DE2108410C3

DE2108410C3 - Schaufelrad-Durchflußmesser

Info

Publication number: DE2108410C3
Application number: DE19712108410
Authority: DE
Inventors: Milton H. Monterey Park Calif. November
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: ITT Inc
Priority date: 1970-02-25
Filing date: 1971-02-22
Publication date: 1981-08-20
Also published as: FR2080762B1; NL7102355A; CH524136A; DE2108410B2; NL172697B; FR2080762A1; CA958248A; NL172697C; JPS5110788B1; DE2108410A1; GB1309516A

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaufelrad-Durchflußmesser entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bislang wurde in Schaufelrad-Durchflußmesser ein Stellrotor verwendet. In derartigen Geräten ist der

65 Rotor auf einer Achse drehbar und zugleich axial verschiebbar gelagert Bei sachgemäßem Aufbau fällt der Druck auf der Zuflußseite des Rotors unter den Druck auf seiner Abflußseite. Daher wird der Rotor bei konstanten Durchflußraten in einer stationären Lage zwischen zwei Flüssigkeitsdrucklagern gehalten und es entsteht kein wesentlicher Widerlager-Reibungsdruckverlust. Da die Drucklager flüssigkeitsbenetzt sind, entsteht keine Abnutzung und es treten nur geringe Reibungsverluste auf. Solche bekannten Durchflußmesser sind in den US-Patentschriften 26 83 224, 27 09 366, 27 09 755, 30 91 964 und 32 38 776 (DE-AS 11 68 656) gezeigt und beschrieben.

Aus der DE-OS 14 23 869 kennt man einen Strömungsmesser, bei dem in einem in Strömungsrichtung konisch sich verbreiternden Schild Kanäle enthalten sind, die eine Verbindung zu einer in Strömungsrichtung liegenden, zwischen Scnild und Rotor angeordneten Kammer herstellen.

Aus der DE-AS 11 68 656 ist ferner ein Durchflußmesser mit zwei konisch verlaufenden Diffusorteilen bekannt, in denen Bohrungen zur Erzielung eines Druckausgleiches vorhanden sind, der den Rotor gegen eine zu starke Annäherung an die Lagerträger sichert.

Werden diese bekannten Durchflußmesser beispielsweise in einer Flüssigkeit mit einer Viskosität von 1 Centipoise verwendet, so weisen sie einen Fehler in der Durchflußanzeige von ±0,5% über einen Bereich von 10 :1 mit einem Druckabfall von 0,55 bis 1,65 bar auf. Der Fehler ist erheblich, der Bereich ist verhältnismäßig eng und der Druckabfall sehr hoch. Die Fehlerbegrenzung ist natürlich eine Begrenzung der Meßgenauigkeit des Durchflusses. Der enge Bereich vermindert die Einsalzfähigkeit des Instrumentes. Der hohe Druckabfall erfordert eine übermäßige Kraft zum Durchpumpen einer Flüssigkeit durch das Meßinstrument. Der Bereich kann nur durch Übersteuerung des Durchflußmessers erweitert werden. Dies bewirkt wiederum, daß der Druckabfall noch größer wird. Eine Erweiterung des Bereichs kann daher nur durch Erhöhung der Kraft zum Durchpumpen einer Flüssigkeit durch das Meßinstrument erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es ist ein herausragender Vorteil der Erfindung, daß durch den Kanal im drehbaren Teil des Rotors die Genauigkeit über einen linearen Bereich noch weiter vergrößert wird, weil die den Kanal durchfließende Flüssigkeit winkelbeschleunigt wird. Diese Beschleunigung setzt dem Rotor einen Widerstand entgegen, der die Linearität des Instruments bei niederen Durchflußraten erhöht. Weiterhin wird der Widerstand bei hohen Durchflußraten herabgesetzt, weil sich der Rotor nahe am zuflußseitigen Diffusor bewegt und als Einengung im Flußpfad wirkt. Dadurch bleibt die Genauigkeit bei hohen Durchflußraten erhalten, denn der durch die Verengung bedingte Druckaufbau auf der Zuflußseite des Rotors verhindert, daß der Rotor den zuflußseitigen Diffusor berührt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Verminderung des Meßinstrumentenfehlers auf '/io°/o über einen Bereich von 15 :1 mit einem Druckabfall von 0,27 bar bei einer Flüssigkeitsviskosität von beispielsweise 1

Centipoise. Der Fehler gegenüber den bekannten Durchflußmessern wird daher um 80% vermindert, der Bereich um 50% erhöht und, im Falle eines größeren Bereiches, der Druckabfall um einen Faktor von 50% eher vermindert als erhöht

Das Meßgerät weist auch nur einen kleinen Fehler auf, wenn Flüssigkeiten mit wesentlich höheren oder niedrigeren Viskositäten als Wasser gemessen werden.

Die Erfindung wird anhand der Figuren der Zeichnung erläutert Es zeigt ι ο

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Durchflußmesser,

F i g. 2 einen spinnenförmig ausgebildeten Lagerträger, zur Lagerung des Rotors, von der Stirnseite gesehen,

Fig.3 einen Teil des Rotors in vergrößerter Darstellung und aufgeschnitten,

Fig.4 eine andere Ausführungsform des Rotors in vergrößerter Darstellung und aufgeschnitten,

Fig.5 eine graphische Darstellung der Arbeitscharakteristik von Durchflußmessern,

F i g. 6 eine graphische Darstellung des Reibungsfaktors in Beziehung zur Reynoldsschen Zahl,

F i g. 7, 8 und 9. graphische Darstellungen von Arbeitscharakteristiken bekannter Durchflußmesser.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

In Fig. 1 ist ein Durchflußmesser 10 dargestellt, der ein Rohr 11 aus unmagnetischem Material aufweist, in dem ein Rotor 12 durch spinnenförmig ausgebildete Lagerträger 13 und 14 gelagert ist.

Die spinnenförmig ausgebildeten Lagerträger 13 und 14 sind identisch. Der Lagerträger 13 enthält vier Hohlzylinder 15, die miteinander und mit einem zylindrischen Achslager 16 verschweißt sind. Der Lagerträger 14 weist ebenfalls vier miteinander und mit einem zylindrischen Achslager 18 verschweißte Hohlzylinder 17 auf. Die Hohlzylinder 17 und das zylindrische Achslager 18 sind in F i g. 2 dargestellt. Anstelle von vier Hohlzylindern können auch nur drei Hohlzylinder 15 und 17 verwendet werden. Die Hohlzylinder 15 und 17 sind aus Federmaterial hergestellt, damit sie im Inneren des Rohres 11 von diesem passend umschlossen werden.

An den entgegengesetzten Enden der Lagerträger 13 und 14 sind Scheiben 19 angeordnet. Durch die gesamte Anordnung führt eine Achse 20, die an ihren Enden Muttern 21 bzw. 22 trägt. Die Muttern 21 und 22 sind soweit festgezogen, daß die Achse 20 immer unter Spannung steht. Ein zuflußseitiger Diffuso^r 23 wird zwischen den Scheiben 19 gegen einen abflußseitigen Diffusor 24 gepreßt. Der Diffusor 23 trägt ein Lager 25. der Diffusor 24 ein Lager 26. Zwischen den Lagern 25 und 26 ist ein Zylinder 27 axial eingespannt und dadurch in einer festen Stellung auf der Achse 20 gehalten. Das heißt, daß der Zylinder 27 weder axial auf der Achse 20 verschiebbar noch drehbar ist. Der Rotor 12 ist im wesentlichen einstückig aus Metall hergestellt. Er enthält eine Nabe 28. an welcher Schaufeln 29 befestigt sind. Die Nabe 28 weist einen zylindrischen Ansatz 30 auf, der in einer zylindrischen Aussparung 31 des Diffusors 23 gleitet. In der Mitte der Nabe 28 ist ein Zylinder 32 befestigt, der zusammen mit dem festen Zylinder 27 ein Lager bildet. Der Zylinder 27 weist an seinem Umfang eine mittig angeordnete flache Ringnut 33 auf. Der Diffusor 23 ist mit einer über den Rand 35 der Nabe 28 hinausragenden Lippe 34 versehen. Der abflußseitige Diffusor 24 weist eine identische Lippe 36 auf. Der beschriebene Durchflußmesser 10 ist vollkommen symmetrisch zu einer senkrecht zur Achse 20 durch die Mitte der Schaufeln 29 verlaufenden Ebene aufgebaut Bis auf die Schaufeln 29 ist er auch rotationssymmetrisch zur Achse 20. Aus dieser Symmetrie fällt nur die Bohrung 37 durch die Nabe 38 heraus, die in F i g. 3 gezeigt ist

In F i g. 3 ist ferner zu erkennen, daß der Zylinder 27 Endstücke 38 und 39 aufweist

Während des Betriebes des Durchflußmessers 10 sind Mittel vorgesehen, die das Vorbeigehen jeder Schaufel 29 an einer Stelle oder mehreren Stellen am Umfang des Rohres 11 einzeigen. Dies kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Zum Beispiel kann ein magnetischer Abgriff verwendet werden, wenn die Schaufeln 29 aus ferromagnetischem Material bestehen. In diesem Fall ist die Anzahl der erzeugten Impulse proportional der Geschwindigkeit der Flüssigkeit, die durch das Rohr 11 fließt, oder proportional der Durchflußrate.

Wirkungsweise

Beim Betrieb des Durchflußmessers 10 bewirkt die Lippe 34, daß dsr Druck auf der linken Seite der Nabe 28 unter den Dru-k auf der rechten Seite der Nabe 28 abfällt. Dies rührt daher, weil der Druck in einer Ebene quer zur Achse 20 am Ort der Lippe 34 nicht gleichmäßig ist. Die Lippe 34 bewirkt einen raschen Anstieg der Durchflußgeschwindigkeit von links nach rechts entsprechend der Darstellung in F i g. 1. Wenn die Flüssigkeit die rechte Seite der Nabe 28 erreicht, ist der Druck angestiegen und im wesentlichen gleichmäßig. Jedoch kann die Lippe 30 diesen Druck noch weiter erhöhen. Bei Durchflußraten von Null und wenig darüber bewegt sich der Rotor 12 in seine ganz rechte Stellung, selbst wenn der Druck auf der Zuflußseite der Nabe 28 geringer ist, als auf ihrer rechten Seite. Dies kommt daher, weil an der Nabe 28 ein ausreichender Differenzdruck auftritt, der dem hohen Reibungswiderstand des Rotors 12 entgegenwirkt. Wenn der Durchfluß steigt, erhöht sich der Druckdifferenz und der Rotor 12 wandert nach links, während der Druck auf der rechten Seite ansteigt. Ohne die Bohrung 37 würde die Nabe 28 oder der Zylinder 32 das rechte Ende des Diffusors 23 berühren und eine Fehlfunktion des Durchflußmessers hervorrufen. Die Bohrung 37 ermöglicht jedoch, daß der erhöhte Druck rechts auf der Ablußseite der Nabe 28 durch die Bohrung 37 abströmt und verhindert, daß die Nabe 28 oder der Zylinder 32 an den Diffusor 23 oder das Lager 25 anstößt. Die Drehbewegung des Rotors 12 kann sehr groß sein im Vergleich zur axialen Bewegung des Rotors 12 auf dem Zylinder 27. Eine Axialbewegung des Rotors 12 aut dem Zylinder 27 tritt nur auf, wenn sich die Durchflußrate ändert.

Bei niederen Durchflußraten wird eine verbesserte Linearität dadurch erreicht, daß durch die Bohrung 37 zu- oder abströmendes Wasser winkelbeschleunigt wird. Dies wirkt hemmend auf den Rotor 12. Bei hohen Durchflußraten wird jedoch eine gleichb'eibende Genauigkeit beibehalten, weil bei der Annäherung der Nabe 28 an den Diffusor 23 sich der Durcnfluß durch die Bohrung 37 verringert. Diese Verringerung kommt durch die Annäherung der Nabe 28 an den Diffusor 23 zustande. Die Flüssigkeit kann dann nicht so leicht aus der Bohrung 37 und aus dem Spalt zwischen der Nabe 28 und dem Diffusor 23 ausströmen. Daher ist nur wenig Flüssigkeit pro Zeiteinheit im Winkel zu beschleunigen. Die Durchflußrate durch die Bohrung 37 wird aufgrund dieser Einschränkung vermindert.

Der Rotor 12 oder die Nabe 28 berührt weder den Diffusor 23 noch den Diffusor 24. Die Flüssigkeitsdrucklager sind für geringe Widerlagerreibung ausgelegt.

Der Ansatz 30 liegt angrenzend zur umgebenden zylindrischen Aussparung des Diffusors 23. Bei der Bewegung des Rotors 12 nach links wird dadurch der Durchfluß von Flüssigkeit zwischen dem Diffusor 23 und dem Ansatz 30 weiter eingeschränkt und ist proportional zum Abstand des Rotors 12 zum Diffusor 23.

Obwohl die Wirkungsweise des Durchflußmessers 10 bei einem Flüssigkeitsdurchfluß von links nach rechts in F i g. 1 beschrieben wurde, ermöglicht die im wesentlichen vollständige Symmetrie des Durchflußmessers 10 auch die Verwendung für Durchflußmessungen von rechts nach links in Fig. 1. ,

Je nach Wunsch können entweder eine Bohrung 37 oder mehrere Bohrungen 37 vorgesehen werden. Im dargestellten Fall wird nur eine Bohrung 37 benutzt.

Andere Ausführungen

In F i g. 4 ist ein Rotor 50 zwischen den Diffusoren 51 und 52 drehbar gelagert. Der Rotor 50 ist einstückig mit einer Achse 53 ausgebildet, die in Ausnehmungen der Diffusoren 51,52 lagert. Die Achse 53 sowie den Rotor 50 durchzieht ein Kanal 54.

Die Arbeitsweise des Durchflußmessers nach der Erfindung wird im folgenden erklärt.

In F i g. 5 ist eine Kurve der Arbeitscharakteristik eines bekannten Durchflußmessers mit 55 bezeichnet. Eine andere Durchflußmessercharakteristikkurve ist mit 56 bezeichnet Die Kurve 56 gehört zu dem Durchflußmesser nach der vorliegenden Erfindung. Auf der Ordinate R sind die Umdrehungen pro Volumeneinheit aufgetragen. Auf der Abszisse Q ist die Durchfiußrate in Volumen pro Zeiteinheit, z. B. Gallons pro Minute, aufgetragen. Eine waagrechte Gerade 57 ist eingezeichnet und würde die ideale Kurve für jeden Durchflußmesser darstellen. Diese Kurve zeigt, daß absolut kein Fehler des Durchflußmessers bei der Messung entsteht. Jedoch muß darauf hingewiesen werden, daß der Wert von R in Höhe der Geraden 57 nicht gleich Null ist.

Die Geraden 58 und 59 begrenzen den angestrebten erlaubten Fehler.

Es ist zu bemerken, daß die Kurven 55 und 56 außer einem gewissen Bereich, der etwas größer ist als die Strecke B\ nahezu gleich verlaufen.

Die Kurve 55 weist eine Ausbauchung 60 auf, die über die angestrebten Fehlertoleranzen hinausreicht Diese Ausbauchung 60 wird durch eine Erscheinung bewirkt die anhand einer Kurve 61 in F i g. 6 erklärt werden kann.

In Fig.5 ist / der Rcibungsfaktcr und ,Vs die Reynoldssche Zahl. Die Kurve 61 hat einen Bereich A, der einer laminaren Strömung, einen Bereich B, der einer Übergangs-Strömung und einen Bereich C der einer turbulenten Strömung entspricht Die Bereiche A, B und C werden durch Dividieren der positiven Abszissen durch die Linien 62 und 63 gebildet

/v_Ä —

dabei ist

ο = Dichte
V = Geschwindigkeit
D = Rohrdurchmesser und
u = Viskosität

Bei einer gegebenen Flüssigkeil und gegebenem Rohrdurchmesser sind ρ, D und μ konstant. Daher erhöht sich Nr mit V, Die Erhöhung von V bewirkt daher ein Abfallen von /im Bereich A, weil sich Vmit Nr erhöht.

Der Widerstand F am Rotor des Durchflußmessers wird dargestellt durch die Gleichung

F = K_r

dabei ist Kp eine Funktion von F und g ist die Erdbeschleunigung.

Daher vermindert sich Ka wenn /abnimmt und Vund Nr erhöhen sich im Bereich A. Der verminderte Widerstand bewirkt eine erhöhte Rotordrehzahi und damit die Ausbauchung 60 in der Kurve 55. Die Bereiche A', B' und C in F i g. 5 entsprechen den Bereichen A bzw. ßbzw. Cin Fi g. 6.

Die die Bohrung 37 durchströmende Flüssigkeit wird winkelbeschleunigt. Dies erzeugt einen Widerstand am Rotor 28. Der Widerstand vermindert die Rotorgeschwindigkeit bis zur Kurve 56 in F i g. 5. Bei hohen Werten von Q tritt auf der Kurve 56 keine Geschwindigkeitsherabsetzung auf, weil sich der Rotor 28 nahe am Diffusor 23 bewegt, wenn er sich mit hoher Drehzahl dreht und der Hauptfluß von links nach rechts in F i g. 1 verläuft. Die Flüssigkeit in der Bohrung 37 kann dann aufgrund der vorgesehenen Verengung nicht so leicht radial zwischen dem Rotor 28 und dem Diffusor 23 heraustreten. Diese Verengung wird durch den Rotor 28 erzeugt, der sich ganz nahe am Diffusor 23 bewegt

In den F i g. 7,8 und 9 sind Kurven 62 bzw. 63 bzw. 64 dargestellt. Die Kurve 62 entspricht der Kurve 55 für Wasser. Die Kurve 63 entspricht einer Flüssigkeit mit einer geringeren Viskosität und ebenfalls geringerer Dichte als Wasser. Die Kurve 64 entspricht einer Flüssigkeit mit einer sehr viel höheren Viskosität und geringerer Dichte als Wasser.

Der Durchflußmesser gemäß F i g. 1 ist im wesentlichen ein Universalmeßgerät Das bedeutet daß er für Meßflüssigkeiten mit Viskositäten verwendet werden kann, die sich über einen großen Bereich ändern. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß viele Flüssigkeiten mit gegenüber Wasser unterschiedlicher Viskosität eine geringere Dichte als Wasser aufweisen. Wenn diese Flüssigkeiten durch die Bohrung 37 fließen, wird aufgrund der Beschleunigung der Flüssigkeit der Rotor 28 keinem so großen Widerstand ausgesetzt In diesem Fall ist zu jeder Zeit nur eine geringe Menge in der Bohrung 37.

Ein weiterer KompsnEationsfaktor ist, daß bei sehr hohen Viskositäten der Durchfluß durch die Bohrung 37 langsamer vonstattengeht und der Bereich, in dem vom Rotor 28 Energie auf die Flüssigkeit in der Bohrung 37 übertragen wird, kleiner ist als bei niederen Viskositäten. Daher ist der Widerstand gering.

Beide Faktoren — niedere Dichte und hohe Viskosität — machen die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ungewöhnlich einsatzfähig für einen breiten Viskositätsbereich. Durch die Erfindung wird bewirkt daß die Ausbauchung an dem einer niederen Geschwindigkeit entsprechenden Ende der Kurve 62 auf einen genaueren Stand abfällt Die Erfindung bewirkt jedoch nicht ein Abfallen der Kurven 63 oder 64.

Es sei bemerkt daß der Durchflußmesser nach der

vorliegenden Erfindung einen geringeren Fehler über einen größeren linearen Bereich aufweist, weil die Kurve 56 in Fig. 5 die innere Durchflußniesserdiaraktcristik von einem Punkt 65 an zwischen die Geraden 58 und 59 abfallen läßt.

Der Meßbereich ist zu kleinen Diirchflußralen hin erweitert. Ist beispielsweise der Bereich der Kurve "5¹I annähernd

C"
A' I Ii'

= 12:7 = 1,7:1

dann ist der Bereich der Kurve 56 etwa

Ii' I

A'

= 17:2 = 8,5:1.

Eine Verbesserung bei niederen Durchflußraten bewirkt eine gewaltige Vergrößerung des Linearbereichs. Wenn der Bereich anfänglich 10:1 ist, ergibt eine füiifprozentige Erhöhung im Bereich am unteren Ende ein Bereichverhältnis von 20 : I.

Hierzu .1 lihilt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaufelrad-Durchflußmesser, mit einem ein axiales Spiel aufweisenden Rotor, je einem Diffusor zu beiden Seiten desselben, deren Außendurchmesser in Strömungsrichtung zu- bzw. abnimmt, und in Nähe des Rotors mindestens so groß ist wie der Durchmesser seiner Nabe und die mit ihrer der Rotornabe zugewendeten Stirnfläche jeweils einen Zwischenraum begrenzen, in den je eine Leitung mündet zum Beeinflussen des statischen Druckes auf beiden Seiten der Rotornabe, dadurch gekennzeichnet, daß diese Druckausgleichsleitungen von einem die beiden Zwischenräume verbindenden Kanal (37, 54) gebildet sind, der vollständig innerhalb des Rotors (12) verläuft und innerhalb des Randes (35) der Rotornabe (28) in die Zwischenräume mündet.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kanal (37) exzentrisch zur Mittelachse durch die Rotornabe (28) erstreckt (F ig. 3).

3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (23) an seinem dem Rotor (12) benachbarten Ende eine rundum verlaufende radial nach außen ragende Lippe (34) aufweist, deren Außendurchmesser größer ist als der der Rotornabe (28), daß das Mittelteil der Rotornabe (28) langer ist als ihr Außenteil und einen Ansatz (30) aufweist, der in Berührung mit dem Diffusor (23) in demselben verschiebbar ist, daß der Diffusor (23) eine zylindrische Aussparung aufweist, die den Ansatz (30) aufnimmt, daß die Rotornabe (28) eine zylindrische Bohrung aufweist, daß eine in Beziehung zum Diffusor (23) befestigte Achse (20) die Bohrung durchdringt und die Rotornabe (28) auf dieser Achse (20) drehbar und axial gleitbar gelagert ist, daß die Achse (20) Nuten aufweist, die den Durchfluß von Flüssigkeit zwischen Achse (20) und Bohrung erlauben, daß ein zentraler Teil der Achse (20) einen geringeren Durchmesser aufweist als ao deren Enden, die mit drei spiralförmigen Nuten versehen sind, und daß das Außenteil der Rotornabe (28) als Kanal (37) eine Längsbohrung aufweist, die in einem gewissen Abstand vom Außendurchmesser der Rotornabe (28) verläuft.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (50) an seiner Achse (53) befestigt ist und der Kanal (54) in der Achse (53) vorgesehen ist (F i g. 4).

5. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) eine durchbohrte Rotornabe (28) aufweist, deren Bohrung mit einem Hohlzylinder (27) versehen ist, und daß eine Achse (20) die Diffusoren (23, 24) und den Zylinder (27) durchdringt.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (20) an beiden Enden mit Gewinde versehen ist und je eine Mutter (21,22) an jedem Ende der Achse (20) die Diffusoren (23,24) fest gegen den Zylinder (27) anpreßt, so daß sich dieser nicht verdrehen kann.