DE3737427C2 - Vorrichtung zur Erfassung einer Strömungsmenge eines Fluids - Google Patents
Vorrichtung zur Erfassung einer Strömungsmenge eines FluidsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer
Strömungsmenge eines Fluids nach dem Oberbegriff des Anspru
chs 1.
Aus der DE-OS 19 16 647 ist ein Strömungsmesser für Flüssig
keiten und Gase bekannt. Diese Vorrichtung enthält ein Gehäu
se, in dem sich eine kreisförmige Umlaufkammer befindet, die
eine in ihrer Tangentialrichtung angeordnete Einlaßöffnung
und eine mittig in ihrer Bodenfläche angeordnete Auslaßöff
nung aufweist. Die Umlaufkammer enthält ferner ein von ihrer
oberen Deckfläche nach innen vorstehendes Glied sowie eine
Kugel, die in die Umlaufkammer so eingesetzt ist, daß sie um
das vorstehende Glied und längs einer Wand der Umlaufkammer
bei durch die Einlaßöffnung einlaufendem Fluid umläuft. Zur
Messung der Strömungsmenge des Fluids von der Einlaßöffnung
zur Auslaßöffnung ist eine Erfassungseinheit vorgesehen, mit
tels der die Umlauffrequenz der Kugel erfaßt wird.
In der DE-OS 23 18 715 ist eine Vorrichtung zum Messen des
Gas- bzw. Flüssigkeitsdurchsatzes beschrieben. Dabei ist ein
Gehäuse mit einer Ringkammer vorgesehen, die durch einen vom
Gehäuseboden nach innen vorstehenden Vorsprung und einen
axial mit letzterem ausgerichteten Austrittsstutzen gebildet
ist, der durch die Deckfläche des Gehäuses nach außen führt.
An die Ringkammer ist tangential ein Einlaß angeschlossen,
durch den Fluid in die Ringkammer gelangt und von dort durch
einen konzentrischen Ablaufschlitz zwischen dem Vorsprung
und dem Austrittsstutzen in letzteren hinein und nach außer
halb des Gehäuses strömt. Durch diese Strömung wird eine in
der Ringkammer angeordnete Kugel in Umlauf versetzt, wobei
die Umlauffrequenz mittels eines Sensor detektiert wird.
Aus der DE 26 33 803 A1 ist ein Strömungsmesser für flüssige
und gasförmige Medien bekannt. Diese Vorrichtung enthält ein
Gehäuse mit einer Ringkammer, deren Innenring durch ein
durch die Bodenfläche des Gehäuses geführtes zentrales Ein
laßrohr gebildet ist. Innerhalb des Gehäuses ist das Einlaß
rohr in Axialrichtung abgedichtet und weist bezüglich seines
Innenumfangs tangential in die Ringkammer führende Durchläs
se auf. Das Einlaßrohr endet im Inneren des Gehäuses in
einem geringen Abstand zur Schaffung eines konzentrischen Ab
laufschlitzes vor der Gehäusedeckfläche, die koaxial mit dem
Einlaßrohr zentral mit einem Auslaß versehen ist. Außerhalb
des Gehäuses ist ein elektromagnetischer oder photoelektri
scher Sensor zur Bestimmung der Umlauffrequenz der Kugel in der
Fluidströmung angeordnet, um darüber die Strömungsmenge des
Fluids selbst zu bestimmen.
Ein weiterer bekannter Durchflußmesser für Fluide ist in der
DE 22 54 482 B2 beschrieben. Hier ist ein Gehäuse mit einer
Umlaufkammer in der Form einer logarithmischen Spirale vorge
sehen. Die Umlaufkammer enthält einen tangential mündenden
Einlaß sowie einen zentral abgehenden Auslaß. Konzentrisch
zu der Auslaßöffnung sind in der Boden- und entsprechend
auch in der Deckfläche der Umlaufkammer kreisförmige Füh
rungsnuten für eine mit dem durchströmenden Fluid umlaufende
Kugel enthalten. Die Durchströmungsmenge wird durch die mit
tels eines Sensors erfaßte Umlauffrequenz der Kugel ermittelt.
Eine weitere bekannte Anordnung zur Messung der Strömungsmen
ge eines Fluides besteht darin, daß ein um die Achse der
Fluidströmung drehbares Flügelrad vorgesehen und die Strö
mungsmengenmessung dadurch ausgeführt wird, daß die Umdre
hungsfrequenz einer Kugel erfaßt wird, die aus magnetischem Mate
rial besteht und in wirksamer Beziehung zu dem Flügelrad ge
setzt ist.
Alle vorgenannten Vorrichtungen erlauben eine Strömungsmes
sung bei einem relativ großem Fluiddurchsatz von über etwa 3 l/min,
lassen aber in nachteiliger Weise keine ausreichend
genaue Durchflußmengenbestimmung bei geringen Strömungen von
etwa 0,3 bis 2 l/min zu. Ferner ist bei den bekannten Vor
richtungen die Erfassung der Umlauffrequenz aufgrund der Ablen
kung der Kugel in Achsenrichtung der Fluidströmung instabil.
Desweiteren sind die Baugrößen der aus den einzelnen Druck
schriften bekannten Strömungsmengenmesser insbesondere auf
grund vorhandener Strömungsquerschnitts-Engstellen und auch
technisch wie konstruktiv aufwendigen Details nach unten be
schränkt. Diese Nachteile ergeben somit Schwierigkeiten,
wenn ein solches System zum Messen von stabilen Strömungen
in recht kleinen Ausmaßen und bei kleinen Vorrichtungen be
nutzt wird, beispielsweise bei in einem menschlichen Körper
eingepflanzten Arzneimittelspendern u. a.
Aus der JP 52-36 057 ist eine Strömungsmeßvorrichtung be
kannt, die eine zylindrische Umlaufkammer aufweist, in wel
che eine kleine Kugel aufgrund eines durchströmenden Fluids
um ein ebenfalls zylindrisches, nach unten vorstehendes Ele
ment umläuft.
Diese bekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß sie
nicht verhindern kann, daß die kleine Kugel bei nicht-kon
stantem Strömungszustand des einströmenden Fluids, wie dies
beispielsweise bei einer pulsierenden Strömung der Fall ist,
ihre Umlaufbahn an der Innenwand der zylindrischen Umlaufkam
mer verläßt und sich in Richtung des Zentrums der Kammer be
wegt. Außerdem wird durch die Ausbildung dieser bekannten
Vorrichtung nicht verhindert, daß die kleine Kugel, bei
spielsweise durch eine stark ansteigende Strömungsgeschwin
digkeit des einströmenden Fluids, nach oben in den oberen
Abschnitt der zylindrischen Umlaufkammer gedrängt wird. In
diesem Fall würde das einströmende Fluid direkt auf die klei
ne Kugel treffen, die Kugel eine undefinierte Bahn durchlau
fen und es während des Betriebs sowohl zu Veränderungen der
Umlauffrequenz als auch zu Vibrationen der kleinen Kugel
kommen. Dadurch wird ihr stabiles und ruhiges Umlaufen beein
trächtigt, und eine genaue Meßwerterfassung ist unter diesen
Umständen nicht möglich.
Diese Nachteile ergeben sich auch bei einem aus der AT-PS
275 896 bekannten Durchflußmesser, bei dem in einem Gehäuse
mit einer Innenfläche in Form einer Rotationsfläche eine
Kugel lose untergebracht ist, wobei der Durchmesser der
Innenfläche des Gehäuses, auf welcher die Kugel herumrollt,
in Strömungsrichtung kontinuierlich abnimmt.
Einige Ausführungsformen dieses bekannten Durchflußmessers
weisen außerdem aufwendige mechanische Details auf.
Zusätzliche Nachteile ergeben sich somit, wenn ein solcher
Durchflußmesser in sehr kleinen Abmessungen hergestellt
werden soll.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Strömungsmenge eines Fluids
zu schaffen, welche die Strömungsmenge auch bei relativ
kleinen Strömungsmengen stabil und genau messen kann, die
mit sehr kleinen Abmessungen ausführbar ist und die ein
stabiles Umlaufen der Kugel bei allen auftretenden
Strömungszuständen des Fluids gewährleistet, so daß die
Strömungsmenge des Fluids unter allen Bedingungen immer
genau gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Aufgrund dieser Anordnung wird das durch die Einlaßöffnung
einströmende Fluid nicht auf die umlaufende Kugel ge
leitet, sondern erst oberhalb der letzteren in eine Zirkulationsströmung
versetzt, so daß die Kugel von dort
auftretenden kurzzeitigen Strömungsimpulsen in Umlaufrichtung
unberührt bleibt. Die Kugel wird erst von der
sich unterhalb der Einlauf-Zirkulationsströmung befindlichen
Fluidströmung in Umlauf gebracht, die sich in einer stabilen
Schraubbewegung nach unten in Richtung der Auslaßöffnung bewegt,
so daß ein gleichmäßiger, von kurzzeitigen Impulsen im
Bereich der Einlaßöffnung weitgehend unabhängiger Umlauf der
Kugel erreicht wird.
Die aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung erzeugte, nach
unten gerichtete Schraubbewegung des Fluids bewirkt ferner,
daß die Kugel gegen die Boden- und Seitenwand der Umlaufkammer
gedrückt wird, so daß die Kugel in einer
genau vorbestimmten Führungsbahn umläuft und Vertikal- und
Horizontalbewegungen der Kugel weitgehend ausgeschlossen
werden können. Der Umlauf der Kugel ist
daher nicht nur in Umlaufrichtung sehr gleichmäßig, sondern
auch in Horizontal- und Vertikalrichtung genau bestimmt und
vibrationsfrei.
Diese besonders gleichmäßige Kreisbewegung der Kugel
ermöglicht sehr genaue Messung auch kleinerer Strö
mungsmengen. Da ferner keinerlei Engstellen in dem Strömungs
weg enthalten sind, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch in einer sehr kleinen Baugröße ausgeführt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das vorstehende
Element Kegelform auf und bildet zusammen mit den Wänden der
Umlaufkammer einen Umlaufkanal, längs dem sich die einströ
mende Flüssigkeit bewegt und somit auch die Kugell um
läuft.
Vorzugsweise besitzt die Umlaufkammer einen zylindrischen Ab
schnitt mit konstantem Durchmesser und einen kegelförmigen
Abschnitt mit zur Oberseite hin abnehmendem Durchmesser. Da
bei ist die Höhe des zylindrischen Abschnittes der Umlaufkam
mer so festgesetzt, daß die Kugel bei ihrem Umlau
fen die Seitenflächen des konischen Abschnittes berührt. Da
durch ergibt sich ein besonders stabiler Umlauf der Kugel
längs des Umlaufkanals und somit eine stabile Er
fassung der Fluidströmung.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungsgegenstandes
sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei
spielsweise näher erläutert; in dieser zeigt:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Strömungs
mengen-Meßvorrichtung,
Fig. 2 eine Schnittansicht nach Linie A-A der Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch die Strömungsmengen-Meßvorrichtung,
etwa senkrecht zur Schnittlinie
nach Fig. 1 geschnitten, und
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Strömungscharakteristiken
der
Strömungsmengen-Meßvorrichtung.
In den Fig. 1 bis 3 ist eine Strömungsmengen-Meßvorrichtung
mit einer Umlaufkammer 6 mit einem zylindrisch
geformten Abschnitt 7 und einem kegeligen oder kegelstumpfförmigen
Abschnitt 8 gezeigt, die koaxial miteinander
verbunden sind. Die Umlaufkammer 6 besitzt eine
Einlaßöffnung 8d, die an einen Fluideinlauf-Durchlaß 9
so anschließt, daß ein durch den Durchlaß 9 in Pfeil
richtung H (Fig. 2) strömendes Fluid tangential in den
oberen Teil des kegelstumpfförmigen Abschnittes 8 der
Umlaufkammer 6 gelangt. Die Innenfläche 9a des Fluid-
Einlasses 9 ist so an die obere Fläche 8a der Umlauf
kammer 6 und an die Kegelstumpf-Seitenfläche 8b des
kegelstumpfförmigen Abschnittes 8 angeschlossen, daß die
Gestaltung der Umlaufkammer selbst nicht beeinträchtigt
wird. Die Umlaufkammer 6 besitzt eine Auslaßöffnung 7b
(Fig. 1), die in der Bodenfläche 7a der Umlaufkammer 6
in deren Mitte so angebracht ist, daß der Mittelpunkt
der Bodenfläche 7a mit dem Mittelpunkt der Auslaßöffnung
7b zusammenfällt. An die Auslaßöffnung 7b ist ein Auslaß
10 angeschlossen, der senkrecht zur Bodenfläche 7a
abgeht, so daß in die Umlaufkammer 6 eingeführtes Fluid
in Richtung des Pfeiles V (Fig. 1) abfließt. Bei dem
tatsächlichen Aufbau wird ein längliches Zylinderteil 15
in eine ringförmige Hülse 16, die mit der
Wand der Umlaufkammer 6 verbunden ist, eingesetzt, so daß die obere
Fläche des länglichen zylindrischen Teils 15 gleich
zeitig die Bodenfläche 7a der Umlaufkammer 6 ist, und
eine Mittelbohrung dieses zylindrischen Teiles 15 ist
dann der Fluidauslaß 10. Es ist ein O-Ring 12 vorgesehen,
der das längliche zylindrische Teil 15 mit der ringför
migen Hülse 16 abdichtet.
In der Umlaufkammer 6 befindet sich ein etwa
kegelförmiges vorstehendes Element 13, das von der oberen
Fläche oder Deckfläche 8a der Umlaufkammer 6 vorsteht,
und die Achse des kegelförmigen vorstehenden Elementes 13
fällt mit der Umlaufachse der Umlaufkammer 6 zusammen.
Eine Kugel 11 aus magnetisierbarem
Material mit Spiegelglanz-Oberfläche ist zwischen der
sich verjüngenden Fläche des kegelförmigen vorstehenden
Elementes 13 und der Bodenfläche 7a der Umlaufkammer so
eingeschlossen, daß die Kugel 11 längs eines Kanals
läuft, der durch die Seitenfläche 8b der Umlaufkammer 6,
die sich verjüngende Fläche des vorstehenden Elementes 13
und die Bodenfläche 7a der Umlaufkammer 6 gebildet ist.
Wie in Fig. 1 zu sehen, ist der Abstand E zwischen der
Spitze 13a des vorstehenden Elementes 13 und dem Umfang
der Auslaßöffnung 7b kleiner als der Durchmesser F der
Kugel 11, so daß diese ohne die Gefahr, in den Auslaß 10
abzustürzen oder sich in diesen einzusetzen, umlaufen
kann. Die Einlaßöffnung 8d der Umlaufkammer 6 liegt über
der Kugel 11 und das vorstehende Element 13 verbessert die
Umlaufwirkung des durch den Fluid-Zulauf 9 eingeführten
Fluides. Damit wird die Kugel 11 längs des Kanals durch
die Umlaufströmung des einlaufenden Fluides in Umlauf
gebracht, wobei es die sich verjüngende Fläche 8b des
kegelförmigen Abschnittes 8 und die Bodenfläche 7a der
Umlaufkammer 6 berührt.
An der äußeren Wand 6a der Umlaufkammer 6 ist eine
Erfassungsschaltung 14 vorgesehen, die die Anzahl der
Umläufe der Kugel 11 erfaßt und ein elektrisches
Impulssignal entsprechend der erfaßten Umlauffrequenz
erzeugt. Eine derartige Erfassungsschaltung ist aus
mehreren Veröffentlichungen bekannt, z. B. aus der
JP-A-59/153123, und so kann auf eine nähere Erläuterung
hier verzichtet werden.
Im Betrieb fließt in die Umlaufkammer 6 durch den
Fluideinlaß 9 eingeführtes Fluid tangential in den
kegelstumpfförmigen Abschnitt 8 längs der Innenwand der
Kammer 6 so ein, daß sich ein Umlaufstrom bildet, der
aus dem Fluidauslaß 10 im Mittelabschnitt der Boden
fläche 7a der Umlaufkammer 6 austritt. Gleichzeitig wird
die in der Umlaufkammer 6 enthaltene Kugel 11 um das
vorstehende Element 13 mit einer Geschwindigkeit in Umlauf
gebracht, die im wesentlichen proportional zur Umlauf
strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Fluides ist,
und der Umlauf der Kugel 11 erfolgt so, daß sie mit der
sich verjüngenden Fläche 8b des kegelstumpfförmigen
Abschnittes 8 und der Bodenfläche 7a der Umlaufkammer 6
(oder dem Umfang der Auslaßöffnung 7b) in Berührung
kommt. Die auf die Kugel 11 einwirkende Zentrifugalkraft
und die nach unten drückende Kraft wachsen beide propor
tional zur Umlaufgeschwindigkeit an, wobei die nach
unten gerichtete Kraft durch die Kegelstumpf-Mantelflä
che 8b des kegelstumpfförmigen Abschnittes 8 erzeugt
wird. Damit läuft die Kugel 11 ohne Vibration stabil um,
und es ist eine stabile Erfassung der Strömung möglich.
Nun ist der strömungszustand des einströmenden Fluides
nicht notwendigerweise konstant, sondern es können sich
verschiedene Strömungszustände, beispielsweise eine
pulsierende Strömung einstellen. Da bei dieser Ausfüh
rung die Einlaßöffnung 8d des Fluideinlasses 9 weiter
oben als der oberste Teil 11a der Kugel 11 liegt, wird
der Umlauf der Kugel 8 durch kleine, allgemein auftre
tende Strömungsänderungen nicht beeinflußt und die
stabile Strömungserfassung nicht gestört. Da zusätzlich
der Kugel-Umlaufkanal besonders dadurch gebildet ist,
daß der Abstand E zwischen der Spitze 13a des vorste
henden Elementes 13 und dem Umfang der Ausflußöffnung 7b
kleiner als der Durchmesser F der Kugel 11 ist, wird die
Fluidströmung niemals blockiert. Dadurch ergibt sich ein
niedriger Druckabfall der Meßvorrichtung.
Fig. 4 ist ein Schaubild der Strömungscharakteristiken
der beschriebenen Strömungs-Meßvorrichtung, und zwar ist
an der Vertikalachse die Strömungsmenge Q (in l/min.)
beispielsweise von Wasser aufgetragen, das die Umlauf
kammer 6 durchströmt, und auf der horizontalen Achse ist
die Umlauffrequenz der Kugel 11 in Hz angegeben. Die
normalerweise erhaltene Kurve A kann entsprechend dem
Einsatzgebiet der Strömungs-Meßvorrichtung angepaßt
werden. Wenn beispielsweise der Innendurchmesser d1 des
Fluideinlasses 9 verkleinert wird, erhöht sich die
Strömungsgeschwindigkeit des Fluides und damit auch die
Anzahl von Umläufen der Kugel 11, so daß sich als neue
charakteristische Kennlinie die gestrichelt eingezeich
nete Linie B ergibt. Weiter kann die charakteristische
Kurve auch durch Änderung des Innendurchmessers der
Umlaufkammer 6 oder des Innendurchmessers d2 des Fluid
auslasses 10 geändert werden, so daß den unterschied
lichen Bedingungen Rechnung getragen werden kann.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Erfassung einer Strömungsmenge eines
Fluids
mit einem Gehäuse, in dem sich eine Umlaufkammer befin
det, deren Horizontalschnitt kreisförmig ist und die eine
in Tangentialrichtung der Umlaufkammer angeordnete Einlaß
öffnung und eine in einem Mittenabschnitt
einer Bodenfläche der Umlaufkammer angeordnete Auslaßöff
nung aufweist, wobei das Fluid durch die Einlaßöffnung
einläuft und durch die Auslaßöffnung austritt,
mit einem längs der Achse der
Umlaufkammer vertikal nach unten von der oberen Wand vorstehenden Element,
mit einer Kugel, die in der Umlaufkammer so
angeordnet ist, daß sie um das vorstehende Element und
längs einer Wand der Umlaufkammer bei durchströmendem
Fluid umläuft, wobei die Einlaßöffnung oberhalb des
obersten Teils der Kugel angeordnet ist, und
mit einer Erfassungseinheit zur Erfassung der Umlaufzahl
der Kugel und damit zur Messung der Strömungsmenge
des Fluids,
dadurch gekennzeichnet, daß
das vorstehende Element (13) mindestens im Bereich seinen freien
Endes eine Kegelform aufweist, wobei dessen Durchmesser mit Abstand
von der oberen Wand (8a) der
Umlaufkammer (6) abnimmt und die
Umlaufkammer (6) einen kegelstumpfförmigen
Abschnitt (8b) besitzt, dessen Durchmesser nach
oben hin abnimmt, so daß die Kugel (11) eine
Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Abschnitts (8b) der
Umlaufkammer (6) berührt und um das vorstehende Element
(13) umläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Umlaufkammer (6) bodenseitig einen zylindrischen
Abschnitt (7) umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das vorstehende Element (13) wandseitig einen zylin
drischen Abschnitt umfaßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das vorstehende Element (13) Kegelform hat.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand (E) zwischen der Kegelspitze (13a) des vorste
henden Elements (13) und dem Umfang der Auslaßöffnung
(7b) kleiner als der Durchmesser (F) der Kugel
(11) ist.
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