DE2108410C3 - Schaufelrad-Durchflußmesser - Google Patents
Schaufelrad-DurchflußmesserInfo
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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 Diffusor 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
/vÄ —
dabei ist
ο = Dichte
V = Geschwindigkeit
D = Rohrdurchmesser und
u = Viskosität
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 = Kr
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'
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 (6)
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.
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