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Durchflußmeßeinrichtung für flüssige und gasförmige Medien Die Erfindung
betrifft eine Durchflußmeßeinrichtung für flüssige und gasförmige Medien mit einem
in der Strömung des zu messenden Mediums angeordneten Hubglied, dessen Hubweg ein
Maß für den Durchfluß ist.
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Es sind viele derartige Durchflußmeßeinrichtunge.n unter der Bezeichnung
Schwebekörpermeßeinrichtungen bekannt.
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Hierbei wird ein beweglicher Körper, der unter Einfluß der Schwerkraft
oder eines elastischen Organs verschiebbar geführt ist, in einen veränderlichen
Querschnitt gestellt. Die Stellkraft ergibt sich aus der axialen Strömung am Umfang
des Schwebekörpers. Die Verschiebung des Schwebekörpers kann als dirketes Maß für
den Durchfluß abgelesen werden. Schwierigkeiten bietet die fehlerfreie Umwandlung
der Schwebekdrperstellung in ein technisch brauchbares Auagangsaignal. Außerdem
haben derartige Meßeinrichtungen ein großes Einstellvolumen und hierdurch bedingt
eine lange Einstellzeit, besonders im unteren Durchflußbereich. Weiter macht sich
die starke Viskositätsempfindlichkeit, bedingt durch den bei diesen Einrichtungen
vorhandenen ringspaltförmigen Drosselquerschnitt, störend bemerkbar. Dynamische
Messungen von pulsierenden Strömungen sind nicht mölih. Das Verhltnis des minimalen
Durchflusses zum maximalen Durchfluß (Meßbereich) ist ei dieser Bauart auf 1 : 10
begrenzt.
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Weiterhin sind sogenannte Durchflußwächter bekannt, die bei Unterschreiten
eines einstellbaren Minimalwertes bzw.
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bei Überschreiten eines einstellbaren Maximalwertes ein Signal abgeben.
Solche Durchflußwächter erbringen kein kontinuierliches Signal über die jeweils
gegenwärtige augenblickliche Durchflußgröße. Der Ansprechbereich beträgt maximal
1 : 5.
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Bei allen bekannten Durchflußmeßeinrichtungen mit einem in der Strömung
des zu messenden Mediums angeordneten Hubglied ist es mit Schwierigkeiten verbunden,
Durchflüsse unterhalt 1 cm3 pro Minute kontinuierlich zu erfassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen
und eine Durchfiußmeßeinrichtung mit grossem Meßbereich zu schaffen, die auch bei
kleinsten Durchflüssen ein kräftiges Ausgangssignal erbringt, unempfindlich gegen
Störeinflüsse und im Aufbau einfach und billig ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zu messende
Durchfluß durch eine in einem Gehäuse vorgesehene Bohrung geleitet wird, welche
eine erste Steuerkante aufweist und ein in Achsrichtung der Bohrung verschiebbar
geführtes Hubglied eine zweite teuerkante aufweist und durch den axialen Abstand
der beiden Steuerkanten ein Drosselquerschnitt mit im wesentlichen quer zur Achsrichtung
verlaufender Durchflußrichtung gebildet wird und das Hubglied mit einer der Durchflußrichtung
in der Bohrung entgegenwirkenden federnden Kraft beaufschlagt ist und das Hubglied
mit einer Wegaufnehmeranordnung gekoppelt ist und wenigstens der bewegliche Teil
des Wegaufnehmers innerhalb des Druckraums des zu messenden Mediums liegt.
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Eine derartige Durchflußmeßeinrichtung hat durch die Anpassung der
Blendenöffnung an den jeweiligen Durchfluß einen großen Meßbereich. Die Stellung
des Hubgliedes wird ohne Reibungsverluste von dem im Inneren des Ventilgehäuses
angebrachten Wegaufnehmer erfaßt. Dadurch ist die Messung hysteresefrei und unabhängig
vom Druck des Durchflußmediums.
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Die erste Steuerkante kann nac-h einem weiteren Merkmal der Erfindung
die Stirnkante der Bohrung sein. Das Hubglied kann bei dieser Ausführungsform die
Form eines Ventiltellers haben, wobei die zweite Steuerkante die Sitzkante des Ventiltellers
ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, daß das Hubglied aus einer einseitig
fest eingespannten Blattfeder besteht, deren freies Ende gegen die stirnseitige
Begrenzung der Bohrung angedrückt ist. Der Wegaufnehmer besteht bei dieser Ausführungsmöglichkeit
zweckmäßigerweise aus wenigstens einem auf der Blattfeder angebrachten Dehnungsmeßstreifen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsart der Erfindung kann vorgesehen
sein, daß die Bohrung zylindrisch ist und die erste Steuerkante die Kante zwischen
der Bohrung und einer quer zur Achsrichtung der Bohrung vorgesehenen Ausnehmung
ist und die zweite Steuerkante die Stirnkante eines das Hubglied bildenden in der
Bohrung dicht geführten Kolbens ist.
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Die Ausnehmung kann rechteckförmig ausgebildet sein.
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Damit wird eine lineare Meßcharakteristik erreicht.
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Die Ausnehmung kann auch rund sein. Damit wird im unteren Meßbereich
eine progressive Meßcharakteristik erzielt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Ausnehmung in chließrichtung
spitz verlaufend ausgebildet sein, wodurch eine stark progressive Neßcharakteristik
erreicht wird und damit selbst kleinste Durchflußmengen ein kräftiges Ausgangssignal
erbringen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsart liegt darin, daß infolge der
Gestaltung des Drosselquerschnitts inform einer Dreiecksblende bei äußerst geringer
Länge der Drosselstrecke eine viskositätsunemptindliche Messung möglich ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein,
daß die Bohrung zylindrisch ist, die erste Steuerkante aus der stirnseitigen Begrenzung
der Bohrung besteht und die zweite Steuerkante von einer Ausnehmung in einem das
Hubglied bildenden und in der Bohrung dicht geführten Kolben gebildet wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Wegaufnehmer ein
dem Hubweg des Hubgliedes analoges elektrisches Signal abgebende Wegaufnehmer. Diesem
analogen Wegaufnehmer kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindung unter
Zwischenschaltung eines Analog-Ligitalwandlers ein Zähler nachgeschaltet sein, wodurch
neben der Messung des Durchflußstroms auch eine Messung des Durchflußvolumens ermöglicht
wird. Zweckmäßigerweise verwendet man hierbei einen Drosselquerschnitt mit linearer
Öffnungscharakteristik.
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Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, daß der Wegaufnehmer ein
Wegaufnehmer mit digitalem Ausgangssignal ist.
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Der Wegaufnehmer kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung als
ein pneumatischer Wandler ausgeführt sein, der ein dem Hubweg des Hubgliedes analoges
pneumatisches Signal erbringt.
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Der Wegaufnehmer ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung als
ein hydraulischer Wandler ausgeführt, der ein dem Hubweg des Hubgliedes analoges
hydraulisches Signal erbringt.
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Die Wegaufnehmeranordnung kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung
einen die hubabhängige Federkraft aufnehmenden und ein analoges elektrisches Signal
abgebenden Kraftaufnehmer aufweisen.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausf:ihrungsbeispiel der Durchflußmeßeinrichtung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführngsbeispiel der Durchflußmeßeinrichtung;
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel; Fig. 4 eine Seitenansicht
der Zunge in der Anordnung gemäß Fig. 3; Fig. 5 eine elektrische Meßanordnung bei
Verwendung eines induktiven Wegaufnehmers; Fig. 6a bis 6d verschiedene Ausführungsmöglichkeiten
der Ausnehmung (Pos. 21) in Fig. 2; Fig. 7 die Abhängigkeit des tlubweges S vom
Durchfluß Q für die verachiedenen Ausführungsmöglichkeiten gemäß Fig. 6a bis 6d.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 ist in einem Gehäuse 1 eine Eintrittsöffnung
2 und eine Austrittsöffnung 3 für das zu messende Medium vorgesehen. In der Eintrittsöffnung
2 ist eine Büchse 4 mit einer Bohrung 5 und einer durch das obere Bohrungsende gebildeten
Steuerkante 6 dicht eingeschraubt. Gegen die Steuerkante 6 liegt ein Ventilteller
7 an, der mit einer Achse 8 und einem Spulenkern 9 fest verbunden ist. Die Achse
8 ist in einer Bohrung 10 in Achsrichtung der Bohrung 5 verschiebbar gelagert. Der
Spulenkern 9 ragt in den Innenraum 11 eines Spulenkörpers 12 mit einer Doppelspule
13 hinein.
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Der Innenraum 14 des Gehäuses 1 ist über Bohrungen 15 mit dem Innenraum
11 verbunden. Der Spulenkörper 12 ist durch eine Verschraubung 16 im Gehäuse 1 gehalten.
Die Verschraubung 16 dichtet gleichzeitig das Gehäuse 1 nach außen hin ab. Der Ventilteller-
7 wird durch eine Druckfeder 17 gegen die Steuerkante 6 angedrückt. Von der Doppelspule
13 führt eine elektrische anschlußlei tung 18 druckdicht nach außen.
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Das zu messende Medium durchströmt von der Eintrittsöffnung 2 kommend
die Bohrung 5 und hebt dabei den Federteller 7 entgegen der Kraft der Druckfeder
17 an, strömt in den Innenraum 14 und verläßt diesen durch die Austrittsöffnung
3. Der Hub des Ventiltellers 7 wird durch die Achse 8 auf den Spulenkern 9 übertragen.
Hierbei ändert sich die Induktivität in der Doppelspule 13. Das dadurch erzeugte
elektrische signal wird über die elektrische Anschlußleitung 18 nach aussen übertragen
und einer im einzelnen in Fig. 5 dargestellten Meßanordnung zugeführt.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist eine Büchse 4a mit einer
zylindrischen Bohrung 5a verseheinz in dieser Bohrung 5a ixt ein Kolben 19 mit einer
Steuerkante
20 dicht und in Achsrichtung verschiebbar eingepaßt. Die Büchse 4a weist eine Ausnehmung
21 auf. Das zu messende Medium durchströmt von der Eintrittsöffnung 2 kommend die
Bohrung 5a und hebt dabei den Kolben 19 entgegen der Kraft der Druckfeder 17 an,
strömt in den Innenraum 14 und verläßt diesen durch die Austrittsöffnung 3. Der
Hut des Kolbens 19 wird in der gleichen Art wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1 in
ein elektrisches Signal gewandelt und nach außen übertragen.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 ist in einem Gehäuse 30 eine Eintrittsöffnung
3l,'eine Austrittsöffnung 32 und ein Innenraum 33 vorgesehen. In der Eintrittsöffnung
31 ist eine Büchse 34 mit einer Bohrung 35 und einer durch das Bohrungsende gebildeten
Steuerkante 36 dicht eingeschraubt.
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Gegen die Steuerkante 36 liegt eine in einer Halterung 37 einseitig
eingespannte Blattfeder 38 mit ihrem freien Ende dicht an. Die Blattfeder 38 ist
beidseitig mit Dehnungsmeßstreifen 39 versehen, welche zu einer Halbtrücke geschaltet
sind. Von den Dehnungsmeßstreifen 39 führt eine elektrische Anschlußleitung 40 druckdicht
außerhalb des Gehäuses 30.
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Der Innenraum 33 ist durch eine Verschraubung 41 nach aus sen abgedichtet.
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Das zu messende Medium durchströmt von der Eintrittsöffnung 31 kommend
die Bohrung 35 und hebt dabei das freie Ende der Blattfeder 38 an, strömt in den
Innenraum 33 und verläßt diesen durch die Austrittsöffnung 32. Die in der Blattfeder
38 erzeugte Biegespannung wird durch die Dehnungsmeßstreifen 39 erfaßt und über
die elektrische Anschlußleitung 40 einer nicht im einzelnen dargestellten Meßanordnung
für Dehnungsmeßstreifen zugeführt.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 sind in einem Meßverstärker 50.ein
Netzteil 51, ein Oszillator 52, ein phasenathängiger Gleichrichter 53 und ein Impedanzwandler
54 angeordnet. Der MelSversturker k) ist durch eine drejadrige Leitung 55 mit der
opelspule 56 eines )urchflubmedgerates
57 verbunden, welches einen
Spulenkern 58 und ein Hubglied 59 besitzt. Der Meßverstärker ist außerdem mit einer
Spannungsquelle 59a und einem elektrischen Anzeigeinstrument 60 verbunden.
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Die firkungsweise der Meßanordnung ist wie folgt.
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Der Spulenkern 58 verändert bei einer Verschiebung durch das Hubglied
59 infolge magnetischen Nebenschlusses die Induktivitäten der' beiden Hälften der
Doppelspule, welche Zweige einer vom Oszillator 52 gespeisten Brückenschaltung sind.
Die in der Brückendiagonalen erzeugte, dem Verschiebeweg proportionale Wechselspannung
wird verstärkt und phasengesteuert gleichgerichtet und wirkt auf den Impedanzwandler
54, der die gleichgerichtete Spannung an das Anzeigeinstrument 60 anpaßt.
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In den Fig. 6a bis 6d sind verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der
Ausnehmung 21 gemäß Fig. 2 dargestellt. Die schraffierten Bereiche entsprechen dem
Öffnungsverlauf des Drosselquerschnittes in Abhängigkeit vom Hubweg S des Hubglied
es. Bei Null ist der Drosselquerschnitt geschlossen, während bei 100 % der Drosselquerschnitt
voll geöffnet ist.
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In Fig. 7 sind die verschiedenen Meßcharakteristiken entsprechend
Fig. 6a bis 6d in Kurvenform dargestellt, und zwar ist der Öffnungsweg in Abhängigkeit
vom Durchfluß Q aufgezeichnet. Die Kurve a entspricht der Ausnehmung gemäß Fig.
6a, die Kurve b entspricht der Ausnehmung gemäß Fig. 6b, usw. Zusätzlich ist eine
Kurve e eingezeichnet, die die Meßcharakteristik einer Ausnehmung entsprechend Pig.
6d bei Verwendung einer Ventilfeder (Pos. 17 in Fig. 2) mit steiler Hubcharakteristik
zeigt. Diese Anordnung, bei der die Progressivität im unteren Bereich verstärkt
ist, eignet sich besonders für die Messung von kleinsten Durchflüssen.