DE1798392A1

DE1798392A1 - Fluegelraddurchflussmesser

Info

Publication number: DE1798392A1
Application number: DE19601798392
Authority: DE
Inventors: Lee Winston Foong-Zung; Henning Karlby
Original assignee: Rockwell Manufacturing Co
Current assignee: Rockwell Manufacturing Co
Priority date: 1959-02-26
Filing date: 1960-02-25
Publication date: 1971-09-30
Also published as: US3248945A; DE1798391A1; DE1423891A1; SE301883B; GB949304A; DE1423891B2; AT241841B

Description

Flügelraddurchflussmesser

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flügelraddurehflussmeser mit einem drehbar gelagerten Messflügelrad, welches durch das strömende Medium in Drehung versetzt wird und mit einem Umdrehung3zählwerk gekoppelt ist.

Die Fehlerkurve eines Flügelraddurchflussmessers zeigt an, in welchem Bereich von Durchflussmengen die Kessung innerhalb der zulässigen Fehlergrenzen erfolgt. Üblicherweise wird die Fehlertcurve dadurch erhalten, dass das Verhältnis *■ der Winkelgeschwindigkeit co des Messflügelrads zu der Durchflussmenge Q auf der Ordinate, die Durchflussmenge Q auf der Abszisse aufgetragen werden. Bei einem idealen Durchflussmesser wäre diese Fehlerkurve eine parallel zur Abszissecachse verlaufende Gerade. In Wirklichkeit waist die Fehlerkurve Abweichungen von diesem idealen Verlauf auf, und das Gerät ist nur für Messungen in dem Bereich brauchbar, in dem diese Abweichungen innerhalb der vorgeschriebenen Fehlergrenzen liegen.

it i/Ba,

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βΑΟ

Diese Nichtlinearität zwischen Drehzahl und Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich daraus, dass das Messflügelrad Reibungswiderstände zu überwinden hat, die eine andere Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit zeigen als die entsprechende' Antriebskraft, so dass die Differenz zwischen der tatsächlichen Drehzahl und der eines idealen kräftefreien Flügelrades, im folgenden mit Schlupf bezeichnet, nicht konstant ist.

Es sind verschiedene Massnahmen bekannt, um die Fehlerkurve von Flügelraddurchflussmessern zu begradigen und dadurch den Messbereich zu erweitern. Insbesondere sind Versuche unternommen worden, die Abnahme der Messgenauigkeit bei kleinen Durchflussmengeη zu beseitigen. Zu diesem Zweck wird bei. dem in der französischen Patentschrift 1 164 587 beschriebenen Durchflussmesser vor dem Messflügelrad ein frei laufendes Korapensationsflügelrad angeordnet, dessen Flügel entgegengesetzt zu denjenigen des Messflügelrads angestellt sind.Dadurch soll der Anströmwinkel am Messflügelrad vergrössert werden, damit die prozentual grösseren Reibungs- und Widerstandsmomente bei kleinen Drehzahlen ausgeglichen werden. Um möglichst gleiche Bedingungen am Measflügelrad und am ICompensationsflügelrad zu schaffen, wird die Drehung des Messflügelrads lichtelektrisch abgetastet.

Die Wirkung dieser Anordnung soll nach dem älteren Patent 1 120 165 dadurch verbessert werden, dass die Drehbewegung desKompensatbnsflügelrads durch Widerstandsmittel abbremsbar ist, wobei die Widerstandsaittel vorzugsweise aus einer magnetischen Wirbelstrombremse bestehen. ■■■■-■■

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Alle diese Massnahmen ergeben aber eine Segradigang der Fehlerkurve jeweils nur für Strömungsmedien vergleichbarer Beschaffenheit, insbesondere gleicher Viskosität.Y/enn der gleiche Flügelradmesser für StrÖmungsmedien anderer Viskosität verwendet werden soll, muss die Kompensation entsprechend berichtigt werden.

Es besteht aber ein Bedarf an Durchflussmessern, mit denen StrÖmungsmedien sehr unterschiedlicher Viskosität (beispielsweise von 3 Contistokes bis 1100 Contistokes) in einem grossen Bereich von Durchflussmenge*! (beispielsweise 1:5) mit hoher Genauigkeit ( + 0,1$) gemessen werden können, ohne dass hierzu Änderunger, am Messgerät vorgenommen werden müssen. Diese Bedingungen bestehen zum Beispiel bei Pipelines, durch, die Produkte sehr unterschiedlicher Viskosität gefördert werden.

Die Viskosität des zu aessenden Strömungsmedium:? ist insbesondere für den Übergang von der laminaren zur turbulenten Strömung massgeblich. Als Mass hierfür wird üblicherweise dieReynoldssche Zahl verwendet, eiue diemensionslose Zahl, die für den gleichen Durchflussmesser der Geschwindigkeit und Dichte des Ströaangsmediums direkt und der Viskosität des Strömungsmedi ums umgekehrt proportional ist. Für jedes Strömungsmedium gibt es dann eine "kritische" Reynoldssche Zahl, bei der die laminare Strömung abreisst und turbulent wird. Wenn man die oben erwähnte Fehlerkurve ^- = F(Q) aufträgt, weist diese bei einer bestimmten Durchflussmenge einen ausgeprägten Hocker auf, der der kritischen Reynoldsschen Zahl entspricht. Nach unten hin fällt die Fehlerkurve steil ab; dies ist der Bereich der laminaren Ströounp,

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in der der Elügelraddurchflussoiesser nicht arbeiten kann. Nach oben hin schliesst sich ein Übergangsbereich an, in dec die !Fehlerkurve allmählich zu dem horizontalen geraden Verlauf hin abfällt, den sie im rein turbulenten Bereich hat.

Der Höcker der !Fehlerkurve liegt natürlich für jedes Strömungsmedium bei einem anderen Wert der Durchflussmenge. Man würde also für jedes Strömungsmedium eine eigene !Fehlerkurve erhalten. Wenn man aber das Verhältnis ¹^ nicht als Funktion der Durchflussmenge Q, sondern als Punktion der Reynoldsschen Zahl Re aufträgt, erhält □an für alle Strömungsmedien die gleiche !Fehlerkurve, die nur noch vom Aufbau des Kessgeräts, aber nicht mehr' von der Viskosität oder den sonstigen Eigenschaften des zu messenden Strömungsmediums abhängt.

Auf Grund dieser Erscheinung erhält man mit dem gleichen !Flügelraddurchflussmesser bei der Messung von Ströcoungsaedien zunehmender Viskosität, bei gleichen Durchflussmenge η zunehmende Messfehler, so dass entweder der Messbereich entsprechend der grössten vorkommenden Viskosität stark eingeschränkt ist oder die Anzeige von der Viskosität abhängt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ÜPlü^elraddurchflusssesser der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei welchem der lineare Messbereich zu kleineren Reynoldsschen Zahlen hin erweitert ist.

ITach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass in der Strömungsrichtung vor dem Kessflügelrad eine Einrichtung angeordnet ist, welche dem strömenden Medium auch bei der kleinsten zu messenden Strömungsgeschwindigkeit eine bis über das Messflügelrad hinaus wirkende Turbulenz erteilt.

Sei dea nach der Erfindung ausgeführten Flügel raddurchflussmesser wird absichtlich eine grosso anfanrücke Turbulenz in dea zua Kessflügelrad strömenden 1-Ieäiu.r erzeugt. Diese grosse anfängliche Verwirbelung vcraindert die britische Reynoldsscho Zahl, so dass ir. dar iehlericurve der Höcker nach links zur Ordi.iatc;.>aehse hin verschoben wird. Dies entspricht einer Erweiterung des Bereiches der turbulenten Strömung, so dass ein breiterer Bereich der linearen Strömungsmessung verfügbar ist. Die in der Strömung hervorgerufene Turbulenz schafft auaserdea eine gleichaässigere Gescavjinäigkeixsverteilung, iasbesonaere im laüinaren Ströaur-gsbereich, und diese trägt zur weiteren Verbesserung der Messgenauiglceit des Messgeräts in diesem Ströaungsbcreich bei.

Bei einem Plügelraddurchf lussaesser a it einec ^trocilir-ier.-föraigen Verdrängungskörper, der koaxial in einen: rchrföraigen Stromungskanal angeordnei: ist, besxehx eir.3 bevor zugte Ausführungsfora der Erfindung darin, dass aie die Turbulenz erzeugende Einrichtung eine in dor^ kreis^iügfb'raigen Zwischenraua zwischen dec Verarängung und dem Ströaungskanal vor dem I-iessflügelrad a Stelle verengten Querschnitts ist.

Eine andere Auaführungsfora der Erfindung besteht darin, dass die die Turbulenz erzeugende Einrichtung aus mindes einera Sieb besteht.

In ä:r Zeichnung sind Auaführungsbeiüpiele der Erfmdw.r.g dargestellt. Darin zeigen:

I'ig. 1 ein Diagramm zur Darstellung dos ,■;■..όa;jtar. van dor lioibung des Stror:.ur.;:,modiua;j veriu¹::;..-. '^.:i\ V./.^: yA- : · ..i^ijhluXii'o'J .n .".Lri'ir._o ^-i.gl: : iu vor. ...■ ■-■■-'/'· "■ ...... ^.^

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BADOflißiNAL

Jig.2 ein Diagramm zur Darstellung der Pehlerkurve «ines Plügelraddurchflussmessers in Abhängigkeit von der Reynoldsschen Zahl,

]?ig.3 einen Längsschnitt ,durch einen Plügelr&ddurc^- flussoessör genäss einer ersten Ausführungshorn der Erfindung und

Pig.4 einen Längsschnitt durch einen Plügelradiurc-Tlu.ssraesser gemäss einer weiteren Ausführungsfora der Erfindung.

Zum besseren Verständnis der folgenden Beschreibung sind in 3?ig.1 und 2 zwei Diagramse dargestellt, die fis.3 "sypic Verhalten eines Flügelraddurohflussmessers zeigen. Hg,1 stellt den durch die viskose Reibung des Ströcungsaeiiuns verursachten Scnlupf des Flügelrades als Punlit ion der Reynoldsschen Zahl dar. In diesem Diagraao können ärei Bereiche unterschieden v.erden:

Bei sehr kleinen Reynoldsschen Zahlen R.e (d.h. bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten für ein gegebenes Mediuc) ist die Strömung laminar. In dieses Bereich ändert sich der Schlupf S^ entsprechend dea Ausdruck:

bis zu einem Minimum, das bei der kritlsehen Reynolässchen Zahl liegt, die zugleich die örsn^s äieses Bereichs bildet.

Bei grossen Reynoldsschan Zanlen Re 1st der Schlupf konstant:

S_f = IC,

1°^98itl/flB7? BADOB.GINAL

da in diesem bereich die Strömung vollkommen turbulent ist.

Zwischen diesen beiden Bereichen liegt eine Übergang^aon-2, in der sich der Schlupf nach dem Ausdruck

- r ι

^Sf ^{= K} " !ie"
ändert.

Fig.2 zeigt das Verhältnis 7? der Winkelgeschwindigkeit oj des Kessflügelrads zu der Durchflussmenge Q. Für einen idealen Durchflussmesser wäre die Kurve für diesen V.'ert ^ eine parallel zur Abszissenachse verlaufende Gerade; dann wäre im gesamten Messbereich die Drehzahl des LIe £sf lüge 1-rads der Durchflussmenge genau proportional. In V,"ir.iich".:cit verringert sich der V/ert -Z um den in Fig.1 dargestellten Schlupf, und die diese Differenz

£ ⁼ ^ Q^- ' ideal" ^Sf

darstellende Kurve ist die Fehlerkurve des Flügelradäurchflussmessers.

Entsprechend dem Verlauf der Schlupf kurve v.sist diese Fehlerkurve drei verschiedene Bereiche auf: Der im Bereich grosser Reynoldsscher Zahlen liegende Abschnitt 54 verläuft im wesentlichen parallel zu der idealen Kurve, so dass in diesem Bereich eine genaue Messung möglich ist, v.eil die konstante Abweichung leicht berücksicntigt weräan kann. Der in der Übergangszone liegende Abschnitt 52 steigt mit kleiner werdenden Reynoldsocnen Zahlen allmählich an, und bei der kritischen Reynoldsschen Zahl besteht ein ausgeprägter Hocker 50, von dem aua die Fehlerkurve im Bereich der laminaren Strömung rasch abfällt.

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Wenn die Kurven von Fig.1 und ■ 2 in Abhängigkeit von tier Strömungsmenge Q anstatt von der Reynoldsschen Zahl Ke gezeichnet würden, erhielte man für verschiedene StrötaUi'^smedien verschiedene Kurven, deren Hocker an verschiedenen Stellen lägen, und zwar bei umso grosseren Ströccungstnengen, je höher die Viskosität des Strömungsmedium ist. Dadurch, dass die Kurven auf die Reynoldssche Zahl bezogen sind, gilt die gleiche Kurve für alle Strömungsmedien.

Die in Fig. 2 gezeigte Fehlerkurve für Plügelraddur^flussmesser wurde durch Versuchsergebenisse in vollem Umfang bestätigt. Pur Strömungsmedien von niedriger und mittlerer Viskosität, wie Luft, natürliche Gase, Benzin,-V/asser, dünnflüssige Öle oder dgl., arbeitet ein F lügeraddurehflussmesser von angemessener örösse (100 tarn Durchmesser und darüber) für die praktisch bedeutsamen Durchflussmengen hauptsächlich im ebenen Seil der Fehlerkurve. Im Falle von Strömungsmedien von hoher Viskosität jedoch fällt der Hocker gleich dem flachen Teil der Kurve in den · Geltungsbereich der Fehlerkurve, und dies führt au einer ziemlich hohen maximalen Abweichung.

In ?ig.3 und 4 sindizwei AusführungsbeispißLe eines Flügelradaurchflussmessers dargestellt, bei welchem vor dec Messflügelrad eine Einrichtung zum Erzeugen einer Verwirbelung in der Form einer Drosselstelle für die Strömung angeordnet ist. Dadurch wird absichtlich eine grosse anfängliche Turbulenz in dem zum Messflügelrad strömenden Medium erzeugt. Diese grosse anfängliche Verwirbelung vermindert die kritische Reynoldssche Zahl, so dass in, der Fehlerkurve von Fig.2 der Hocker nach links zur Ordinatenachse hin verschoben wird.

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Dies entspricht einer Erweiterung des Bereiches der turbulenten Strömung, so dass ein breiterer Bereich der linearen Strömungsmessung verfügbar ist. Die in der Strömung hervorgerufene Turbulenz schafft ausserdem eine gleichmässigere Geschwindigkeitsverteilung, insbesondere im laminaren Strömungsbereich, und diese trägt zur weiteren Verbesserung der Hessgenauigkeit des Messgeräts in diesem Strömungsbereich bei.

Der in IJ¹Ig. 3 und 4 gezeigte Axi a Is tr b^aungs flügelrad durchflussmesser besteht aus' einem in zwei Abschnitte 20, % 26 unterteilten zylindrischen Rohr, in dem ein stromlinienförmig ausgebildeter Verdrängungskörper angeordnet ist, der gleichfalls in zwei Abschnitte 22, 28 unterteilt ist., Der vordere Abschnitt 22 des Verdrängungskörpers iut mittels nicht dargestellter Streben koaxial im vorderen Rohrabschnitt 20 befestigt, und der hintere Abschnitt des Verdrängungskörpers ist koaxial im hinteren Rohrabschnitt mittels Streben 29 befestigt. Im Zwischenraum zwischen den beiden Abschnitten 22 und 28 des Verdrängungskörper ist ein Messflügelrad 30 gelagert, das über ein innerhalb des vorderen Verdrängungskörperabschnitts 22 untergebrachtes Übertragungsgetriebe mit einem Zählwerk in einem Zählwerks- Λ gehäuse 32 gekuppelt ist.

In dem ringförmigen Zwischenraum 46 zwischen dem vorderen Verdrängungskörperabschnitt 22 und dem vorderen Rohrabschnitt 20 ist eine Dros3elstellG für die Strömung dadurch gebildet, dass eine ringförmige Platte 40 vorgesehen ist, durch deren Öffnung der Verdrängungskörperabschnitt ragt. Die Begrenzuhgsflache 42 dieser Öffnung erweitert sich nach hinten kegelförmig, so dass an der Vorderseite eine scharfe kreisrunde Kante 42a gebildet ist, die dor ankommenden Strömung zugewandt ist. Dadurch wird beim Eintritt der ,Strömung in die Öffnung der Platte 40 eine Verwirbelung herbeigeführt.

BAD ORiGINAL

Der in Pig.4 dargestellte Axislströmungs-Plüjelraeldurc-hflusscesser unterscheidet sich von demjenigen von ?ig.3 nur dadurch, dass die Drosselstelle zua £r2öugöh öihör Yer- \irbelung in der Strömung durch eine kreisringförci^e 1-ls.tte 48 gebildet ist, die in deal fereisriögf3i?üiges Zwischenraum 46 an dem Terdrängungstcörpöräbschnitt 22 koaxial montiert ist. Diese Platte' 48 hat eine äussere kegelst tiicpfförci^e Umfangsfläche 48a, die ih solcher Weise nach hinten ao-göschrägt ist, dass eine äöhärfe" verwirbelttägserzetigenae Kante 48b an der der ähitöfiüöiicie'ii Strömung ^ugewöndoten Seite besteht.

Die Platten 40 bzw. 48 naöh ?ig.3 und 4 sind iö eineso grosseti Abstand in der StröraahgsriöfittiÖg for ftea Mess-■flügelrad 30 angeordnet, dass die hörtieigefühttö anfängliche Verwirbelung der Ströidiig diö ööüäuigkeit des Messgeräts > bäispielSweise infolge föti Witbet-ltratEen in der Nähe de'ä Auätrittehdes der Plätten $ nicht beeinträchtigt; Die Platten 40 tiüd 48 bei den Ausführ^ag spieien nach Fig.3 bzw. 4 erzeugen also eiöö gr"öSsS anfängliche Terwirbelung in eines vdrherbgltiadliü vor dem Kössflügoltad 30 *· DiiroH di^äe liäteö' Turbulenz wird diö kritische RöynoiaSiMi Iaht ia äer eben beschriebe'nöh Wöise detärt herSbgesit^t» täss Siä gröäserir Bereich der linearen Durehfiu3§ö63§tiÖ| fsiftigÜf geaaölit v.ird. Auf diese Weise wird der ätl alt pllisöhöä isyübläs^ schenZahi auftretende BdäfcÄi B^ tiigiij 1% töf föhletkurve 52 züf Drdiüätehäehsl* tllft tefÜllÜfef i# iisä flor Bereich dös ebeheti Kurvetllfesehnitti 14 fefliugÜl

Die Platten 40 lihd 48 stöilött ftirid zum Erzeügift einer Terwirbeiaag darf IiItI Mfiti lie fängliche Yitwirbeluhg ätich Sit äMIIÜ ^itoltt iiielcht werden, 2.B. düröh &1ύέ MU& von SiÜii liÜ Illlern»

inn ^BAD

die in einea geeigneten Abstand in der vor dem Messflügelrad angeordnet sind.

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BAD ORiQiNAL

Claims

Pate ntansprüche

1. Jlügelraddurchflussmesser mit einem drenbar gelagerten Hessflügelrad, welches durch, das strömende Medium in Drehung versetzt wird und mit einem Umdrehungszählwerk gekoppelt, ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Strömungsrichtung vor dem Messflügelrad eine Einrichtung angeordnet ist, welche dem strömenden Medium auch bei der kleinsten zu messenden Strömungsgeschwindigkeit eine bis über das Messflügelrad hinaus wirkende Turbulenz erteilt.

2. Flügelraddurchflussmesser nach Anspruch 1 mit einem stromlinienförmigen Verdrängungskörper,der koaxial in einem rohrförmigen Strömungskanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die die Turbulenz erzeugende Einrichtung eine in dem kreisringförmigen Zwischenraum zwischen dem Verdrängungskörper und dem Strömungskanal vor dem Messflüge!rad angebrachte Stelle verengten Querschnitts ist.

3. Flügelraddurchflussmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet., dass der verengte Querschnitt durch eine kreisringförmige Platte mit scharfer Kante an der der ankommenden Strömung zugewandten Seite gebildet ist.

4. Flügelraddurchflussmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte am Verdrängungskörper befestigt ist.

5. Flügelraddurchflussraesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte an der Innenseite des rohrförmigen Ströraungskanals befestigt ist.

6. riügelraddurcaflu33messer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte in der Nähe

jM-h$ß&- .3f;Lißtritts in den kreisringförmigen Zwischenraum angebracht ist. 1 09840/0 57 2

S ORIGINAL

7. Flügelraddurchflussrnesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die x'iirbiilons erzeugende Einrichtung aus mindestens einem Sieb besteht.

SAD ORIGINAL

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