusammenspiel lässt sich
auch durch den Vergleich mit den 4 und 5 miteinander entnehmen. 4 veranschaulicht die Strömungsleiteinrichtung 15 mit
ihren drallerzeugenden, schräg gestellten
Flügeln
in einer Ausführungsform
mit 6 Flügeln. 5 veranschaulicht das Flügelrad 25 mit
in Axialrichtung orientierten radial von der Nabe wegstehenden Flügeln. Es
sind fünf
Flügel
vorhanden (einer weniger als bei der Strömungsleiteinrichtung 15).
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Wird der Durchflussmesser 1 von
einer Rückwärtsströmung durchströmt, trifft
diese zuerst auf das Flügelrad 25 und
erst danach auf die Strömungsleiteinrichtung 15.
Die das Flügelrad 25 treffende
Strömung
weist deshalb zunächst
noch keine Drallkomponente auf. Das Flügelrad vollführt deshalb keine
oder nahezu keine Drehbewegung. Soll das Flügelrad 25 auch bei
Rückwärtsströmung eine Drehbewegung,
z.B. eine Vorwärtsdrehbewegung, ausführen, kann
dies mit einer in 3 rechts
neben dem Flügelrad 25 angeordne ten,
entsprechend orientierten Strömungsleiteinrichtung
geschehen, die dann stromabwärts
von dem Flügelrad 25 angeordnet
ist. Dies ist eine Option.
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Ebenfalls optional kann das Flügelrad 25 mit einer
richtungsabhängigen
Bremseinrichtung bzw. mit einer Lagereinrichtung 38 versehen
sein, deren Reibmoment strömungsrichtungsabhängig ist.
Eine solche Lagereinrichtung 38 ist in 3 schematisch veranschaulicht. Zusätzlich zu
der drehbaren Lagerung ermöglicht
die Lagereinrichtung 38 ein gewisses Axialspiel. Zur Abstützung in
Axialrichtung kann die aus dem Flügelrad 25 und dem
Geberrad 28 gebildete Einheit bei einer Spitzenlagerung 39 oder
einer anderen reibungsarmen Drucklagereinrichtungen abgestützt sein.
Wird der Durchflussmesser 1 in Vorwärtsrichtung durchströmt, nimmt
die Spitzenlagerung 39 die auftretenden axialen Druckkräfte auf,
ohne ein nennenswertes Reibungsmoment zu erzeugen. Eine Gegendurchströmung kann
die aus dem Flügelrad 25 und
Geberrad 31 gebildete Einheit jedoch etwas in Richtung
auf die Strömungsleiteinrichtung 15 zu
verschieben. Es gelangen dann eine ortsfeste Reibfläche 41 mit
einer Reibfläche 42 in
Eingriff, die an dem Geberrad 31 oder einem anderen mit
diesen verbundenen Teil versehen ist. Somit veranlasst die Rückwärtsdurchströmung an
den Reibflächen 41, 42 ein Bremsmoment,
das einer Drehung des Flügelrads entgegenwirkt.
Auf diese Weise kann der Effekt, dass das Flügelrad 25 bei Rückwärtsdurchströmung nicht dreht,
noch unterstützt
werden.
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In 5 ist
eine abgewandelte Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht. Dieser Durchflussmesser 1 weist
ein Gehäuse 2 auf,
dessen Zuströmöffnung 43 außermittig
angeordnet ist. Damit bildet eine von dem Gehäuse 2 um schlossene
Kammer 44 mit der außermittig
in die Kammer 44 führenden
Zuströmöffnung 43 die
Strömungsleiteinrichtung 15,
die eine in der Kammer 44 umlaufende Strömung erzeugt.
Die Strömung
läuft dabei
mit einer quer zur Hauptströmungsrichtung
verlaufende Achse um.
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Aus der Kammer 44 führt eine
Abströmöffnung 45 heraus,
die etwa radial zu der Kammer 44 orientiert ist. Während die
Zuströmöffnung 43 so
orientiert ist, dass sie den Gesamtquerschnitt der Kammer 44 seitlich
trifft, trifft die Auströmöffnung 45 den Gesamtquerschnitt
der Kammer 44 etwa mittig. In der Kammer 44 ist
ein Flügelrad 25 angeordnet.
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Ein durch die Zuströmöffnung 43 herangeführte Strömung erzeugt
in der Kammer 44 eine Umlaufströmung die das Flügelrad 25 mitnimmt.
Eine Rückwärtsströmung trifft
das Flügelrad 25 hingegen etwa
symmetrisch. Dies liegt daran, dass die von der Abströmöffnung vorgegeben
Strömungsrichtung
die Drehachse des Flügelrads 25 radial
trifft, während
die von der Zuströmöffnung 43 vorgegeben
Strömung das
Flügelrad 25 lediglich
peripher trifft. Eine Rückwärtsströmung erzeugt
an dem Flügelrad 25 somit zwei
gegenläufige
Drehmomente, die in 6 oberen
Flügel
würden
ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn erzeugen, während die
in 6 unteren Flügel ein
Drehmoment in Uhrzeigerrichtung erzeugen. Beide Drehmomente heben
sich im Idealfall auf, so dass das Flügelrad 25 auf eine
Rückwärtsströmung nicht
anspricht.
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Die in 7 veranschaulichte
Ausführungsform
weist ebenfalls eine Kammer 44 auf, bei der die Zuströmöffnung 43 eine
am Kammerzentrum vorbeigehende Richtung vorgibt.
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Im Kammerzentrum ist das Flügelrad 25 drehbar
gelagert. Die Abströmöffnung 45 führt seitlich,
d.h. axial bezüglich
des drehbar gelagerten Flügelrads
aus der Kammer 44 heraus. Während eine Strömung, die
durch die Zuströmöffnung 43 in
die Kammer 44 hineinführt
zu einer Umlaufströmung führt, die
das Flügelrad 25 mitnimmt,
führt eine
Rückwärtsströmung, die
Wasser durch die Abströmöffnung 45 in
die Kammer 44 führt,
nicht zu einer nennenswerten Umlaufströmung. Die Flügel des
Flügelrades 25 können hier
gerade gestreckt ausgebildet sein. Alternativ ist es möglich, sie
mit einer Krümmung
zu versehen, um bei Rückwärtsströmung eine Vorwärtsbewegung
oder eine Rückwärtsbewegung oder
ein Stehenbleiben des Flügelrads 25 zu
bewirken.
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Anstelle einer vollständigen Drehbarkeit kann
bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
auch ein Flügelrad 25 vorgesehen
sein, das lediglich begrenzt bspw. gegen die Kraft einer Torsionsfeder
drehbar aufgehängt
ist. Die Verdrehung des Flügelrads 25 ist
dann ein Maß für die Durchströmung. Weiterhin
ist es alternativ möglich,
das Flügelrad 25 fest
aufzuhängen
und lediglich die auf das Flügelrad 25 einwirkenden
Kräfte zu
erfassen. Dies kann z.B. mit Piezzo-Messstreifen, Dehn-Messstreifen oder
anderen Kraftmessanordnungen erfolgen, die in der Aufhängung des
Flügelrads 25 angeordnet
sind.
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Ein Durchflussmesser 1,
der unterschiedlich auf Vorwärts-
und Rückwärtsdurchströmung anspricht,
weist eine Strömungsleiteinrichtung 15 auf, die
bezüglich
der Durchströmrichtung
vor einem Flügelrad 25 angeordnet
ist. Das Flügelrad 25 reagiert lediglich
auf eine von der Strömungsleiteinrichtung 15 verursachte
Strömungsveränderung,
nicht aber auf eine Geradeausdurchströmung des Durchfluss messers 1.
Letztendlich spricht das Flügelrad 25 somit
auf eine von der Strömungsleiteinrichtung 15 verursachte
Strömungsasymetrie
an, die in einem Drall um die Strömungsrichtung oder quer zur
Strömungsrichtung
bestehen kann. Eine Rückwärtsdurchströmung erzeugt
den Drall erst hinter dem Flügelrad (oder
gar nicht), so dass das Flügelrad
nicht oder anders anspricht als bei Vorwärtsdurchströmung.
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Ein Durchflussmesser 1,
der unterschiedlich auf Vorwärts-
und Rückwärtsdurchströmung anspricht,
weist eine Strömungsleiteinrichtung 15 auf, die
bezüglich
der Durchströmrichtung
vor einem Flügelrad 25 angeordnet
ist. Das Flügelrad 25 reagiert lediglich
auf eine von der Strömungsleiteinrichtung 15 verursachte
Strömungsveränderung,
nicht aber auf eine Geradeausdurchströmung des Durchflussmessers 1.
Letztendlich spricht das Flügelrad 25 somit
auf eine von der Strömungsleiteinrichtung 15 verursachte
Strömungsassymetrie
an, die in einem Drall um die Strömungsrichtung oder quer zur
Strömungsrichtung
bestehen kann. Eine Rückwärtsdurchströmung erzeugt
den Drall erst hinter dem Flügelrad (oder
gar nicht), so dass das Flügelrad
nicht oder anders anspricht als bei Vorwärtsdurchströmung.