DE2254482A1

DE2254482A1 - Durchflussmesser fuer fluessigkeiten und gase

Info

Publication number: DE2254482A1
Application number: DE2254482A
Authority: DE
Inventors: Tor Lennart Bernt Griverus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-11-10
Filing date: 1972-11-07
Publication date: 1973-05-30
Also published as: IT970605B; DE2254482C3; IT970606B; HU166706B; DE2254481C3; GB1406040A; AU466499B2; NO137028B; DE2254481B2; CA970592A; DE2254481A1; FR2159514B1; NL157105B; NO137028C; JPS573002B2; DK139048C; DK140488C; FR2161956A1; NO137736B; SU803869A3

Description

Durchflußmesser für Flüssigkeiten und Gase

Die Erfindung betrifft Durchflußmesser für Flüssigkeiten und Gase, also Vorrichtungen, die so gebaut sind, daß sie die Strömungsparameter von strömenden Medien messen. Unter dem
Begriff Strömungsparameter werden die physikalischen Größen
verstanden_y die normalerweise im Hinblick auf strömende Fluids oder aus mehreren Komponenten bestehende Medien von Interesse sind« Beispiele für derartige Größen sind der Massenstrom₉
Volumenstrom und die Strömungsgeschwindigkeit., Die erfindungsgemäß an derartigen Strömungsmessern erzielten Verbesserungen sind jedoch nicht allein für herkömmliche Verfahren zur Messung von Fluidströmungsparametern verwendbar, sondern lassen sich
auch zur Steuerung bzw_o Regelung und Überwachung von Systemen benutzen, und zwar als Übertragungselemente zur Erzeugung
eines Steuersignals, das von den Strömungsparametern des
Fluids linear abhängig ist_o

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Es sind Durchflußmesser bekannt, in denen das zu messende Medium tangential in eine kreisrunde oder ringförmige Kammer geführt und veranlaßt wird, die Kammer zu durchströmen, wobei es eine Kreisbahn- oder Drehbewegung ausführt. In der Kammer ist ein Element zur Ermittlung der Strömungsparameter des strömenden Mediums angeordnet, das normalerweise die Form einer freibeweglichen Kugel aufweist, die das sich auf einer Kreisbahn bewegende Medium begleitet und sich auf einer endlosen Bahn rund um die Kammerwände bewegt. Die Eintritts- und Austrittskanäle sind so angeordnet, daß sie sich in einer Weise in Richtung auf die Kammer erstrecken, so daß bei jeder Umdrehung die Kugel jeden Eintrittsstrahl des in die Kammer eintretenden Mediums passiert. Die Bewegung des Ermittlungselementes in seiner Bewegungsbahn, oder genauer Geschwindigkeit oder Drehzahl dieses Elementes, bildet eine Größe, die zu dem zu messenden Parameter in einer bestimmten Beziehung steht. Derartige Durchflußmesser weisen gewöhnlich keine herkömmlichen Lager auf, und die Bewegungen des Ermittlungselementes werden oftmals durch Einrichtungen registriert, die nicht mechanischer Art sind.

Bekannte Durchflußmesser dieser Art, die normalerweise zur Messung kleiner Mengenströme dienen, weisen eine Anzahl Nachteile auf, die hauptsächlich mit der Konstruktion der Durchflußmeßkammer und der erzwungenen Bewegung des Ermittlungselementes rund um die kreisförmige Wand der Kammer in Zusammenhang stehen. Bei dem oben erwähnten konstruktiven Aufbau solcher Durchflußmesser, also bei den Durchflußmessern, die eine kreisrunde Kammer aufweisen, die mit einer oder mehreren Eintrittsöffnungen versehen ist, die sich in Richtung auf den Innenraum der Kammer erstrecken, wird das Ermittlungselement, also beispielsweise eine Ermittlungs- oder Beobachtungskugel, dazu gezwungen, jedesmal dann, wenn es auf seiner Kreisbahn einen Umlauf vollendet hat, die eintretenden Strahlen des zu messenden Mediums zu passieren. D_oh,, daß immer dann, wenn die Kugel

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den Strom des eintretenden Mediums durchquert, sie die Bereiche der kreisrunden Kammer verläßt, in denen die Geschwindigkeit des Mediums an niedrigsten ist, und in einen Bereich, also den Bereich des eintretenden Mediumstrahls, gedruckt wird, wo die Geschwindigkeit des Mediums ein Maximum aufweist. Somit wird die Kugel starken, ungesteuerten Besehleuiiigungskräften ausgesetzt, die zu starken Stoßen zwischen den pfänden der Kammer und der Kugel führen· Das hat zur Folge, daß die Kugel und die Kammerwände rasch verschleißen, und der Durchflußmesser mit einem hohen Geräuschpegel arbeitet sowie mit einem hohen Druckverlust und ferner auch mit einer nichtlinearen Abhängigkeit zwischen den Strömungsparametern und der Umlauf- oder Kxeisbahngeschwindigkeit der Kugel_o Des weiteren macht es die kreisrunde Form der Kammer unmöglich, durch die Kammer hindurch eine symmetrische Strömung aufrechtzuerhalten, d_oh_o ein Strömungsbild zu erhalten, bei dem das Strömungsmittel in gleichmäßigen^ spiralförmigen Strömungslinien durch die Kammer wandert· Das Strömungsmittel folgt der kreisrunden Wand und wird in Strömungswege oder -linien gezwängt_s die von der gewünschten spiralförmigen Bahn an den verschiedenen Stellen rund um den Umfang der Wand in unterschiedlichem Maße abweichen» Dadurch wird bewirkt, daß auch die Geschwindigkeit der Kugel auf der Kreisbahn variiert, wodurch sich der Nachteil eines ungleichmäßigen Verschleißes einstellte

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine einfache und preiswerte Strömungskammer des Wirbeltyps für Durchflußmesser zu schaffen, die in der Lage sind, Strömungen praktisch jeder Menge zu messen, und den Durchflußmesser so auszubilden, daß er relativ geräuschlos arbeitet und daß die Gefahr eines ungleichmäßigen Verschleißes im System praktisch ausgeschaltet ist«, Des weiteren soll die erfindungsgemäße Strömungskammer so eschaffen sein, daß die Geschwindigkeit des Strömungsmittels in einem bestimmten Kammerbereich, in dem Messungen vorgenommen werden können, in einem sehr, hohen Maße

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linear von den Strömungs- oder Durchflußparametern abhängt· Des weiteren soll die erfindungsgemäße Strömungskammer so beschaffen sein, daß die Geschwindigkeit des Strömungsmittels innerhalb des genannten Kammerbereiches einer Fluidverstärkung ausgesetzt wird, so daß die Strömungsmittelgeschwindigkeit in diesem Bereich die Strömungsmittelgeschwindigkeit an der Kammereintrittsöffnung weit übersteigt.

Ein Durchflußmesser des genannten Typs, der mit einer Strömungskammer ausgestattet ist, die die oben angeführten Ziele verwirklicht, bildet ein Meßgerät, das für äußere Beschleunigungskräfte, die auf den Durchflußmesser einwirken, unempfindlich ist, relativ geräuschlos arbeitet, einen geringen Druckabfall aufweist und ein hohes Maß an Linearität und Reproduzierbarkeit besitzt und schließlich auch einen breiteren Arbeitsbereich als bisher bekannte Durchflußmesser der beschriebenen Art·

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Durchfluß— messer zur Messung der Strömungsparameter von flüssigen, gasförmigen und mehrere Komponenten aufweisenden Medien gelöst, der ein Gehäuse aufweist, das eine Strömungskammer einschließt, durch die das Strömungsmittel fließt, während es in einer Wirbelbewegung drei bestimmte, konzentrische Strömungszonen durchläuft, nämlich eine Eintrittszone, eine Austrittszone und eine mittlere FUhlerzone, in der die Strömungsparameter des Strömungsmittels ermittel und gemessen werden· In der Eintrittszone ist eine Einrichtung vorhanden, mit der das Strömungsmittel so geführt wird, daß alle Strömungsmittelteilchen die Grenzfläche zwischen der Eintrittszone und der Fühlerzone einheitlich durchqueren, d.h« mit derselben Geschwindigkeit und unter demselben Winkel zu einem Radius, der sich von der Grenzfläche zum Mittelpunkt der Austrittszone erstreckt«

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert· In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine waagerechte Schnittansicht einer erfindungsgetnäßen Meßkammer mit einer schematischen Darstellung des inneren geometrischen Aufhaus der Kammer,

Fig» 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 das Strömungsfeld innerhalb eines Teils der Kammer,

Fig. 4 und 5 Magramme, die den Verlauf der Strömung innerhalb eines Teils der Kammer verdeutlichen,

Fig. 6 eine waagerechte Schnittansicht eines Durchflußmessers, der mit der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Kammer versehen ist, und zwa'r längs der Linie ,VI-VI in Fig. 7f

Fig. 7 eine Querschnittsansicht längs der Linie VII-VII in Fig. 6,

Fig. 7a eine Querschnittsansicht ähnlich der von Fig. 7, die jedoch eine andere Ausführungsform der Meßkammer darstellt,

Fig» 8 eine schematische waagerechte Schnittansicht eines Durchflußmessers, der mit der Strömungskammer nach der zweiten Ausführungsform versehen .ist, und zwar längs der Linie VlII-VIII in Fig₀ 9,

Fig. 9 eine Querschnittsansicht längs der Linie IX-IX in Fig. 8,

Figo 10 einen Durchflußmesser mit einer Meßkammer gemäß der Erfindung_s die jedoch mit einem modifizierten Fühlerelement ausgestattet ist,

Fig. 10a eine Ansicht derselben Meßkammer wie in Fig« 10, jedoch wiederum mit einem anderen Kühlex&ement,

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Fig. 10b und 10c Einzelheiten des in den Fig« 10 bzw. 10a gezeigten Fühlerelementes,

Fig. 11 eine Querschnittsansicht längs der Linie XI-XI in Fig. 10,

Fig. 12 eine Querschnittsansicht ähnlich der von Fig. 11,

die jedoch eine andere Ausftihrungsform der Anzeigevorrichtung aufweist, und

Fig. 13 einen Durohflußmesser mit einer Meßkammer mit doppelter Eintrittsöffnung.

In den Fig„ 1 und 2 ist schematisch die innere geometrische Form der Durchflußmeßkammer des erfindungsgemäßen Durchflußmessers dargestellt. In Draufsicht wird die Kammer außen von einer Wand 10 begrenzt, die von der Außenseite 12 der Mündung eines Eintrittskanals ausgeht und spiralförmig rund um die Kammer läuft, deren Mittelpunkt bei 0 liegt, und auf der Innenseite lh der Eintrittsöffnung endet, wobei die Spiralform vorzugsweise logarithmisch ist» Betrachtet man die Kammer im Querschnitt, wie in Fig. 2 gezeigt, so wird sie von oberen und unteren ebenen Wänden 16 und 18 begrenzt» Der Mittelteil der Kammer steht mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden Austrittsöffnung in Verbindung, die konzentrisch zur Kammer liegt und bei der dargestellten Ausführungsform mit der unteren Wand 18 verbunden ist. Was die Eigenschaften des in der Kammer vorhandenen Strömungsfeldes anbelangt, so ist das Innere der Kammer so gebaut, daß es in eine Eintrittszone A, eine Fühl- oder Ermittlungszone B und eine Austrittszone C unterteilt ist. Die Eintrittszone und die Fühlzone sind durch eine imaginäre zylindrische Oberfläche getrennt, die sich konzentrisch zur Austrittsöffnung erstreckt und im wesentlichen tangential zum Eintrittskanal an der Innenseite lh der Mündung des Kanals angeordnet ist_o Diese Grenze oder Strömungsmittelgrenzfläche ist bei 22 gezeigt. In ähnlicher Weise sind die Fühl- und Austrittszonen B bzw. C duroh eine imaginäre zylindrische Oberfläche oder Strömungsmittelgrenzfläche getrennt, die eine imaginäre Verlängerung der zylindrischen Austrittsöffnung 20 bildet, welche sich in die Kammer hineinerstreckt,

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wie dies durch das Bezugszeichen 2h dargestellt ist.

Bei dieser Kammerkonstruktion bewegt sich das Strömungsmittel) das in der sich verjüngenden Eintrittszone A fließt, die eine logarithmische Spiralform aufweist_p schrägt so in die Fühlzone B hinein, daß in dem ganzen Strctaigsaittelfluß bei dessen Durchgang durch die Grenzfläche 22 zwischen diesen Zonen dieselben Strömungsbedingungen herrschen, d.h. das Strömungsmittel passiert die Grenzfläche in einer Richtung, die so gewählt ist, daß die ganze Strömung in die Fühlzone unter demselben Winkel zu einem Radius eintritt, der zum Mittelpunkt 0 der Austrittsöffnung führt, sowie mit einer Geschwindigkeit gleicher Größe, und zwar an jeder beliebigen Stelle längs der Grenzfläche 22. Des weiteren weist der Strömungsmittelfluß durch die Kammer, die aus ebenen, beidseitig parallelen Wänden besteht, praktisch überhaupt keine Axialkomponenten auf. Zur Messung der Strömungsparameter kann die^ühlzone B ein Bewegungsermittlungselement aufnehmen« Bei den im folgenden beschriebenen bei- . spielsweisen Ausführungsformen ist in der Fühlzone B ein bewegliches Element angeordnet, das veranlaßt wird, sich unter der Wirkung des durchfließenden Mediums längs einer kreisrunden Bahn zu bewegen, die konzentrisch zur Kammer verläuft« Das erwähnte gleichförmige Einströmen des Mediums mit der sich daran anschließenden symmetrischen Strömung in der Fühlzone stellt ein grundlegendes Merkmal des erfindungsgemäßen Durchflußmessers dar und bildet die Grundlage, auf der die äußerordentlich erwünschte Linearität in den mit .dem Durchflußmesser erhaltenen Meßwerten, die die bisher bekannten Durchflußmesser nicht bieten, erreicht wird, d_oh_o die von dem Fühlelement innerhalb aller praktisch möglichen Grenzen gelieferten Anzeigewerte sind in einem hohen Maß direkt proportional der Geschwindigkeit oder dem Volumenstrom des durchströmenden Mediums₀ Um ein besseres Verständnis der Erfindung zu erreichen, wird dieser Zusammenhang zwischen der Strömung in der Fühlzone B und der

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Linearität der Meßwerte noch im einzelnen anhand der Fig. 3 5 erläutert.

So zeigt Fig. 3t wie ein Fluidteilchen des Strömungsmittels, das in die Zone B an einem willkürlich gewählten Punkt 26 in einer Richtung eintritt, die mit dem Radius den Winkel & bildet, sich der Austrittszone C auf einer spiralförmigen Bahn nähert, wobei das Fluidteilchen mehrere Male rund um die Zone B umläuft, bevor es die Austrittsöffnung erreicht· Die Geschwindigkeit des Teilchens bei seinem Eintritt in die Fühlzone ist mit C bezeichnet und läßt sich in eine Tangentialkomponente V und eine Radialkomponente U aufteilen. An einem anderen willkürlich gewählten Punkt 28 des Radius r auf der Bewegungsbahn des Teilchens beträgt die Geschwindigkeit des Teilchens C mit den Tangential- und Radialkomponenten V und U. Letztere Komponenten sind verantwortlich für den Transport des Strömungsmittels duroh die Meßkammer, und wenn man einen bestimmten Durchflußmesser mit bestimmten Abmessungen betrachtet, also mit einer Kammer der Höhe h und bei einem Radius der FUhlzone gleich r, dann ergibt sich für das Durchflußvolumen q, d.h. also das Volumen des duroh die Kammer strömenden Strömungsmittels pro Zeiteinheit, der folgende Zusammenhang, und zwar aufgrund der Kontinuität und der Symmetrie, die in der Eintrittszone vorhanden sind,

q = 2 fTr_o. h . U_o

Unter Berücksichtigung der Strömungemechanik weist der radiale Einlauf des Strömungsmittels in die FUhlzone eine Reynoldszahl Re = ο ^ro auf, wobei £ die auftretende Viskosität des Strömungsmittels bei laminarer oder turbulenter Strömung innerhalb der Fühlzone ist. Die herkömmlichen Strömungsgleichungen lassen sich zur Bestimmung der Strömung innerhalb der Fühl- und Austrittszonen benutzen, und Fig. k zeigt graphisch

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die eine Lösung dieser¹ Gleichungen.für eine Aussah! Werte von Re in Form von Kurven_s äie die Tangentialgeschwindigkeit ¥ als Punktion des Kammerradius r besehi&ben₉ wobei flie ReIatiwerte V/v und r/r angegeben SiBd₉ narn dime3ttsionslo.se Bezugspunkte zu erhalten. Es wird darauf jfeingewi©s@m₉ daß öi© unterschiedlichen Kurven auch unterschiedliche q—Wert© därs teilen,. da~ der obige Ausdruck für q wie folgt geschrieben werden kansu

, q = 2'71 r_n ο h . U s 2 Tito · B »£ s - kernst_β Hs

Daraus ist ersichtlich^ daß zwischen den Teilen ü®r Karven_s die im allgemeinen im Bereich r/r s 0 bis r/r = O₉3" -= Oj^g also im allgemeinen innerhalb äer Austritts zone C lieg©n₉ Abweic auftreten. Die Grenzlinie 24 zwischen der "PüSilzoae B mad' der Austrittszone C ist in de» Diagramm dargestellte ' .

Wenn die Strömung b@i einem willkürlich gewählten innerhalb der Fühlzone betrachtet wiröj, der durch die Linie

in Fig. 4 bei dem Wert i/r angezeigt wirö" uncl die Tangeatialgeschwindigkeit V₁ bei diesem Eadinas als Fimktioia von-E@ rand damit von q ermittelt wirö₅ also in Form der Eelativgöschwindigkeit ^Vj_/^V-)» so ergibt sich die in Fig_o 5 dargestellt® Kiarvo« Wenn Re sehr kleine Wert© aufweist« so steigt V-/V mit wachsendem Re bis zu einem konstanten Wert an₉'te für Ee größer als etwa 6 anwendbar ist. Dieser R@°=Wert entspricht ®in©m minimalen Durchflußvolumen q_min» «nö für alle größeren q~W©rte ist das Verhältnis V _Λ/ν somit konstant, d_oh_e V. = konsta V _e- Jedoch

JL O . - «L 0

ist V aufgrund der gleichmäßigen Verteilung des Strömragsmittels., die_ durch die Eintrittszone'bewirkt wird,/ direkt proportional dem Durchflußvolumen q_f wobei V^ ebenfalls direkt proportional q ist, doho V^ = konsto q» > , ■

Da γ, ein willkürlich gewählter Radius innerhalb der Pühlzone gewesen ist, ist die obige Diskussion für jeden beliebigen Radius innerhalb dieser Zone anwendbar^ d_eh₀ die Gewünschte lineare Abhängigkeit zwischen V und q gilt für die. ganze Füial-

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zone. Alternativ dazu läßt sich die Linearität auch so ausdrücken, daß dann, wenn q größer ist als q . das Winkeldrehmoment η = ^vi^rj/^v _o ^r _o konstant und unabhängig von dem Durchflußvolumen q in der Fühlzone ist, da das relative Winkeldrehmoment für den Radius r^ nur eine mit V,/V multiplizierte Konstante ist.

Praktische Versuche haben gezeigt, daß ein Durchflußmesser mit einer gemäß den hier gemachten Vorschlägen gebauten Strömungskaturner in einem hohen Maße innerhalb des ganzen infrage kommenden Strömungsbereiches linear ist. Ein interessanter Umstand ist in dieser Hinsicht der Einfluß, den in der Praxis die Wandreibung ausübt. Diese Reibung hat eine geringe Verschiebung der in Fig. k gezeigten Kurven nach unten zu zur Folge, und dementsprechend verlagert sich die Kurve von Fig. 5 etwas nach unten, wie dies durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, obgleich es kennzeichnend und charakteristisch für die Strömungskammer ist, daß die Linearität nicht als Folge der Wandreibung verlorengeht. Praktische Versuche haben ferner gezeigt, daß sich, falls dies gewünscht wird, die FUhlzone bis zu einem Radius erweitern läßt, der geringfügig kleiner ist als der Radius der Austrittsöffnung, ohne daß dadurch Nachteile entstehen.

Schließlich wird bezüglich des in Fig. 5 dargestellten Zusammenhanges darauf hingewiesen, daß der konstante Wert, der für die Relativgeschwindigkeit V^/V angenommen wird, in der ganzen Fühlzone größer 1 ist. Daraus läßt sich schließen, daß eine vorteilhafte strömungsmechanische Verstärkung des Durchflusses erhalten wird, d_eh„, daß ein Fühlelement beispielsweise in Form einer freibeweglichen Kugel od₀dgl₀, die sich in der Fühlzone befindet, rund um die Zone mit einer Geschwindigkeit vorwärtsgetrieben wird, die beträchtlich höher ist als die Durchschnittsgeschwindigkeit des Strömungsmittels, bei dessen Hineinströmen in den Durchflußmesser und Herausströmen, Dies ist auch in Figo 3 dargestellt, wo gezeigt ist, wie sich ein Fluidteilchen über eine Anzahl Umläufe, und zwar im dargestellten Fall

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annähernd drei Umläufe, mit wachsender Geschwindigkeit innerhall} der Fühlzone bewegt, bevor es die Austrittsöffnung erreichte Des weiteren braucht bei der erfindungsgemäßen Anordnung das Fühlelement sich niemals durch irgendeinen der eintretenden Strömungsmittelstrahlen hindurchzubewegen oder von einem solchen Strahl berührt zu werden und dadurch verseil!eißenden Stößen etc. ausgesetzt zu werden. Aufgrund der Tatsache _$ daß das Strömungsmittel frei fließt, ohne auf Hindernisse in Form von Geschwindigkeit reduzierenden Taschen oder -Elementen aufzutreffen, die eine abrupte Änderung der Strömungsrichtung bewirken, sind die Verluste in den einzelnen Zonen klein«

Die in den. Fig. 1 und 2 gezeigte Strömungskammer kann in der Praxis in einem Durchflußmesser des in den Fig_β 6 und 7 schematisch dargestellten Typs Verwendung finden. Der Durchflußmesser der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsform ist allgemein mit 40 bezeichnet und weist ein Gehäuse 42 auf, das in der Hauptsache einen Bodenwandteil oder unteren Wandteii 44 und einen Deckelwandteil öder oberen Wändteil 46 besitzt, wobei die Wandteile parallel zueinander angeordnet sind und mit Hilfe der Spiralwand 48 in einem bestimmten Abstand zueinander gehalten werden. Der Boden 44, der Deckel 46 und die Seitenwand 48 bilden gemeinsam eine Kammer 50, die einen tangential gerichteten Eintritt 52 und einen zentral angeordneten Austritt 54 aufweist, der im Boden 44 angeordnet sein kannο Der Eintritt 52 kann einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben und ist an die Wände der spiralförmigen Kammer angepaßt_s so daß abrupte Querschnittsänderungen vermieden werden_s wodurch das Strömungsmittel ohne störende Verluste oder Axialströme in die Kammer eingeleitet werden kann,.

Gemäß den obigen Ausführungen läßt sich die Kammer 50 in eine Eintrittszone A, eine Fühlzone B und eine Äustrittszone C

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unterteilen, die bei O einen gemeinsamen Mittelpunkt haben, wobei die Grenze zwischen den beiden erstgenannten Zonen von einer zylindrischen Oberfläche 46 gebildet wird, die konzentrisch zu den Zonen angeordnet ist und einen Radius aufweist₉ der dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt 0 und der radialen Innenkante 52^m des Eintritts entspricht» Die Grenze, die die Fühlzone B und die Austrittszone C trennt, hat die Form einer zylindrischen Oberfläche 58, die eine imaginäre Verlängerung des Austritts in die Kammer hinein bildete Die äußere Begrenzungswand der Eintrittszone wird von der spiralförmigen Kammerwand 48 gebildet, die sich längs einer vorzugsweise logarithmischen Spirale erstreckt und von der radialen Außenkante 52" des Eintritts wegführend sich über 36O rund um die Kammer erstreckt und an der radialen Innenkante 52" des Eintritts endet· Die Steigung der Spirale fällt somit mit der Breite des Eintritts zusammen· Aus praktischen Gründen kann die Innenkante des Eintritts unter Berücksichtigung der Dicke des Materials, aus dem der Durch«· flußmesser gebaut ist, wie in Fig· 6 bei 52"' gezeigt, etwas verschoben werden, so daß sich die Spirale nicht über volle 36O⁰ rund um die Kammer erstreckt»

Wie bereits oben erwähnt wurde, ermöglicht es die logarithmische Spiralenform der Kammer, daß die grundlegende Betriebsbedingung für die Eintrittszone erfüllt werden kann, nämlich daß die Geschwindigkeit, mit der das Strömungsmittel in die Fühlzone B hineinströmt, überall gleichmäßig ist Und eine Richtung hat, die mit einem zum Mittelpunkt 0 gezogenen Radius im wesentlichen überall den gleichen Winkel einschließt. Es wird jedoch darauf hingewiesen^ daß diese Bedingungen in der Praxis auch mit anderen als logarithmischen Spiralen erfüllt werden können, so beispielsweise mit einer archimedischen Spirale oder mit zwischen diesen beiden Spiraltypen liegenden Spiralformen. Des weiteren wird die Fühlzone von den beiden Wandteilen 44 und 46 begrenzt, die vorzugsweise in parallelen

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Ebenen liegen, und zwar so, daß das Strömungsmittel während seiner Kreisbahnbewegung in Richtung auf den Austritt so geführt wird, daß keine Axialbewegung stattfindet. Die Bedingung, daß die Wandteile in parallelen Ebenen liegen, kann jedoch außer Acht gelassen werden, wenn vorausgesetzt wird, daß die Axialgesahwindigkeiten im Hinblick auf die übrigen Geschwindigkeit skomponenten innerhalb der Fühlzone B klein sind, wie dies im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 7 a beschrieben wird.

Bei #er iryFig.. J gezeigten Ausführungsform hat das Fühlelement die Form einer Kugel. 60, die durch kreisrunde, flache Wüten 62 und 6k geführt wird, welche in den Wandteilen kk bzw %6 der Kammer 50 angeordnet sind, wie dies beispielsweise in der mit anhängigem Paltentanmeldung Nr. . _o „ _o... _o .. beschrieben is to

Die Kugel steht mit den Wüten äaa "leichter Berührung und folgt den Nuten auf einer kreis förmigeja Bahn in der Fühlzone B der Kammer 50, während sie von dem in dieser Zone zirkulierenden Strömungsmittel angetrieben wird, ©ihne jedoch mit dem Strahl des aus dem Eintritt 52 kommenden Strömungsmittels zusammenzutreffen. Die Geschwindigkeit der Kugel oder ihre Kreisbahngeschwindigkeit bildet somit für die Strömungsparameter des die Fühlzone passierenden Strömungsmittels ein sehr hohes Maß an reproduzierbarer Linearität«, Wie schon erwähnt, haben praktische Versuche gezeigt, daß ein mit einer Strömungskammer der hier beschriebenen Art versehener Durchflußmesser über den ganzen infrage kommenden Arbeitsbereich linear ist, der aufgrund des geringen Druckverlustes, der in der Kammer entsteht, sehr viel weiter ausgedehnt werden kann, als dies normalerweise bei Durchflußmessern herkömmlicher Bauart der Fall istο

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Es sind einige Verfahren bekannt, mit denen die Bewegung der Kugel angezeigt werden kann, hauptsächlich die Anzahl der Umdrehungen der Kugel pro Zeiteinheit oder ihre Kreisbahngeschwindigkeit· Ein Beispiel eines solchen Verfahrens stellt die schematisch in Fig. 7 gezeigte photoelektrische Anordnung 70 dar, die eine Lichtquelle 72, eine Photozelle 74, einen elektronischen Wandler 76 und einen Anzeiger 78 aufweist₀ Bezüglich einer genaueren Beschreibung dieser und anderer Meßanordnungen wird auf die oben erwähnte mit anhängige Patentanmeldung verwiesen.

Wie oben ausgeführt worden ist, besteht nicht die Notwendigkeit, die erfindungsgemäße Meßkammer mit wirklich parallelen Stirnwandteilen auszustatten, sondern es kann auch eine Konstruktion der in Fig. 7a gezeigten Art verwendet werden«, Die dort gezeigte Kammer entspricht im allgemeinen der in Fig. dargestellten. Auch in diesem Fall wird eine Kugel 60» als Fühlelement benutzt ₉ die in Nuten 62* und 64' geführt wird. Wie aus Fig» 7A jedoch hervorgeht, sind die Stirnwände 44' und 46* etwas schalenförmig gewölbt, und zwar so, daß ihre äußeren Teile einen gewissen Winkel zueinander bilden, wie aus der Zeichnung hervorgeht_o Durch eine solche Konstruktion wird es möglich, die Querschnittsfläche des Eintritts in bezug auf die Kugel kleiner zu machen und damit ein Merkmal zu verwirklichen, das in gewissen Fällen vorteilhaft ist·

In Fig« 7a ist außerdem in schematischer Weise noch4ine andere Anordnung 70' dargestellt, mit der die Bewegung der Kugel angezeigt werden kann. Die photoelektrische Vorrichtung 70 ist hier durch ein mit Induktion arbeitendes System ersetzt, bei dem ein induktiver Meßwertwandler 74' von der passierenden Kugel 60* betätigt wird, die bei jedem Durchgang in dem Meßwertwandler 74* einen Impuls erzeugt. Der Impuls wird zu einem elektronischen Umformer 76' und einem Anzeiger 78* geleitetj der beispielsweise ein Zeigerinstrument ist.

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In den Pig. 8 und 9 ist schematisch eine zweite Ausführungs« form eines Durchflußmessers dargestellt, der mit der erfindungsgemäßen Strömungskammer ausgestattet ist. Der gezeigte Durchflußmesser 80 stimmt mit dem Durchflußmesser der Fig. 6 und insofern überein, als die Fühl- und Austrittszonen der beiden Kammern identisch sind, während die Eintrittszone verhältnismäßig willkürlich gebaut sein kann und im dargestellten Fall eine ringförmige Konstruktion ist. Der Durchflußmesser 80 weist ein Gehäuse 82 auf, das einen unteren und einen oberen Wandteil 84 und 86 besitzt sowie eine im wesentlichen kreisrunde oder zylindrische Seitenwand 88, die die Meßkammer 90 umgibt. Das Gehäuse hat einen Eintritt 92, der im dargestellten Fall nicht tangential gerichtet zu sein braucht, sondern radial oder, wie durch die strichpunktierte Linienführung bei 92' angedeutet, axial angeordnet sein kann und im Boden 84 des Gehäuses 82 liegen kann. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform so ist auch der hier gezeigte Durchflußmesser mit einem axialen Austritt 94 versehen₉ der sich im Boden des Gehäuses befindet.

Um das Strömungsmittel in die Fühlzone des in den Fig. 8 und 9 gezeigten Durchflußmessers hineinzuführen und eine vollständige Symmetrie der Strömung gemäß dem der Erfindung zugrundeliegenden Prinzip sicherzustellen, d.h. sicherzustellen, daß das Strömungsmittel von der Eintrittszone unter einem konstanten Winkel und mit konstanter Geschwindigkeit wegströmt, ist ein Systemführungsflügel in Form eines Führungsflügelrings 100 in der Kammer 90_v konzentrisch zum Gehäuse, und zum Mittelpunkt 0 angeordnete Der Führungsflügelring besteht aus einer Anzahl dünner, geradegerichteter oder gekrümmter Flügel 102, die beispielsweise zwischen einem unteren Ring 104 und einem oberen Ring 106 befestigt sind₉ wobei die Ringe in die Wände 84 und 86 des Gehäuses so eingelassen sind, daß die Flügel sich zwischen den Wandteilen erstrecken«, Alle Führungs flug el sind gleichmäßig rund um den Umfang positioniert und sind

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beiderseits ähnlich gebaut und angeordnet₉ so daß die von der Mitte O vom Austritt ausgehenden Radien zu identischen Punkten auf den Führungsflügeln die Flügel unter demselben Winkel schneiden«.

Wie bei der im obigen beschriebenen Ausführungsform, so ist auch hier die Meßkammer 90 in eine Eintrittszone, eine Fühlzone und eine Austrittszone unterteilt, die mit Ä", S und ü bezeichnet sind. Die Grenze, die die Eintrittszone von der Fühlzone trennt, ist in Form einer zylindrischen Oberfläche 108 ausgebildet, die in radialer Richtung unmittelbar innerhalb des Führungsflugelrings liegt, während die zwischen der Fühlzone S" und der Austrittszone C befindliche Grenze von einer zylindrischen Oberfläche 110 gebildet wird, die eine Verlängerung des Austritts darstellte Die Eintrittszone Ä* ist nach außen durch eine Seitenwand 88 des Gehäuses begrenzt, die bei der gezeigten Ausführungsform im wesentlichen zylindrisch geformt ist» Aus dem obigen ergibt sich, daß die grundlegende Bedingung für den Strömungsmittelfluß in die Fühlkammer hinein mit Hilfe des Führungsflugelrings 100 erfüllt wird, der das Medium gleichmäßig in der gewünschten Richtung und mit der gewünschten gleichförmigen Geschwindigkeit führt. Wie oben ebenfalls erwähnt wurde, ermöglicht es die beschriebene Anordnung, daß die Gehäuse- und Eintrittsverbindungen des Durchflußmessers gemäß den vorherrschenden Bedingungen gebaut werden. Der Teil der Eintrittszone Ä", der mit der Außenseite des Führungsflügelrings in Verbindung steht, bildet eine Druckausgleichskammer für das durch den Eintritt 92 einströmende Medium, wodurch ein erheblicher Spielraum bei der Konstruktion der äußeren Begrenzungswände der Kammer und der sich daran anschließenden Eintrittsverbindungen gegeben ist. Wie bei der Ausführungsform nach den Fig„ 6 und 7 so weist auch hier das dargestellte Fühlelement die Form einer Kugel 118 auf, die in Nuten 112 und 114 geführt wird, welche in den Wänden 84 und 86 des Durchflußmessers angeordnet sind, und

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die dazu gebracht wird, das durch die ^ühlzone S strömende Medium linear und mit großer Präzision zu begleiten. Die Geschwindigkeit oder Kreisbahngeschwindigkeit der Kugel 118 wird in geeigneter Weise, z.B_o mit· Hilfe einer photoelektrischen Anordnung 70, die der in Fig. 7 dargestellten Anordnung entspricht, ermittelt. .

Bei.den oben beschriebenen Aüsführungsformen des Durchflußmessers, die mit der erfindungsgemäßen Meßkammer ausgestattet sind, wurde eine in der Kammer sich auf einer Kreisbahn bewegende Kugel als Fühl- oder Ermittlungselement verwendet, wie sie im wesentlichen in der oben genannten mit anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, andere Arten von Fühlelementen zu benutze^ wie sie beispielsweise in den Fig_o 10 bis 12 dargestellt sind. So ist in Fig. 10 ein Durchflußmesser gezeigt, der eine Meßkammer 120 enthält, deren Seitenwand gemäß der Erfindung eine logarithmische Spirale bildet. In diesem, Fall erkennt man, daß der Eintritt 122 und der Austritt 124 koaxial liegen, sich von dem Eintritt 122 längs eines Teils der Meßkammer auf deren Außenseite ein Einströmkanal 125 erstreckt, der sich tangential in die Kammer hinein öffnet, und zwar in der gleichen Weise wie dies bei der Ausführungsform nach Fig. 6 beschrieben wurde. Die Austrittsöffnung 126 liegt koaxial zur Kammer und mündet in einen gekrümmten Ausflußkanal 128, der zum Austritt 124 führt, welcher koaxial zum Eintritt 122 angeordnet, ist. In diesem Fall besteht das Fühlelement aus einem Rotor in Form eines Flügelrades oder Propellers 130, der in.Zentrallagern getragen wirdj der Propeller ist eine leichte Drehkreuzkonstruktion, deren Material vorzugsweise dieselbe Dichte wie das zu messende Medium hat_o

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Die Konstruktion besteht aus drei Armen 132, die an einer zentralen Nabe befestigt sind und jeder an seinem äußeren Ende eine kleine Schaufel oder einen kleinen Flügel 134 trägt, der veranlaßt wird, der Strömung bzw«, dem Durchfluß in derselben Weise zu folgen wie die Fühlkugel bei den obigen Ausführungsformen· In Fig. 10 ist ein Propeller 130 gezeigt, der drei Flügel 134 besitzt, während Fig. 10a eine leichtere Konstruktion 130* zeigt, bei der nur zwei Flügel 134* Verwendung finden» Ganz allgemein läßt sich die Konstruktion bezüglich der Anzahl der Schaufeln und ihrer Form an die vorherrschenden Bedingungen anpassen und einstellen· In den Fig_o 10b und 10c sind zwei Beispiele für Schaufelformen dargestellt, die sich von der flachen Schaufel unterscheiden· So zeigt Fig. 10b eine leicht gebogene Schaufel 136, während Fig_o 10c eine tassenförmige oder teilkugelförmige Schaufel 138 darstellt. Die Schaufelform läßt sich einstellen, um je nach Wunsch das Drehmoment, dem der Propeller 130 oder 130^! als Ganzes ausgesetzt ist, zu beeinflussen.

Wie aus Fig. 11 hervorgeht, ist das Schaufelrad oder der Propeller 130 in zentralen Lagern in der Kammer 120 frei drehbar gelagert, wobei seine Bewegung und insbesondere seine absolute Drehzahl oder Upm in analoger Weise mit der Anordnung nach Figo 7a angezeigt wird, d.h. mit Hilfe eines induktiven Systems 140, zu dem ein Meßwertwandler 172 gehört. Der Wandler fühlt oder ermittelt jeden Flügeldurchgang und erzeugt einen Impuls, der auf einen Umformer 144 übertragen wird, welcher ein digitales sowie analoges Ausgangssignal erzeugt. Das digitale Signal wird einem Integrator oder Addiermechanismus zugeleitet, während das analoge Signal einem Zeigerinstrument 146 und einem Schreiber 148 zugeführt wird.

Alternativ dazu läßt sich das Anzeigen und Aufschreiben der Bewegungen des Propellers mit Hilfe eines mechanischen

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Zählers durchführen wie er schematisch in Pig, 12 gezeigt ist. In diesem Falle ist die Welle 131 des Propellers oder Rotors 130a verlängert und läuft durch ein Lager 133 im Deckel des Gehäuses des Meßgerätes. An ihrem freien Ende ist die Welle mit einem kleinen Zahnrad 135 versehen, das in an sich bekannter Weise einen Zählermechanismus 141 antreibt. Der Propeller 130a ist in bezug auf die Form seiner Schaufeln und die Schaufelzahl so gebaut, daß er das Drehmoment liefert, das notwendig ist, um den Zählermechanismus anzutreiben, ohne die vorher erläuterte Linearität des durch die Meßkammer strömenden Mediums zu stören.

Mit Fig. 13 schließlich sollen die strukturellen Möglichkeiten und die Anpaßbarkeit eines Durchflußmessers gezeigt werden, der mit einer erfindungsgemäßen Meßkammer 150 versehen ist, die gleichzeitig als äußerst wirksame Rühr- oder Mischkammer diente In diesem Falle ist der Durchflußmesser mit zwei Eintritten 152a und 152b versehen, die mit Einlaufkanalen 155a und 155b in Verbindung stehen, welche sich in tangentialer Richtung in die Meßkammer"150 hinein öffnen, und zwar in derselben Weise wie der Einlaufkanal 125 in Fig. 10« Die Wand der Meßkammer 150 ist wie bei den obigen Ausführungsformen in Form einer logarithmischen Spirale ausgebildet, jedoch in zwei Abschnitte 151a und 151b unterteilt, so daß 2wei diametral gegenüberliegende Eintrittsöffnungen 154a und 154b entstehen, wie dies in Fig. 13 zu sehen ist„ Der Strömungsfluß in der Meßkämmer 150 wird in diesem Fall mit einer Kugel ermittelt oder abgetastet, und das durch die entsprechenden Eintritte 152a und 152b einfließende Strömungsmittel wird in der Kammer 150 wirksam vermischt, woraufhin die vermischten Ströme die Kammer durch die gemeinsame Austrittsöffnung 156 verlassen. Hierbei zeigt die Kugel l60 die Summe der Strömungsbzw. DurchflußVolumina an.

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Erfindungsgemäß wird also ein Durchflußmesser geschaffen, der in der Lage ist₉ willkürliche Durchflußvolumina einer Wirbelkammer zu messen und dabei einfach und preiswert herzustellen ist und gegen Störungen unempfindlich ist. Ein mit der Durchflußkammer der erfindungsgemäßen Art versehender Durchflußmesser arbeitet praktisch vollständig linear und reproduzierbar und ist gleichzeitig parktisch geräuschlos, weist einen geringen Druckverlust auf und besitzt einen breiten Arbeitsbereiche

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

i,J Burchfluömesser für flüssige und gasförmige sowie ich aus mehreren Komponenten zusammensetzend®" Medien₉ mit einem Gehäuse ₉ dessen Innenraum ©in© Burchflußkammer bildet^ die drei unterschiedliche Zonen aufw@ist₉ nämlich eine Eintrittszone (A), die mit wenigstens einem Eintritt verbunden ist, eine mittlere Fühlzom© (B) und eine Aiastrittszone [¹C)₉ die einen zentralen^ sich in axialer Eichtwng erstreckenden Austritt aufweist, wobei ©im Medium diese Zonen' durchströmt und dabei zum Zweck© des Messens oder Überprüf©ms wenigstens eines Strömisngsparameters des Mediums eine kreisln d@r FiMiIzone (B) des Gehäias®© angeordnet ist₉ um von dem vorbeiströmenden Medium betätigt zo w©i*d©ia₉ so daß d©r g@— .wünschte Strömungsparameter oder die gewünschten Strömlings— parameter in an sich bekannter Weise gemessen oder angezeigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fünlzone (B) einen ringförmigen Bereich aufweist, der von der Eintrittszone (A) umgeben ist und konzentrisch zu dem axialen Austritt (54, 94, 126j, 156) liegt, und daß die Eintrittszone (a) mit einer Einrichtung versehen ist, mit der das Medium in einer Bahn so führbar ist₉ daß alle Teilchen dieses Mediums die Grenz-, fläche zwischen der Eintrittszone (a) und- der Fühlzone (B) mit im wesentlichen derselben Geschwindigkeit und unter im wesentlichen demselben Winkel" zu einem Eadius durchqueren, der sich zum Mittelpunkt (θ) des Austritts (54, 94, 126, 156) erstreckt. ' ■

2„ Durchflußmesser nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Eintritt© (52, 152a, b). :zur Eintrittszone tangential zu dieser Zone ausgerichtet sind und bezüglich der ringförmigen Fühlzone (B) auf deren Innenseite so an-

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geordnet sindj, daß eine imaginäre Verlängerung des Eintritts oder der Eintritte die Fühlzone nicht so schneidet, daß das in ihr angeordnete Fühlelement (60, 130, l6o) vom Strom oder den Strömen des eintretenden Mediums getroffen wird.

3c Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittszone (A) in radialer Richtung von einer Wand (48, 151^a» b) begrenzt ist, die sich von der radialen Außenseite des Eintritts (52) oder der Eintritte (152a, b) spiralförmig vollständig oder teilweise rund um die Eintrittszone erstreckt_Φ

4_O Durchflußmesser nach Anspruch 3» wobei die Eintrittszone (A) einen einzigen tangentiaien Eintritt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (48) sich von der radialen Außenseite (52⁹) des tangentiaien Eintritts (52) spiralförmig rund um dis Eintrittszone über einen Winkel von 36Ο⁰ oder nahezu 36O° erstreckt und an der radialen Innenseite (52", 52^ms) des Eintritts endet»

5. Durchflußmesser nach Anspruch 3 oder 4₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralform logarithmisch ist»

6_O Durchflußmesser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale eine archimedische Spirale ist.

7_β Durchflußmesser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralform eine Form ist, die zwischen der logarithmischen und der archimedischen Spirale liegt,,

80 Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskammer 50 in axialer Richtung durch wechselseitig gegenüberliegende Stirnwände ₉ eine untere Wand (44), die den Boden der Kammer bildet,

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und eine obere Wand (4t6), die das Dach der Kammer bildet, begrenzt ist, und daß der Kammereintritt öder die Kammereintritte eine vierseitige Querschnittsform aufweisen, bei der die Oberseite in Höhe der oberen Wand (44·). und die untere Seite in Höhe der unteren Wand (46) liegen, so daß das Einströmen des Mediums in die Kammer hinein ohne abrupte Veränderungen des Strömungsquerschnitts stattfindet.

9ο Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittszone (A) in radialer Richtung durch eine Wand begrenzt ist, die sich von der radialen Außenseite des Eintritts oder der Eintritte in im wesentlichen kreisrunder Form rund um die Eintrittszone erstreckt, und daß der Durchmesser dieser Wand in Abhängigkeit von dem Außendurchmesser der Fühlzone (B) auf der Innenseite der Wand so groß ist, daß das in die Eintrittszone einströmende Medium in im wesentlichen derselben Richtung und mit derselben Geschwindigkeit über die ganze Grenzfläche zwischen der Eintrittszone und der Fühlzone der Fühlzone (B) zugeführt wird, wobei das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Austrittszone (C) und dem Seitenwanddurchmesser wenigstens 0,15 beträgt.

10. Durchflußmesser nach Ansprach 1, wobei die Eintrittszone eine willkürliche Form aufweist und mit wenigstens einem willkürlich gerichteten Eintritt versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mediumführungseinrichtung der Eintrittszone (A") ein kreisrundes Führungsflügelsystem (lOO) aufweist, das die Fühlzone (S) konzentrisch umgibt und begrenzt und eine Anzahl dünner Führungsflügel (102) aufweist, die gleichmäßig entlang der Fühlzone (B) verteilt sind und an ähnlichen Stellen denselben Winkel mit einem Radius zur Mitte des Austritts bildeno

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11« Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Radien der V\ustrittszone (C) und der Fühlzone (u) nicht kleiner als 0,25 ist_o

12. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die FUhlzone (B) ein Fühlelement in Form einer Kugel (60, 118, l6o) aufweist, die von dem durchströmenden Medium angetrieben wird_? um sich in der Fühlzone auf einer Kreisbahn zu bewegen, und daß die Kugel zwangsläufig durch eine Führungsvorrichtung in Form von Nuten oder Schienen (62, 64, 112₉ 114) entlang einer im wesentlichen kreisrunden Bahn geführt wird, wobei ihre Bewegung abgetastet und mit Hilfe einer an den bekannten Einrichtung (70) angezeigt wird«

13· Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlzone (B) ein Fühlelement in Form eines Drehkörpers (130) aufweist, das in der Mitte der Meßkammer drehbar getragen wird und mit Schaufel- oder Flügelelementen (134) versehen ist, die in der Fühlzone angeordnet sind, und daß der Drehkörper durch das durchströmende Medium in Drehung versetzbar ist,wobei seine Bewegung mit Hilfe einer an sich bekannten Einrichtung (140, 141) abgetastet und angezeigt wird.

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