DE2254482C3

DE2254482C3 - Durchflußmesser fur Fluide

Info

Publication number: DE2254482C3
Application number: DE2254482A
Authority: DE
Inventors: Tor Lennart Bernt Taeby Griverus (Schweden)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-11-10
Filing date: 1972-11-07
Publication date: 1978-06-22
Also published as: IT970605B; IT970606B; HU166706B; DE2254481C3; GB1406040A; AU466499B2; NO137028B; DE2254481B2; CA970592A; DE2254481A1; FR2159514B1; NL157105B; NO137028C; JPS573002B2; DK139048C; DK140488C; FR2161956A1; NO137736B; SU803869A3; DK139048B

Description

so Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser für Fluide mit einem ringförmigen Gehäuse, in das das Fluid durch wenigstens eine tangentiale Einströmöffnung eintritt und aus dem es durch eine zentrale axiale Ausströmöffnung ausstritt und mit einem von dem Fluid

ss angetriebenen Meßelement, das von einer sich von der Einströmöffnung aus in Umfangsrichtung des Gehäuses im Querschnitt verjüngenden, ringförmigen Strömung;; zone umgeben ist, von der aus das FMd zur Ausströmöffnung strömt, die außen von einer Umfangswand und zwei sich gegenüberliegenden, scheibenförmigen Stirnflächen begrenzt ist.

Bekannte Durchflußmesser, die normalerweise zur Messung kleinerer Mengenströme dienen, weisen eine Anzahl Nachteile auf, die hauptsächlich mit der

fts Konstruktion des ringförmigen Gehäuses bzw. seiner .Strömungszone und der erzwungenen Bewegung des Meßelements zwischen den Stirnwänden des Gehäuses in Zusammenhang stehen. Bei Durchflußmessern der

genannten Art, die mit einer kreisrunden Durchflußmeßkammer versehen sind, welche eine oder mehrere Einströmöffnungen aufweisen, die sich ins Kammerinnere erstrecken, wird das Meßelement dazu gezwungen, jedesmal dann, wenn es auf seiner Kreisbahn einen Umlauf vollendet hat, die durch die Einströmöffnung eintretenden Fluidstrahlen zu passieren. Falls das Meßelement eine Kugel ist, dann muß diese das einströmende Fluid durchqueren, wobei sie starken, unregelmäßigen Beschleunigungskräften ausgesetzt wird, die zu s".arken Stößen zwischen der Gehäusewandung und der Kugel führen. Dies hat zur Felge, daß die Kugel und die Gehäusewandurg rasch verschleißen, und der Durchflußmesser n:it einem hohen Geräuschpegel arbeitet sowie mit einem hohen Druckverlust und auch mit einer nichtlinearen Abhängigkeit zwischen den Strömungsparametern und der Umlauf- oder Kreisbahngeschwindigkeit der Kugel. Des weiteren macht es die kreisrunde Form der Kammer bzw. die Ringform des Gehäuses unmöglich, in der Kammer eine symmetrische Strömung aufrechtzuhalten, das heißt ein Strömungsbild zu erhalten, bei dem das Fluid in gleichmäßigen, spiralförmigen Strömungslinien sich durch den Durchflußmesser hindurchbewegt. Das Fluid wird vielmehr in Strömungswege gedrängt, die von der gewünschten spiralförmigen Bahn an den verschiedenen Stellen rund um den Umfang der Kammerwandung in unterschiedlichem Maße abweichen. Dadurc; wird bewirkt, daß auch die Geschwindigkeit der Kugel auf der Kreisbahn variiert, wodurch nicht nur ein ungleichmäßiger Verschleiß verursacht wird, sondern auch d^:e Meßgenauigkeit erheblich beeinträchtigt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, den Durchflußmesser der obigen Art so zu gestalten, daß über den Umfang gesehen eine möglichst konstante radiale Einströmung zum Zentrum der Meßkammer hin erfolgt, um dadurch das Meßgerät gegen äußere Beschleunigungskräfte "weitgehend unabhängig zu machen, eine verhältnismäßig geräuschlose Arbeitsweise zu erreichen und einen geringen Druckabfall sowie ein hohes Maß an Linearität und Reproduzierbarkeit der Meßwerte und schließlich auch einen breiteren Arbeitsbereich als er bisher verwirklicht werden konnte.

Bei einem bekannten Durchflußmesser der obigen Art (GB-PS 5 29 615) sind diese Bedingungen nicht oder nur zum Teil schon deshalb nicht erfüllt, weil das Gerät mit einem mit gekrümmten Schaufeln versehenen, um eine feststehende Achse rotierenden Meßrad als Meßelement arbeitet.

Zur Lösung der obigen Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Umfangswand über ihre ganze Höhe zwischen den Stirnwänden ihren Abstand zu einer gedachten, die inneren Ränder der Einströmöffnung tangierenden, zur Ausströmöffnung koaxialen, kreisförmigen, zylindrischen Grenzfläche zur Bildung einer spiralförmigen Strömungszone kontinuierlich vermindert, und daß das Mcßelement aus einem zwischen dieser gedachten Grenzfläche und der Ausströmöffnung auf einer Kreisbahn umlaufenden, von den Stirnwänden frei geführten Meßkörper besteht.

Die Ausbildung einer spiralförmigen Strömungszone in Verbindung mit einem frei geführten Meßkörper bringt im wesentlichen den Vorteil, daß sich der Meßkörper innerhalb der Strömung frei einstellen kann und dadurch einen geringeren Druckabfall verursacht üls ein zwangsläufig geführter Meßkörper. Darüber hinaus wird das Strömungsfcld bei Verwendung eines relativ kleinen Meßkörners. tier vorteilhafierweise clic Form einer Kugel haben kann, praktisch nicht gestört, insbesondere dann nicht, wenn es nicht selbst vom Fluid durchströmt wird, wie dies beispielsweise bei Durchflußmessern mit angetriebenen Meßelementen, beispielsweise Turbinenrändern oder Scliaufelgittern oder -flügeln der Fall ist, auf die der Fluidstrom Impulse überträgt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung läßt sich die tangential Einströmöffnung oder Ein-Strömöffnungen mit einem rechteckigen Querschnitt versehen, bei dem ein Paar gegenüberliegende Seiten sich mit ihren Rändern im wesentlichen auf derselben Höhe befinden wie die gegenüberliegenden Stirnwände, so daß beim Eintritt des Fluids in das ringförmige Gehäuse an den Eintrittsöffnungen keine oder nur geringfügige Wirbel entstehen.

Wird das Meßelement als Kugel ausgebildet, so werden in den Stirnwänden flache Führungsnuten vorgesehen, in denen die Kugel abrollt.

Als Form für die spiralförmige Strömungszone haben sich sowohl logarithmische als auch archimedische Spiralen bewährt.

Bei einem gleichartigen Durchflußmesser für Fluide wird von einem Gehäuse mit zylindrischer Umfangswand ausgegangen, das eine kreisförmige Eintrittszone aufweist, in die das Fluid eintritt, darin zirkuliert und von dort aus etwa tangential in eine innere Fühlzone übertritt, wobei durch das in der Fühlzone zirkulierende Fluid ein Meßkörper auf einer Kreisbahn vorwärtstreibbar ist.

Bei einem solchen Durchflußmesser werden die eingangs genannten Nachteile in annähernd gleichwertiger Weise durch eine Konstruktion beseitigt, die sich dadurch kennzeichnet, daß das Gehäuse von gegenüberliegenden oberen und unteren Stirnwänden gebildet ist, die die Eintrittszone A und die Fühlzone B oben und unten abschließen, von denen eine Stirnwand eine zentrale axiale Ausströmöffnung aufweist, daß zwischen der Eintrittszone A und der Fühlzone Sein kreisrundes, festes Führungsflügelsystem angeordnet ist, das die Fühlzone B konzentrisch umgibt und sie begrenzt und mehrere gleichmäßig verteilte Fühmngsflügel hat, die über den ganzen Umfang in demselben Winkel in bezug auf den Radius eingestellt sind, und daß der Meßkörper frei umläuft und durch die Stirnwände des Gehäuses geführt ist.

Auch in diesem Fall hat sich als Meßkörper eine Kugel bewährt, weil diese das Strömungsverhältnis nur geringfügig stört, wenn sie von der Fluidströmung umströmt wird und dabei vom Strömungswiderstand vorwärtsgetrieben wird.

Das eingangs genannte Problem besteht auch bei einem Durchflußmesser für Fluide mit einem ringförmigen Gehäuse, in das das Fluid durch wenigstens eine tangentiale Einströmöffnung eintritt und aus dem es durch eine zentrale, axiale Ausströmöffnung austritt, mit einem von dem Fluid angetriebenen, drehbar gelagerten Meßrad, das von einer sich von der Einströmöffnung aus in Umfangsrichtung des Gehäuses im Quei schnitt verjüngenden Eintrittszone für die Strömung umgeben ist, von der aus das Fluid zur Ausströmöffnung strömt, und die innen bis zu einer gedachten, die inneren Ränder der EinströmölTnung langicrenden, zur Ausströmöffnung koaxialen, kreisförmigen, zylindrischen Grenzfläehe reicht, wobei das Meßrad mit wenigstens radial gerichteten Flügeln ausgestaltet ist. die in den Bereich innerhalb der gedachten Grenzfläche hineinragen und auf der der Ausströmöffnung ueaenuberlieeenden Seile

mit Armen an der Drehachse befestigt sind.

Bei dem bekannten Durchflußmesser dieser Art (DT-PS 41 017) ist der Strömungsverlauf deshalb nicht optimal, weil die Querschnittsform des sich spiralförmig verjüngenden Einströmungskanals sich in Umfangsrichtung verändert. Dies bewirkt eine Änderung der in radialer Richtung übertretenden Fluidmenge längs des Umfangs. Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird deshalb bei diesem Durchflußmessertyp erfitidungsgemäß vorgeschlagen, daß die Eintrittszone auf den beiden Stirnseiten von zwei Stirnwänden des Gehäuses eingeschlossen und nach außen von in einer in axialer Richtung geraden Umfangswand begrenzt ist, die über ihre ganze Höhe zwischen den Stirnwanden parallel zur gedachten Grenzfläche verläuft, und deren Abstand zu der gedachten Grenzfläche sich in UmfangSi irhtung kontinuierlich vermindert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der oben angegebenen drei nebengeordneten Lösungen der bezeichneten Aufgabe sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung mit Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine waagerechte Schnittansicht einer Meßkammer mit einer schematischen Darstellung des inneren geometrischen Aufbaus der Kaniii.er,

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie H-Il in Fig. 1,

Fig. 3 das Strömungsfeld innerhalb eines Teils der Kammer,

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

Fig. 6 eine waagerechte Schnittansicht eines Durchflußmessers, der mit der in den F i g. 1 und 2 gezeigten Kammer versehen ist, und zwar längs der Linie Vl-Vl in Fig.7,

Fig. 7 eine Querschnittsansicht längs der Linie VIl-VI! in F ig. 6,

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

F i g. 8 eine schematische waagerechte Schnittansicht eines Durchflußmessers, der mit der Strömungskammer nach der zweiten Ausführungsform versehen ist, und zwar längs der Linie VIII-VIII in F i g. 9,

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

Fig. 10 einen Durchflußmesser mit einer Meßkammer, die jedoch mit einem modifizierten Fühlerelement ausgestattet ist,

Fig. 10a eine Ansicht derselben Meßkammer wie in F i g. 10, jedoch wiederum mit einem anderen Fühlerelement,

Fi g. 10b und 10c Einzelheiten des in den Fi g. 10 bzw. 10a gezeigten Fühlerelements,

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 Ausführungsform der Anzeigevorrichtung aufweist, und

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

In den Fig. 1 und 2 ist schematisch die innere geometrische Form der als ringförmiges Gehäuse ausgebildeten Durchflußmeßkammer des 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 O liegt, und auf der Innenseite 14 der Eintrittsöffnung endet, wobei die Spiralform logarithmisch ist. Betrachtet man die Kammer im Querschnitt, wie in F i g. 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 20 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 llintritlszone A, eine Fühizone Z?und eine Austrittszone Cunterteilt ist. Die Eintrittszone und die Fühlzone sind durch eine imaginäre zylindrische Oberfläche getrennt, die sich konzentrisch zur Eintrittsöffnung erstreckt und im wesentlichen tangential zum Eintrittskanal an der Innenseite 14 der Mündung des Kanals angeordnet ist. Diese Grenze oder Strömungsmittelgrenzfläche ist bei 22 gezeigt. In ähnlicher Weise sind die Fühl- und Austrittszonen β bzw. C durch eine imaginäre zylindrische Oberfläche oder Strömungsmiuelgrenzfläche getrennt, die eine imaginäre Verlängerung der zylindrischen Austrittsöffnung 20 bildet, welche sich in die Kammer hineinerstreckt, wie dies durch das Bezugszeichen 24 dargestellt ist. Bei dieser Kammerkonstruktion bewegt sich das Strömungsmittel, das in der sich verjüngenden Eintrittszone A fließt, die eine logarithmische Spirale aufweist, schräg so in die Fühlzone B hinein, daß in dem ganzen Strömungsmittelfiuß 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 O der Ausströmöffnung 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 Fühlzone Bein Meßkörper aufnehmen. Bei dem im folgenden beschriebenen Ausführungsformen ist in der Fühlzone B ein beweglicher Körper angeordnet, der 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 bildet die Grundlage, auf der die erwünsch's Linearität in den mit dem Durchflußmesser erhaltenen Meßwerten, die die bisher bekannten Durchflußmesser nicht bieten, erreicht wird, das heißt, die von dem Meßkörper innerhalb aller praktisch möglichen Grenzen gelieferten Anzeigewerte sind in einem hohen Maße direkt proportional der Geschwindigkeit oder dem Volumenstrom des durchströmenden Mediums. Dieser Zusammenhang zwischen der Strömung in der Fühizone Bund der Linearität der Meßwerte wird im einzelnen anhand der Fig. 3—5 erläutert.

So zeigt F i g. 3, wie ein Fluidtcilchen des Strömungsmittels, das in die Fühizone B an einem willkürlich gewählten Punkt 26 in einer Richtung eintritt, die mit

dem Radius den Winkel α bildet, sich der Austrittszone C auf einer spiralförmigen Bahn nähert, wobei das Fluidteilchen mehrere Male rund um die Fühlzonc B umläuft, bevor es die Ausströmöffnung erreicht. Die Geschwindigkeit des Teilchens bei seinem Eintritt in die Fühlzone ist mil Ci bezeichnet und läßt sich in eine Tangentialkomponente V₀ und eine Radialkomponentc Uu 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 durch die Meßkammer, und wenn man einen bestimmten Durchflußmesser mit bestimmten Abmessungen betrachtet, also mit einer Kammer der ί Jone h und bei einem Radius der Pühizone ro,dann ergibt sich für das Durchflußvolumen q,d. h. also das Volumen des durch die Kammer strömenden Strömungsmittels pro Zeiteinheit, der folgende Zusammenhang, und zwar aufgrund der Kontinuität und der Symmetrie, die in der Eintrittszone vorhanden sind,

q =

r₀-Ji ■ U₀.

Unter Berücksichtigung der Strömungsmechanik weist der radiale Einlauf des Strömungsmittels in die Fühlzone eine Reynoldszahl

Rc =

auf, wobei e 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.4 zeigt graphisch die eine Lösung dieser Gleichungen für eine Anzahl Werte von Re in Form von Kurven, die die Tangentialgeschwindigkeit V als Funktion des Kammerradius r beschreiben, wobei die Reiativwerte V/V« und r/n, angegeben sind, um dimensionslose Bezugspunkte zu erhalten. Es wird darauf hingewiesen, daß die unterschiedlichen Kurven auch unterschiedliche q-Werte darstellen, da der obige Ausdruck für q wie folgt geschrieben werden kann:

q — 2.-rr„ · h - U₀ = 2-ift R_ei = konst. Rc .

Daraus ist ersichtlich, daß zwischen den Teilen der Kurven, die im allgemeinen im Bereich r/r« — 0 bis r/ro = 0,3—0,4, also im allgemeinen innerhalb der Austrittszone C liegen. Abweichungen auftreten. Die Grenzlinie 24 zwischen der Fühlzone B und der Austrittszone Cist in dem Diagramm dargestellt

Wenn die Strömung bei einem willkürlich gewählten Radius η innerhalb der Fühlzone betrachtet wird, der durch die Linie 30 in F i g. 4 bei dem Wert n/r« angezeigt wird und die Tangentialgeschwindigkeit V₁ bei diesem Radius als Funktion von Re und damit von q ermittelt wird, also in Form der Relativgeschwindigkeit Vj/ V_n, so ergibt sich die in F i g. 5 dargestellte Kurve. Wenn Re sehr kleine Werte aufweist so steigt V₁/V₀ mit wachsendem Re bis zu einem konstanten Wert an, der für Re größer als etwa 6 anwendbar ist Dieser Rc-Wert entspricht einem minimalen Durchflußvolumen q_mm, und für alle größeren q-Werte ist das Verhältnis V,/V₀ somit konstant, d.h. V, = konst V_n. jedoch ist V_n aufgrund der gleichmäßigen Verteilung des Strömungsmittel*, die durch die Eintrittszone bewirkt wird, direkt proportional dem Durchflußvolumen q, wobei V| ebenfalls direkt proportional q ist, d. h. V₁ = konst. q.

Da η ein willkürlich gewählter Radius innerhalb der Fühlzone gewesen ist, ist die obige Diskussion für jeden s beliebigen Radius innerhalb dieser Zone anwendbar, d. h. die gewünschte lineare Abhängigkeit zwischen V und q gilt für die ganze Fühlzone. Alternativ dazu läßt sich die Linearität auch so ausdrücken, daß dann, wenn q größer ist als (7,„_mdas Winkeldrehmoment

'" n= ν,Γ,/Vo/b

konstant und unabhängig von dem Durchflußvolumen q in der Fühlzone ist, da das relative Winkeldrehmoment für den Radius η nur eine mit Vi/V₀ multiplizierte

ι s Konstante ist.

Praktische Versuche haben gezeigt, daß ein Durchflußmesser mit einer gemäß den hier gemachten Vorschlägen gebauten Strömungskammer in einem hohen Maße innerhalb des ganzen in Frage 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 F i g. 4 gezeigten Kurven nach unten zu zur Folge, und dementsprechend

2<i 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

ίο haben ferner gezeigt, daß sich, falls dies gewünscht wird, die Fühlzone 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 F i g. 5 dargestellten Zusammenhanges darauf hingewiesen, daß der konstante Wert der für die Relativgeschwindigkeit Vi/V₀ angenommen wird, in der ganzen Fühlzone größer 1 ist Daraus läßt sich schließen, daß eine vorteilhafte strömimgsmechansiche Verstärkung des Durchflusses erhalten wird, d. h., daß ein Fühlelement beispielsweise in Form einer freibeweglichen Kugel od. dgl, die sich in der Fühizone 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 Fig.3 dargestellt, wo gezeigt ist wie sich ein Fluidteilchen über eine Anzahl Umläufe, und zwar im dargestellten Fall annähernd drei Umläufe, mit wach-

so sender Geschwindigkeit innerhalb der Fühlzone bewegt bevor es sie Ausströmöffnung erreicht Des weiteren braucht bei der hier beschriebenen Anordnung sich der Meßkörper niemals durch irgendeinen der eintretenden Strömungsmittelstrahlen hindurchzubewegen oder von einem solchen Strahl berührt zu werden und dadurch verschleißenden Stoßen etc ausgesetzt zu werden. Aufgrund der Tatsache, daß das Strömungsmittel frei fließt ohne auf Hindernisse in Form von Geschwindigkeit reduzierenden Taschen

to oder Elementen aufzutreffen, die eine abrupte Änderung der Strömungsrichtung bewirken, sind die Verluste in den einzelnen Zonen klein.

Die in den F i g. 1 und 2 gezeigte Strömungskammer kann in der Praxis in einem Durchflußmesser des in den

r.5 Fig.6 und 7 schematisch dargestellten Typs Verwendung finden. Der Durchflußmesser der in den F i g. 6 und 7 gezeigten Ausführungsform ist allgemein mit 40 bezeichnet und weist ein Gehäuse 42 auf, das eine untere

und obere Stirnwand 44 und 46 besitzt, die parallel zueinander angeordnet sind und mit Hilfe der Umfangswand 48 in einem bestimmten Abstand zueinander gehalten werden. Die Stirnwände und die Umfangswand bilden gemeinsam eine Kammer 50, die eine tangential gerichtete Einströmöffnung 52 und eine zentral angeordnete Ausströmöffnung 54 aufweist, die in der unteren Stirnwand 44 angeordnet sein kann. Die Einströmöffnung 52 kann einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben und ist an die Wände der spiralförmigen Kammer angebracht, so daß abrupte Querschnittsänderungen vermieden werden, 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 β und eine Austrittszone C 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 aufweist, der dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt O und der radialen Innenkante 52'" der Einströmöffnung entspricht. Die Grenze, die die Fühlzone B und die Austrittszone Ctrennt, hat die Form einer zylindrischen Oberfläche 58, die eine imaginäre Verlängerung der Ausströmöffnung 54 in die Kammer hinein bildet Die äußere Begrenzungswand der Eintrittszone wird von der spiralförmigen Umfangswand 48 gebildet, die längs einer vorzugsweise logarithmischen Spirale erstreckt und von der radialen Außenkante 52' der Einströmöffnung wegführt, sich über 360° rund um die Kammer erstreckt und an der radialen Innenkante 52" der Einströmöffnung endet. Die Steigung der Spirale fällt somit mit der Breite der Einströmöffnung zusammen. Aus praktischen Gründen kann die Innenkante der Einströmöffnung unter Berücksichtigung der Dicke des Materials, aus dem der Durchflußmesser gebaut ist, wie in F i g. 6 bei 52'" gezeigt, etwas verschoben werden, so daß sich die Spirale nicht über volle 360° rund um die Kammer erstreckt

Wie bereits oben erwähnt, ermöglicht es die logarithmische Spiralform der Kammer, daß die wesentliche Betriebsbedingung für die Eintrittszone erfüllt werden kann, nämlich daß die Geschwindigkeit, mit der das Strömungsmittel in die Fühlzone B hineinströmt, überall gleich ist und eine Richtung ha«, die mit einem zum Mittelpunkt O gezogenen Radius im wesentlichen überall den gleichen Winkel einschließt Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß diese Bedingung in der Praxis auch mit anderen als logarithmischen Spiralen erfüllt werden kann, so beispielsweise mit einer archimedischen Spirale oder mit zwischen diesen beiden Spiraltypen liegenden Spiralformen. Des weiteren wird die Fühlzone von den beiden Stirnwänden 44 und 46 begrenzt, die in parallelen Ebenen liegen, und zwar so, daß das Strömungsmittel während seiner Kreisbahnbewegung in Richtung auf die Ausströmöffnung so geführt wird, daß keine Axialbewegung stattfindet Die Bedingung, daß die Stirnwände in parallelen Ebenen liegen, kann jedoch außer acht gelassen werden, wenn vorausgesetzt wird, daß die Axialgeschwindigkeiten im Hinblick auf die übrigen Geschwindigkeitskomponenten innerhalb der Fühlzone B klein sind, wie dies im folgenden unter Bezugnahme auf F i g. 7a beschrieben ist

Bei der in F i g. 7 gezeigten Ausführungsform hat der Meßkörper die Form einer Kugel 60, die durch kreisrunde, flache Führungsnuten 62 und 64 geführt wird, welche in den Stirnwänden 44, 46 der Kammer 50 angeordnet sind.

Die Kugel steht mit den Führungsnuten in Berührung und folgt ihnen auf einer kreisförmigen Bahn in der Fühlzone B der Kammer 50, während sie von dem in dieser Zone zirkulierenden Strömungsmittel angetrieben wird, ohne jedoch mit dem Strahl des aus der Einströmöffnung 52 kommenden Strömungsmittels

ίο 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

i.s Versuche gezeigt, daß ein mit einer Strömungskammer der hier beschriebenen Art versehener Durchflußmesser über den ganzen in Frage 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 ist.

Es sind einige Verfahren bekannt, mit denen die Bewegung der Kugel angezeigt werden kann, d. h. im wesentlichen die Anzahl der Umdrehungen der Kugel pro Zeiteinheit oder ihre Kreisbahngeschwindigkeit. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens stellt die schematisch in F i g. 7 gezeigte photoelektrische Anordnung 70 dar, die eine Lichtquelle 72, eine Photozelle 74, einen elektronischen Wandler 76 und einen Anzeiger 78 aufweist.

Da, wie bereits erwähnt, die Stirnwände der Kammer nicht unbedingt parallel angeordnet sein müssen, ist auch eine Konstruktion der in Fig. 7a gezeigten Art möglich. Die bei der Ausführungsform nach F i g. 7a verwendete Kammer entspricht im allgemeinen der in Fig. 7 dargestellten. Auch in diesem Fall wird eine Kugel 60' als Meßkörper benutzt, die in Führungsnuten 62' und 64' geführt wird. Wie aus F i g. 7a jedoch hervorgeht, sind die Stirnwände 44' und 46' geringfügig schalenförmig gewölbt, und zwar so, daß ihre äußeren Teile einen Winkel zueinander bilden, wie aus der Zeichnung hervorgeht. Durch eine solche Konstruktion wird es möglich, die Querschnittsfläche der Einströmöffnung in bezug auf die Kugel kleiner zu machen und damit ein Merkmal zu verwirklichen, das für gewisse Fälle Vorteile bietet.

In F i g. 7a ist außerdem in schematischer Weise noch eine 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' geleitet der beispielsweise ein Zeigerinstrument ist

In den Fig.8 und 9 ist schematisch eine zweite Ausführungsform eines Durchflußmessers mit Strömungskammer dargestellt Dieser Durchflußmesser 80 stimmt mit dem Durchflußmesser der Fig.6 und 7 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 untere und obere Stirnwände 84 bzw. 86 besitzt sowie eine im wesentlichen kreisrunde oder zylindrische

Umfangswand 88, die die Meßkammer 90 umgibt. Das Gehäuse hat eine Einströmöffnung 92, die im dargestellten Fall nicht tangential gerichtet ist, sondern radial oder, wie durch die strichpunktierte Linienführung bei 92' angedeutet, axial angeordnet sein kann und sich in s der unteren Stirnwand 84 des Gehäuses 82 befindet. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform so ist auch hier der Durchflußmesser mit einer axialen Ausströmöffnung 94 versehen, die sich in der bodenseitigen bzw. unteren Stirnwand des Gehäuses befindet. ι ο

'Jm das Strömungsmittel in die Fühlzone des in den Fig.8 und 9 gezeigten Durchflußmessers hineinzuführen und eine vollständige Symmetrie der Strömung nach dem oben beschriebenen Prinzip sicherzustellen, d. h. zu bewirken, daß das Strömungsmittel von der Eintrittszo- ι s ne unter einem konstanten Winkel und mit konstanter Geschwindigkeit wegströmt, ist ein Führungsflügelsystem 100 in Form eines Führungsflügelrings in der Kammer 90 konzentrisch zum Gehäuse und zum Mittelpunkt O angeordnet. Der Führungsflügelring besteht aus einer Anzahl dünner, gerade gerichteter oder gekrümmter Führungsflügel 102, die beispielsweise zwischen einem unteren Ring 104 und einem oberen Ring 106 befestigt sind, wobei die Ringe in die Stirnwände 84 und 86 des Gehäuses so eingelassen sind, daß die Führungsflügel sich zwischen den Wandteilen erstrecken. Alle Führungsflügel sind gleichmäßig rund um den Umfang angeordnet und sind beiderseits ähnlich gebaut und angeordnet so daß die von der Mitte O von der Ausströmöffnung zu identischen Punkten auf den Führungsflügeln verlaufenden Radien diese unter demselben Winkel schneiden.

Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, so ist auch hier die Meßkammer 90 in eine Eintrittszone, eine Fühlzone und eine Austrittszone unterteilt, die mit A, B und C 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 Führungsflügelrings liegt, während die zwischen der Fühlzone B und der Austrittszone C befindliche Grenze von einer zylindrischen Oberfläche 110 gebildet wird, die eine ^Verlängerung des Austritts darstellt Die Eintrittszone A ist nach außen von einer Seitenwand 88 des Gehäuse - 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 Meßkammer hinein mit Hilfe des Führungsflugelsystems 100 erfüllt wird, das das Medium gleichmäßig in der gewünschten Richtung und mit der gewünschten gleichförmigen Geschwindigkeit führt. Der Teil der Eintrittszone Ä, der mit der Außenseite des Führungsflügelrings in Verbindung steht, bildet eine Druckausgleichskammer für das durch die Einströmöffnung 92 eintretende 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 F i g. 6 und 7 so weist auch hier der dargestellte Fühlkörper die Form einer Kugel 118 auf, die in Führungsnuten 112, 114 geführt wird, welche in den Stirnwänden 84 und 86 des Durchflußmessers angeordnet sind, und die dazu gebracht wird, das durch die Fühlzone β strömende Medium linear und mit großer Präzision zu begleiten. Die Geschwindigkeit fts oder Kreisbahngeschwindigkeit der Kugel 118 wird in geeigneter Weise, beispielsweise mit Hilfe einer photoelektrischen Anordnung 70, die der in F i g. 7 dargestellten Anordnung entspricht, ermittelt.

In Fig. 10 ist ein Durchflußmesser gezeigt, der eine Meßkammer 120 enthält, deren Seitenwand eine logarithmische Spirale bildet. In diesem Fall erkennt man, daß die Einströmöffnung 122 und die Ausströmöffnung 124 koaxial angeordnet sind und sich von der Einströmöffnung 122 längs eines Teils der Meßkammer 120 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 F i g. 6 beschrieben wurde. Die vor der Ausströmöffnung 124 befindliche Austrittsöffnung 126 liegt koaxial zur Kammer und mündet in einen gekrümmten Ausflußkanal 128 (Fig. 11), der zur Ausströmöffnung 124 führt und koaxial zur Einströmöffnung 122 angeordnet ist. In diesem Fall besteht der Meßkörper aus einem Meßrad 130, das in ZentraÜagern getragen wird und eine leichte Drehkreuzkonstruktion bildet, deren Material vorzugsweise dieselbe Dichte wie das zu messende Medium hat.

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 Kugel bei den obigen Ausführungsformen. Das in F i g. 10 gezeigte Meßrad 130 weist drei Flügel 134 auf, während die in Fig. 10a dargestellte leichtere Meßradkonstruktion 130' nur zwei Flügel 134' besitzt. In den Fig. 10b und 10c sind zwei Beispiele für Meßradschaufelformen dargestellt, die sich von der flachen Schaufel unterscheiden. So zeigt Fig. 10b eine leicht gebogene Schaufel 136, während in Fig. 10c eine tassenförmige oder teilkugelförmige Schaufel 138 dargestellt ist. Die Schaufelform läßt sich entsprechend dem herrschenden Drehmoment, dem das Meßrad 130 oder 130' als Ganzes ausgesetzt ist, wählen.

Wie aus Fig. 11 hervorgeht, ist das Meßrad 130 in zentralen Lagern in der Kammer 120 frei drehbar gelagert wobei seine Bewegung und insbesondere seine absolute Drehzahl in analoger Weise mit der Anordnung nach F i g. 7a angezeigt werden können, also mit einem induktiven System 140, zu dem ein Meßwertwandler 172 gehört. Der Wandler ermittelt jeden Flügeldurchgang und erzeugt einen Impuls, der auf einen Umformer 144 übertragen wird, welcher ein digitales oder analoges Ausgangssignal liefert, wobei ersteres einem Integrator oder Addiermechanismus 145 und letzteres einem Zeigerinstrument 146 und Schreiber 148 zugeführt werden.

Alternativ dazu läßt sich das Anzeigen und Aufschreiben der Bewegungen des Meßrades mit Hilfe eines mechanischen Zählers durchführen, wie er schematisch in Fig. 12 gezeigt ist. In diesem Falle ist die Welle 131 des Meßrades 130a verlängert und läuft durch ein Lager 133 im Deckel des Gehäuses des Durchflußmessers. An ihrem freien Ende ist die Welle mit einem kleinen Zahnrad 135 versehen, das einen Zählermechanismus 141 antreibt

Mit Fig. 13 schließlich sollen die strukturellen Möglichkeiten und die Anpaßbarkeit eines Durchflußmessers gezeigt werden, der mit einer Meßkammer 150 versehen ist, die gleichzeitig ais wirksame Rühr oder Mischkammer dient In diesem Falle ist der Durchflußmesser mit zwei Einströmöffnungen 152a und 152Λ versehen, die mit Einlaufkanälen 155a und 155Z> in Verbindung stehen, welche sich in tangentialer Richtung in die Meßkammer 150 hinein öffnen, und zwar in

13 14

derselben Weise wie der Einlaufkanal 125 in Fig. 10. entsprechenden Einströmöffnungen 152a und 1526

Die Wand der Meßkammer 150 ist ebenfalls in Form eintretende Strömungsmittel wird in der Kammer 150

einer logarithmischen Spirale ausgebildet, jedoch in wirksam vermischt, woraufhin die vermischten Teilströ-

zwei Abschnitte 151a und 1516 unterteilt, so daß zwei me die Kammer durch die gemeinsame Ausströmöff-

diametral gegenüberliegende Eintrittsöffnungeii 154a s nung 156 verlassen.

1546 entstehen, wie dies in Fig. 13 zu sehen ist. Der Hierbei zeigt die Kugel 160 die Summe der

Ströinungsfluß in der Meßkammer 150 wird in diesem Strömungs- bzw. Durchflußvolumina an.
Fall mit e'ner Kugel 160 abgetastet, und das durch die

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Durchflußmesser für Fluide mit einem ringförmigen Gehäuse, in das das Fluid durch wenigstens eine tangentiale Einströmöffnung eintritt und aus dem es durch eine zentrale axiale Ausströmöffnung austritt und mit einem von dem Fluid angetriebenen Messelement, das von einer sich von der Einströmöffnung aus in Umfangsrichtung des Gehäuses im Querschnitt verjüngenden, ringförmigen Strömungszone umgeben ist, von der aus das Fluid zur Ausströmöffnung strömt, die außen von einer Umfangswand und zwei sich gegenüberliegenden, scheibenförmigen Stirnflächen begrenzt ist, d a durch gekennzeichnet, daß die Umfangswand (48) über ihre ganze Höhe zwischen den Stirnwänden (44, 46) ihren Abstand zu einer gedachten, die inneren Ränder der Einströmöffnung tangentierenden, zur Ausströmöffnung (54) koaxialen, kreisförmigen, zylindrischen Grenzfläche (56) zur Bildung einer spiralförmigen Strömungszone kontinuierlich vermindert, und daß das Meßelement (60) aus einem zwischen dieser gedachten Grenzfläche und der Ausströmöffnung auf einer Kreisbahn umlaufenden, von den Stirnwänden (44, 46) frei geführten Meßkörper besteht (F i g. 6 und 7).

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Einströmöffnung (52) oder öffnungen (152a, 1526) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, bei dem ein Paar gegenüberliegende Seiten sich mit ihren Rändern im wesentlichen auf derselben Höhe befinden wie die gegenüberliegenden Stirnwände (44.46).

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zwei tangentiale Eintrittsöffnungen (152a, 152f>) aufweist, die einander gegenüberliegen.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Radius der Ausströmöffnung C zum Radius der Fühlzone Bnicht kleiner als 0,25 ist.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige Strömungszone einer logarithmischen Spirale entspricht.

6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige Strömungszone einer archimedischen Spirale entspricht.

7. Durchflußmesser für Fluide mit einem Gehäuse mit zylindrischer Umfangswand, das eine kreisförmige Eintrittszone aufweist, in die das Fluid eintritt, darin zirkuliert und von dort aus etwa tangential in eine innere Fühlzont: übertritt, wobei durch das in der Fühlzone zirkulierende Fluid ein Meßkörper auf einer Kreisbahn vorwärtstreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (82) von gegenüberliegenden oberen und unteren Stirnwänden (84, 86) gebildet ist, die die Eintrittszone A und die Fühlzone S oben und unten abschließen, von denen eine Stirnwand (84) eine zentrale axiale Ausströmöffnung (94) aufweist, daß zwischen der Eintrittszone A und der Fühlzone B ein kreisrundes, festes Führungsflügelsystem (100) angeordnet ist, das die Fühlzone B konzentrisch umgibt und sie begrenz! und mehrere gleichmäßig verteilte Führungsflügel

(102) hat, die über den ganzen Umfang in demselben Winkel in bezug auf den Radius eingestellt sind, und daß der Meßkörper (118) frei umläuft und durch die Stirnwände des Gehäuses geführt ist (F i g. 8,9).

8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 —7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stirnwänden (44,46,84,86) flache Führungsnuten (62,64,112, 114) für den Meßkörper (60,118) vorgesehen sind.

9. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche ίο 1 —8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (60,118) eine Kugel ist.

10. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche I —9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswand in axialer Richtung des Gehäuses gerade ist.

is H- Durchflußmesser für Fluide mit einem

ringförmigen Gehäuse, in das das Fluid durch wenigstens eine tangentiale Einströmöffnung eintritt und aus dem es durch eine zentrale, axiale Ausströmöffnung austritt, mit einem von dem Fluid angetriebenen, drehbar gelagerten Meßrad, das von einer sich von der Einströmöffnung aus in Umfangsrichtung des Gehäuses im Querschnitt verjüngenden Eintrittszone für die Strömung umgeben ist, von der aus das Fluid zur Ausströmöffnung strömt, und die

2s innen bis zu einer gedachten, die inneren Ränder der Einströmöffnung tangierenden, zur Ausströmöffnung koaxialen, kreisförmigen, zylindrischen Grenzfläche reicht, wobei das Meßrad mit wenigstens radial gerichteten Flügeln ausgestattet ist, die in den Bereich innerhalb der gedachten Grenzfläche hineinragen und auf der der Ausströmöffnung gegenüberliegenden Seite mit Armen an der Drehachse befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittszone A auf den beiden Stirnseiten

is von zwei Stirnwänden des Gehäuses eingeschlossen und nach außen von einer in axialer Richtung geraden Umfangswand begrenzt ist, die über ihre ganze Höhe zwischen den Stirnwänden parallel zur gedachten Grenzfläche verläuft, und deren Abstand zu der gedachten Grenzfläche sich in Umfangsrichtung kontinuierlich vermindert (F i g. 10— 12).

12. Durchflußmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennieichnet, daß das Verhältnis des Radius der Ausströmöffnung C zum Radius der Fühlzone B

4s nicht kleiner ist als 0,25.