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Verfahren und Vorrichtung zur Mengenzählung in einer Rohrleitung
strömender Mittel Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Mengenzählung
in einer Rohrleitung strömender Mittel unter Verwendung eines Flügelradzählers mit
tangential angeströmtem Meßrad sowie auf Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Wegen der Speicherwirkung der weitverzweigten Rohrnetze wird mit
ständig steigender Dringlichkeit nach Zählern verlangt, welche die durchgegangene
Menge des Meßmittels bei Vorwärts- und bei Rückwärtsströmung in gleich zuverlässiger
und genauer Weise anzeigen.
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Mit den bisher bekannten Meßradzähler-Bauarten war diese Forderung
nicht zu erfüllen. Sie haben, von ihren sonstigen Mängeln abgesehen, den Nachteil,
daß ihre Meßfehlercharakteristik in der einen Durchgangsrichtung eine andere ist
als in der anderen, wobei die Abweichungen und Fehler im unteren Teil des Meßbereichs,
d. h. bei kleinen Durchgängen, oft ein für die Meßpraxis untragbares Ausmaß erreichen.
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Die bekannten Meßradmengenzähler werden daher von den Eichbehörden
nur für die Messung in einer und derselben Strömungsrichtung zugelassen.
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Durch die vorliegende Erfindung wird ein Meßradzähler geschaffen,
welcher die gewünschten Eigenschaften besitzt. Die Erfindung geht aus von der Gattung
»Meßradzähler mit tangential angeströmtem Flügelrad«, und die zu lösende technische
Aufgabe ist definiert durch die Frage: Wie kann man bei einem Zähler dieser Gattung
ereichen, daß sämtliche Flügel des Meßrades gleichzeitig einem gleich großen und
innerhalb jeder einzelnen Umdrehung gleichbleibenden Tangentialantrieb senkrecht
zu den Flügelflächen ausgesetzt sind, und wie kann man erreichen, daß dieser angestrebte
Effekt in beiden Durchgangsrichtungen der gleiche bleibt, so daß der Zähler in beiden
Richtungen die gleiche Anzeigecharakteristik (Meßfehlerkurve) ergibt? Ein Weg, auf
welchem man diesen Effekt erzielen kann, wird durch die vorliegende Erfindung aufgezeigt.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß als Tangentialantrieb
der Meßradflügel die mantelförmig um eine strömungslose Mittelzone fallend oder
steigend rotierende Strömung an der engsten Zone eines aus einer Wirbelsenke und
einer anschließenden Wirbelquelle bestehenden Spiralwirbelpaares dient.
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Die Erfindung ist also eine Anwendung der bekannten strömungsphysikalischen
Gesetzmäßigkeiten der Spiralwirbelströmung, d. h. von Wirbelsenke und Wirbelquelle,
für die Mengenmessung mit Tangentialstrom-Meßradzählern. Zum Bau eines Zählers,
welcher der Verwirklichung dieser neuen Verfahrensweise dienen soll, kann man sich
an sich bekannter
spiralwirbelförmige Leitungen einschließender Gehäuseteile bedienen,
welche an ihren engsten Stellen und unter Beachtung eines möglichst stufenlosen
Übergangs miteinander verbunden sind. Die Innenform des Ganzen verkörpert dann eine
starre Einhüllung eines Spiralwirbelpaares, und das Meßrad ist axial an der engsten
Stelle dieses Strömungsweges einzubauen und so zu bemessen, daß es mit seinem Schaufelkranz
in die Spiralwirbelströmung hineinreicht, welche die Zentralzone wie ein aus rotierenden
Spiralen gebildeter Mantel in Abstand umhüllt.
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Die Erfindung und der Bau von Tangentialstrom-Meßradzählem, welche
ihrer Verwirklichung dienen, seien im folgenden an Hand einiger in der Zeichnung
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In allen Figuren sind gleiche
oder einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffem versehen.
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Zunächst sei die Ausführung nach den Fig. 1 bis 3 betrachtet. Der
Zähler ist ein Tangentialstrom-Meßradzähler. Das Meßrad ist mit 1 bezeichnet. Das
Gehäuse besitzt zwei schneckenförmig gekrümmte Leitungsteile 2 und3, von denen jeweils
der eine der Heranführung des Meßmittels an das Meßrad, der andere seiner Wegführung
vom Meßrad dient, und bei denen der Leitungsquerschnitt des zuführenden Teils mit
der Annäherung an das Meßrad ab-, derjenige des abführenden Teils mit der Entfemung
vom Meßrad zunimmt (Diffusor).
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Der Gehäuseteil 2 besitzt den Anschlußstutzen 4, der Gehäuseteil
3 den Stutzen 5. Der Teil 2 ist auf seiner Oberseite durch einen deckelförmigen
Flansch 6, der Teil 3 auf seiner Unterseite durch einen entsprechenden Flansch 7
verschlossen. Der Flansch 6 trägt einen zylinderförmigen Ansatz 8, der Flansch 7
einen entsprechend ausgebildeten Ansatz 9. Diese Ansätze
sind durch
die Böden 10 und 11 abgeschlossen, auf welchen die Lagerungen 12 und 13 der stehenden
Meßradwelle 14 angeordnet sind. Das Meßrad 1 besitzt hier eine mittlere Scheibe
15 mit einem schalenförmigen Rand 16, in welchem die Flügel oder Schaufeln 17, vorzugsweise
radial zur Welle 14, stehend angeordnet sind (Fig. 3). Die Drehbewegung der Welle
14 wird hier in bei Meßradzählern gebräuchlicher Weise mittels einer Schnecke 18
(Fig. 1) und der üblichen Getrieberäder auf ein unter der Zählwerkskappe 19 befindliches
Anzeigewerk 21 übertragen.
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Die Schneckenform der beiden Gehäuseteile 2 und 3 ist nun so gewählt,
daß sie der Gesetzmäßigkeit und der Strömungsform eines in Abstand um die Meßradachse
rotierenden Spiralwirbels folgt, daß also die Strömung auf der Seite ihrer Heranführung
an den Schaufelkranz des Meßrades eine Wirbelsenke, auf der Seite ihrer Wegführung
von dort eine Wirbelquelle bildet. Beide Teile treffen an ihren engsten Stellen
zusammen, und die Anordnung ist so getroffen, daß der Übergang der Stromlinien aus
der Senke in die Quelle wenigstens angenähert stufenlos erfolgt. Dieser Übergang
wird an späterer Stelle noch ausführlich erläutert.
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Fig. 2 zeigt auf der linken Seite eine Draufsicht mit dem Deckel
6 und einem Schnitt durch den zylindrischen Ansatz 8, auf der rechten Seite einen
Horizontalschnitt durch den Gehäuseteil 2. Man erkennt den Verlauf der Außenwand
2' und der Innenwand 2", dessen Fortsetzung auf der linken Seite der Figur mit gestrichelten
Linien sichtbar gemacht ist. Zwischen diesen Wänden sind hier noch Leitmittel (Schaufeln
22, 23, 24 od. dgl.) erkennbar, von denen wieder diejenigen auf der linken Seite
mit gestrichelten Linien angedeutet sind. Durch die Wände 2', 2" und die Leitmittel
22, 23, 24 wird das zu messende Mittel dem Meßrad in der gewünschten Spiralwirbelform
mit dem gewünschten Beschleunigungsverlauf nahezu tangential, d. h. nahezu senkrecht
zu den Flügelilächen 17, zugeführt und unter Beibehaltung des Umlaufsinnes des Meßrades
mit der entsprechenden Spiralwirbelform und dem entsprechenden Verzögerungsverlauf
vom Schaufelkranz des Meßrades 1 zwischen den Wandungen 3' und 3" nach außen zum
Anschlußstutzen 5 geleitet oder umgekehrt. Dabei wirkt die Spiralwirbelbewegung
des Meßmittels in natürlicher Weise fördernd auf den Druckrückgewinn.
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Wie Fig. 1 zeigt, sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Gehäuseteile
2 und 3 kegelförmig ausgebilddet, wobei der Teil 2 mit der Symmetrieebene I-I des
Meßrades den Winkel o, der Teil 3 den Winkel fl bildet. Diese Ausbildung dient in
Verbindung mit dem schalenförmigen Meßradrand 16 dazu, das zu messende Medium möglichst
störungsfrei vom einen zum anderen Gehäuseteil, d. h. aus der Senkform in die Quellenform
überzuleiten. Es ist leicht einzusehen, daß dieser Übergang mit einem Mindestmaß
an Störung erfolgt, wenn a fl ist und die Symmetrielinien II und III der beiden
Gehäuseteile parallel liegen oder im Achspunkt 0 ineinander übergehen. Sind die
Winkel x undß verschieden groß, so wird die Strömung beim Übertritt vom einen zum
anderen Gehäuseteil innerhalb des schalenförmigen Meßradrandes 16 abgelenkt und
erzeugt dadurch einen Axialschub, welcher zur Entlastung des unteren Stützlagers
der Welle 14 herangezogen werden kann. Es ist ohne weiteres möglich, daß man für
das Schnittprofil der Bewegungsbahn statt einer kegeligen auch eine halb-
kugelige,
elliptische, parabolische mit abgeschnittener Scheitelkalotte oder eine sonst geeignete
Form wählen kann. In jedem dieser Fälle wird ein zwangloser Durchfluß in beiden
Richtungen ermöglicht.
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Die Leitmittel, hier die Schaufeln 22, 23 24, können jede geeignete
Ausbildung erhalten. So kann man z. B. statt durchgehender Leitschaufeln unterteilte
anwenden und ihre Teile oder Abschnitte zueinander versetzt oder verschoben anordnen,
um eine verbesserte Bespülung ihrer Wandung zu erreichen und Schmutzansatz zu erschweren.
Um für das Geschwindigkeitsprofil der Strömung bei ihrem Eintritt in den Schaufelkranz
des Meßrades eine Korrekturmöglichkeit zu gewinnen, kann man den auslaufenden Teil
der Leitschaufeln geradlinig bzw. eben ausbilden und mit einer Stolperkante (Aufbiegung
od. dgl.) versehen. Da es vorkommen kann, daß die Leitkanäle voneinander abweichende
Strömungswiderstände besitzen, kann man in ihnen regulierbare Hilfsglieder (Klappen,
Verdrängungskörper od. dgl.) vorsehen, durch welche es ermöglicht wird, diese Widerstände
nach Bedarf zu verändern. Als einfachstes Mittel für diesen Zweck können Schrauben
od. dgl. dienen, welche durch die Gehäusewand in den betroffenen Leitkanal hineingedreht
werden. Solche zusätzlichen Widerstände, welche es gestatten, eine ungleichmäßige
Beaufschlagung der Meßradflügel oder -schaufeln auszugleichen, sind bei Meßradzählern
an sich bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.
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In manchen Fällen ist es notwendig, eine Durchflußreguliermöglichkeit
im Zähler vorzusehen, z. B. um seinen Meßbereich auf geringsten Nachtverbrauch umzustellen.
Diesem Zweck kann ein dünnwandiger, zwischen Meßrad und den Gehäuseteilen 2 und
3 eingeschobener beweglich angeordneter Zylinder bzw.
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Doppelzylinder dienen, welcher gleichachsig zur Welle 14 liegt, in
Richtung seiner Achse verschieb-oder verschwenkbar ist und bei dieser Bewegung den
Einströmungsquerschnitt zum Meßrad und den Abströmungsquerschnitt vom Meßrad stufenweise
oder verlaufend ändert und durch welchen zugleich eine im Zählwerksantrieb vorgesehene
veränderliche Übersetzung sinngemäß eingestellt wird. Eine besondere zeichnerische
Darstellung dieser Ausführung erscheint als entbehrlich.
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Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 besitzt das Meßrad
senkrecht zur Strömung gerichtete Flügelflächen, welche bei Änderung der Strömung
im einen oder anderen Sinne als Treib- bzw. Dämpfungs-oder Bremsflächen wirken.
Um diese Wechselwirkung noch kontrastvoller zu gestalten und zu diesem Zweck das
Massenträgheitsmoment des Meßrades weitestgehend zu verringern, kann man die schalenförmige
Führung 16 am Meßrad (Fig. 1) weglassen und sie zum Teil des Gehäuses machen, so
daß das Meßrad dann nur noch aus der Scheibe 15 und den Flügeln oder Schaufeln 17
besteht.
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Zu diesem Zweck wird die Schalenführung 16 entsprechend der Linie
1-1 geteilt und ihre obere Hälfte mit dem deckelförmigen Flansch 6 des einen ihre
untere mit dem gegenüberliegenden Flanschdeckel 7 des anderen Gehäuseteils vereinigt.
In dem zwischen den Gehäuseteilen verbleibenden Spalt kann sich die Meßradscheibe
15 mit dem erforderlichen Spiel ungehindert bewegen, wobei ihre Flügel 17 in dem
durch die Schalenhälften eingeschlossenen Ringraum kreisen. Eine besondere zeichnerische
Darstellung dieser Variante erscheint entbehrlich.
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Weil, wie im vorstehenden gezeigt, das Meßrad äußerst leicht und
leichtgängig gehalten werden kann und weil auf Grund des beschriebenen Antriebs
durch ein Spiralwirbelpaar seine sämtlichen Flügel in beiden Strömungsrichtungen
einem gleich großen und innerhalb der einzelnen Umdrehung des Meßrads gleich bleibenden
Tangentialantrieb ausgesetzt sind, zeigt der nach der Erfindung gebaute und arbeitende
Zähler in beiden Durchflußrichtungen gleich gut an. Dabei bleibt die Übersetzung
zwischen dem Meßrad 1 und dem Zählwerk 21 in beiden Fällen die gleiche, weil die
Flügelflächen 17 die das Meßrad umkreisende Spiralwirbelströmung nicht ablenken,
sondern nahezu senkrecht von ihr getroffen und mitgenommen werden.
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Diese gleich richtige Anzeige in beiden Durchflußrichtungen läßt
sich zur Kontrolle des Zählers benutzen, indem man nach einer gewissen Betriebsdauer
Ein- und Ausgang durch Umdrehen des Zählers oder Umschaltung innerhalb des Rohrsystems,
in welches er eingebaut ist, gegeneinander vertauscht. Ergeben sich in beiden Durchflußrichtungen
gleiche Anzeigen, so ist der Zähler in Ordnung, andernfalls ist seine Säuberung
angezeigt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 gehen die untere
Wandung des Gehäuseteils 2 und die obere des Gehäuseteils 3 (vgl. bei 25) unmittelbar
ineinander über. Man kann aber die beiden Gehäuseteile auch von einander abgerückt
und als Verbindungsstück zwischen ihnen ein zylindrisches, zur Meßradwelle 14 gleichachsiges
Rohrstück anordnen.
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Durch diese ebenfalls nicht gezeichnete bauliche Variante kann man
zu einer Vergrößerung der Flügelfläche 17 gelangen, so daß das Antriebsmoment am
Meßrad 1 seitens der Strömung im Verhältnis der Flächenvergrößerung verstärkt und
dadurch die Anzeigegenauigkeit des Zählers vergrößert wird.
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Eine Reihe weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung ist der Fig.
4 zu entnehmen, in welcher sie der Einfachheit halber in einer Kombination dargestellt
sind. Hier entsprechen die Gehäuseteile 26 und 27 den Teilen 2 und 3 der Fig. 1.
Im Teil 26 ist gleichachsig ein kegeliger Führungskörper 28 mit Leitblechen 29 angeordnet,
welche die Form von Schraubenflächen haben und den Führungskörper 28 gegen die Außenwand
abstützen. Dem beispielsweise in den Teil 26 eintretenden Meßmittelstrom wird dort
die Charakteristik eines Spiralwirbels (Wirbelsenke) gegeben, dessen Geschwindigkeit
am Schaufelkranz 17 des Meßrades 1 ihr Maximum erreicht.
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Der Gehäuseteil 27, in den die Strömung nun eintritt und in welchem
sie mit entsprechender Wirbelquellencharakteristik vom Meßrad weggeführt wird, ist
hier gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet. Er besitzt
einen kegeligen Mantel mit einem zylindrischen Kern 30, der von den Leitblechen
31 getragen wird, wobei diese den gleichen Windungssinn haben wie die Leitbleche
29. An Stelle der Gehäuseteile bzw. Spiralwi rbelführungen 27, 30, 31 kann man,
wie auf der linken Seite der Fig. 4 (Bezugsziffer 32) angedeutet, aber auch solche
in der Art des Gehäuseteils 3 der Fig. 1 benutzen.
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Das Meßrad 1 besitzt dann nur eine halbe Schale 16, und seine Flügel
17 sind der Strömungsführung angepaßt. Die Anordnung des Zähl- und Anzeigewerks
ist
dann etwa die gleiche wie bei der Ausführung nach Fig. 1 (Teile 8, 10, 12, 18,
19, 21).