DE922864C - Verbesserung an Woltmann-Zaehlern - Google Patents

Verbesserung an Woltmann-Zaehlern

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DE922864C
DE922864C DEG9044A DEG0009044A DE922864C DE 922864 C DE922864 C DE 922864C DE G9044 A DEG9044 A DE G9044A DE G0009044 A DEG0009044 A DE G0009044A DE 922864 C DE922864 C DE 922864C
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woltmann
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woltmann counter
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Hans Dipl-Ing Gehre
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    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/10Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects using rotating vanes with axial admission
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    • GPHYSICS
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Description

  • Verbesserung an Woltmann-Zählern Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung an Woltmann-Zählern, und zwar insbesondere auf die Ausbildung des dem Meßrad solcher Zähler vorgeschalteten Drosselquerschnitts.
  • Es sind bereits Drosselöffnungen für die Mengenmessung strömender Mittel bekannt und auch für den genannten Zweck bei Woltmann-Zählern verwendet worden, bei denen der Drosselquerschnitt von zwei oder mehreren in Parallelschaltung kombinierten Offnungen mit im unteren Bereich der Reynoldsschen Zahl kontrastierenden Ausflußcharakteristiken, wie Düsen und Blenden, gebildet wird, wobei durch die Kompensation der Ausflußbeiwerte eine erhebliche Verbesserung der Meßfehlerkurve (Vorverlegung der unteren Meßbereichgrenze) erzielt wird.
  • Allerdings verlangt die Justierung solcher Drosselstellen, insbesondere wenn es sich um die Messung gasförmiger Mittel handelt, ein hohes Maß an Verständnis und Gefühl für Strömungsvorgänge und außerdem einen erheblichen Zeitaufwand.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird es ermöglicht, dem Drosselquerschnitt vor dem Meßrad von Woltmann-Zählern eine Ausbildung zu geben, die sich bei gleichgünstigem Einfluß auf die Fehlerkurve des Zählers durch einfachste und schnellste Justierbarkeit auszeichnet.
  • Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß bei Anwendung einer an sich bekannten Drosselöffnung mit zylindrischem Auslaufansatz die Ausströmkante dieses Ansatzes auf einem Teil der Öffnung gegenüber derjenigen des anderen Teils in Achsrichtung versetzt ist.
  • Dies kann z. B. in der Weise geschehen, daß die Länge des zylindrischen Ansatzes am einen Teil der Düse größer ist als am anderen Teil, oder in der Weise, daß die Düse aus Teilen mit gleich langem zylindrischem Auslaufansatz besteht, die in Achsrichtung gegeneinander versetzt sind. Bei Woltmann-Zählern wird der Drosselquerschnitt bekanntlich meist durch einen Kranz kreisförmiger Einzelöffnungen oder eine durchgehende oder unterteilte Ringöffnung gebildet. In beiden Fällen ist die erfindungsgemäße Anordnung vorzugsweise so zu treffen, daß der äußere, zur Flügelradachse auf dem größeren Radius liegende Teil die in Strömungsrichtung zurückliegende Ausströmkante trägt.
  • Die Erfindung und die ihr zugrunde liegenden Überlegungen seien im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.
  • Bezeichnet man den Drosselquerschnitt mit F, die Durchfluß stärke (= sekundliches Durchflußvolumen) mit Q und den Ausflnßkoefflzienten mit a, so ist die Strömungsgeschwindigkeit an der Drosselstelle Q v = F#α Sie müßte bei einem gegebenen Querschnitt F und für den Fall, daß a über den gesamten Meßbereich konstant wäre, für diesen Bereich eine lineare Funktion von Q sein.
  • Nun sind aber bei den bekannten Drosselöffnungen die a-Werte als Funktion der Reynoldsschen Zahl nicht konstant. Sie zeigen z. B. bei düsenförmigen Öffnungen den in der Fig. I dargestellten charakteristischen Verlauf, bei welchem sie in dem unteren, durch den Weg von Re1 bis Re2 angedeuteten Bereich der Reynoldsschen Zahl von der Größe a1 bis zur Größe a2 anwachsen. Infolgedessen ist die Geschwindigkeit v2 bei der Durchflußstärke Q2 im oberen Teil des dargestellten Meßbereichs nicht, wie es bei al = a2 sein müßte, gleich Q2 Q2 v2' = , sondern gleich , d. h. kleiner als F#α1 F#α2 bei der Durchflußstärke Q1. Umgekehrt ist die Strömungsgeschwindigkeit v1 bei der Durchflußstärke Q1 im untersten Teil des dargestellten Meß-Q1 bereichs nicht gleich v1' = , sondern gleich F # α2 , d.h. größer als bei der Durchflußstärke Q2.
  • F # α1 Der Impulsinhalt der Strömung ist also bei der Durchfluß stärke Q, wegen V1 V1, relativ größer als bei der Durchflußstärke Q2. Allgemein ausgedrückt wird der relative Geschwindigkeitsunterschied u vl und damit der relative Impulsunterschied bei Anwachsen der Durchflußstärke von Q1 bis Q2 immer kleiner und nimmt hyperbelartig ab, um für Q2 gleich Null zu werden.
  • Da nun aber für die Messung Linearität zwischen der Strömungsgeschwindigkeit v und der Durchflußstärke Q bziw. der ihr proportionalen Umfangsgeschwindigkeit u des Flügelrades verlangt wird und da u@ proportional v ist, steht dem Flügelrad bei kleinem Q ein größerer Impulsüberschuß v2 - v1 #I = v2 zur Verfügung als bei größerem Q.
  • Dieser Umstand kommt den Anforderungen bei Woltmann-Zählern in hohem Maße entgegen. Denn bei ihnen verlangen die Laufwiderstände des Flügelrades erfahrungsgemäß bei allen Drehzahlen nahezu die gleiche Antriebs leistung, entziehen also bei kleinem Q einen relativ zum Impuls inhalt des ankommenden Meßmittelstromes größeren Impulsanteil als bei großem Q und großer Strömungsgeschwindigkeit.
  • Mit anderen Worten: Man kann in der Meßradebene von Woltmann-Zählern auch bei Benutzung einer Drosselöffnung mit bei kleinen Reynoldsschen Zahlen veränderlichem Ausflußkoeffizienten α, vorausgesetzt daß es sich um eine Düse handelt, bei geschickter Wahl des Öffnungsverhältnisses und damit der a-Charakteristik dieser Düse eine der Durchfluß stärke proportionale Laufraddrehzahl erreichen, weil der zur Verfügung stehende Impuls und die ihm entsprechende Leistung für alle Q-Werte des Meßbereichs der obengenannten, von den Laufwiderständen geforderten Antriebsleistung gleich ist bzw. ihr mit einer für alle praktischen Fälle ausreichenden Annäherung gleichkommt.
  • Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, daß beim Durchfluß durch eine Düse in Druckabfall #p gegenüber dem absoluten Betriebsdruck p entsteht und daß sich infolgedessen eine Volumenexpansion einstellt, die bekanntlich proportional #p/p ist; das bedeutet, daß sie mit dem Quadrat der Durchflußstärke Q zunimmt. Dieser Expansionsvorgang darf nicht vernachlässiigt werden, weil durch ihn die Strömungsgeschwindigkeit v in der Düse vergrößert wird und als Folge davon eine Vergrößerung der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades und damit ein Plus fehler in der Anzeige des Woltmann-Zählers eintritt.
  • Wie nun dieser Plusfehler durch die vorliegende Erfindung vermieden wird, sei an Hand der Fig. 2 und 3 erläutert.
  • In der Leitung 1 befindet sich eine Düse mit scharfer Einlaufkrümmung 2, die an ihrem Auslauf einen zylindrischen Ansatz 3 besitzt und vom Meßmittel in der eingetragenen Pfeilrichtung durchströmt wird. Dabei findet in unmittelbarer Wandnähe der Leitung 1 eine erhebliche Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit (Grenzschichtbildung) statt. Ist die Grenzschichtenergie gering, so erfolgt Ablösung der Grenzschicht, und es kommt zur Ausbildung eines Eckwirbels A.
  • Bei größerer Länge der vorgeschalteten geraden Rohrleitung I ist das immer der Fall, während bei kurzem Einlauf die Geschwindigkeit noch gleichmäßiger über den Leitungsquerschnitt verteilt ist und keine Grenzschicht und damit auch kein Eckwirbel entstehen kann. Im ersten Fall ist die Geschwindigkeit in der Ecke 4 gleich Null, im zweiten stellt sich dort, wenn s die Dichte des strömenden Mittels und c seine Zuflußgeschwindigkeit in der Leitung I ist, der Gesamtdruck p + + 6' 2 ein. Im ersten Fall wird g c praktisch gleich Null, und der Druck in der Ecke 4 ist gleich dem absoluten Betriebsdruck p.
  • Bei Vorhandensein des Eckwirbels A bildet sich auf der Einlaufseite der Düse, etwa bei a, ein Staupunkt, von dem aus sich eine laminare Grenzschicht bildet, die sich an der scharfen Einlaufkrümmung 2 abhebt und später wellig und turbulent wird. Im unterkritischen Gebiet der Reynoldsschen Zahl, in welchem die dynamischen Kräfte kleiner als die Zähigkeitskräfte sind, bleibt die Strömung abgerissen, und der durch dieTurbulenz gebildeteWirbelB erstreckt sich, wie im unteren Teil der Fig. 2 gezeigt, bis zum Ende des zylindrischen Ansatzes 3. Im überkritischen Gebiet dagegen findet zwar zunächst die gleiche laminare Ablösung statt. Aber die Strömung wird dort schneller wieder turbulent, und die Trägheitskräfte bringen sie, wie im oberen Teil der Fig. 2 gezeigt, schon vor dem Ende des zylindrischen Ansatzes 3 wieder zum Anliegen. Je größer die Trägheitskräfte, d. h. je größer die Reynoldssche Zahl, desto schneller wird die Strömung im zylindrischen Ansatz 3 wieder zur Anlage kommen.
  • Daraus erklärt sich auch die bekannte Abnahme des a-Wertes von Düsen mit abnehmender Reynoldsscher Zahl.
  • Der Wirbel B ist bei der in Fig. 2 gezeigten bekannten Düsenform ein symmetrischer Ringwirbel, der sich bei Veränderungen der Reynoldsschen Zahl im zylindrischen Ansatz 3 der Düse verschiebt. Wenn man nun aber gemäß der vorliegenden Erfindung, etwa in der in Fig. 3 gezeigten Weise, den zylindrischen Ansatz auf der einen Düsenseite kürzer oder länger macht als auf der anderen Seite, dann tritt der Meßmitteistrahl auf der kürzeren Seite früher aus der Düse aus als auf der längeren Seite.
  • Die bekannte Erscheinung der seitlichen Strahlausweitung einer aus einer Drosselöffnung austretendenStrömung tritt also am kurzen Teil früher ein als am langen. Und es findet demzufolge eine Vergrößerung des Strahlquerschnitts am kurzen zylindrischen Auslaufteil bereits statt, wenn der längere auf der anderen Seite die Strömung noch führt. Hierbei wird der Schwerpunkt des Geschwindigkeitsprofils etwas von der Seite des längeren zylindrischen Teils weggedrängt und gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit des Meßmittels infolge der Vergrößerung des Strahlquerschnitts verringert.
  • Bei kleineren Reynoldsschen Zahlen erstreckt sich der Wirbel B bis zum Ende des langen Teils des zylindrischen Ansatzes oder noch darüber hinaus und hat seine größte Dicke bereits an einer Stelle b, welche noch innerhalb des kurzenZylinderteils liegt.
  • Von dort aus findet sowohl im kurzen wie auch im langen Zylinderteil eine Strahlerweiterung statt.
  • Sobald jedoch die Strömung am kürzeren Teil austritt und hier die bereits erwähnte seitliche Strahlausweitung erfolgt, entsteht nach dem Gesetz von Aktion und Reaktion ein mit wachsender Reynoldsscher Zahl wachsender Impuls quer zur Strömungsrichtung, welcher eine Verschiebung der Strömung nach der entgegengesetzten Seite, also nach der Seite des längeren zylindrischen Teils hin, zu erzwingen sucht.
  • Der bei kleinen Reynoldsschen Zahlen auf dieser Gegenseite befindliche Teil des Wirbels B weicht aus, und zwar desto mehr, je dicker er ist, d. h. je kleiner die Reynoldssche Zahl ist, so daß nach dem Gesetz von Aktion und Reaktion der Schwerpunkt der Strömung je nach Lage und Größe des als Puffer wirkenden Wirbels B, d. h. je nach Größe der Reynoldsschen Zahl, sich mehr oder weniger verschiebt, und zwar mit zunehmender Reynoldsscher Zahl nach der Seite des kürzeren Zylinderteils hin, mit abnehmender umgekehrt.
  • Fig. 3 stellt zugleich den Senkschnitt einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung dar, bei welcher die dem Schaufelkranz 5 des Laufrades 6 vorgeschaltete Düse eine Ringdüse ist, wobei der kurze Zylinderteil gegenüber der Laufradwelle 7 auf dem größeren Radius liegt, also den äußeren Zylinderteil bildet, während der längere Zylinderteil auf dem kürzeren Radius liegend den inneren Zylinderteil bildet. Die Ausbreitung des Wirbels B für kleine Reynoldssche Zahlen ist in gestrichelter Linie, diejenige für große Reynoldssche Zahlen in ausgezogener Linie eingezeichnet, so daß man die Wirkung dieser Wirbelausbreitung auf die Schaufeln des nachgeschalteten Laufrades gut erkennen kann.
  • Es wandert nämlich infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung der Drosselstelle der Schwerpunkt des austretenden Meßmittelsfrahles mit zunehmender Revnoldsscher Zahl auf der Anströmseite der Laufradschaufeln nach außen, d. h. es vergrößert sich der Radius, an welchem der Strahlschwerpunkt das Laufrad erfaßt, so daß mit zunehmender Reynol dsscher Zahl eine zunehmende Herabsetzung der Winkelgeschwindigkeit der Laufradwelle 7 eintritt. Diese Wirkung wird durch die den Strahlquerschnitt am Austritt vergrößernde Strahlausweitung und die damit verbundene Verringerung der Austrittsgeschwindigkeit des Strahles noch gesteigert.
  • Durch die hier beschriebene drehzahlreduzierende Wirkung wird die obenerwähnte gangbeschleunigende Wirkung der durch den Druckabfall dp bedingten Volumenexpansion weitgehend kompensiert, so daß eine Plusanzeige des Zählers vermieden wird.
  • Die Verwirklichung der Erfindung ist nicht an das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel gebunden. Der gleiche vorbeschriebene Effekt würde auch dann eintreten, wenn die beiden Düsenteile gleich lange zylindrische Ansätze besitzen würden, aber gegeneinander in Achsrichtung versetzt an- geordnet wären. Auch konnten die Profile der beidenDüsenteile voneinander abweichen. Eine sehr vorteilhafte Ausführung ergäbe sich, wenn man die beiden Düsenteile in Achsrichtung zueinander verstellbar anordnen würde. Man erhielte auf diese Weise die Möglichkeit einer Feinjustierung. Die Ermittlung des Längenunterschiedes am zylindrischen Teil oder der gegenseitigen Versetzung bei gleich langen zylindrischen Ansätzen erfolgt dann auf empirischem Wege. Im Grenzfall würde die Länge des zylindrischen Auslaufansatzes am einen Düsenteil gleich Null werden Zur Stabilisierung der Lage der Wirbel B kann man schließlich am Auslauf der Krümmung 2 bzw. am Eingang des zylindrischen Ansatzes 3 kleine Stolperlçanten vorsehen, welche die Wirbelbildung auch dann erzwingen, wenn ungewollte Zufälligkeiten Störungen der Strömung verursachen. Bei der Ausführung nach Fig. 4, die im übrigen der Ausführung nach Fig. 3 entspricht, sind solche Stolperkanten 8 vorgesehen, und zwar ist die des Oberteils bzw. Außenringes als Nut, die des Unterteils bzw. Innenringes als kleiner Wulst (Stufe, eingelegter Drahtring od. dgl.) ausgebildet.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Woltmann-Zähler mit einem dem Meßrad vorgeschalteten, aus mindestens einer Öffnung bestehenden Drosselquerschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung der an sich bekannten Düsenform mit zylindrischem Auslaufansatz für die Drosselöffnung die Ausströmkante dieses Ansatzes auf einem Teil der Öffnung gegenüber derjenigen des anderen Teils in Achsrichtung versetzt ist.
  2. 2. Woltmann-Zähler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zylindrischen Ansatzes am einen Teil der Düse größer ist als am anderen.
  3. 3. Woltmann-Zähler nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kürzere Teil des zylindrischen Düsenansatzes die Länge Null besitzt.
  4. 4. Woltmann-Zähler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung aus Teilen mit gleich langem zylindrischem Ansatz besteht, die in Achsrichtung gegeneinander versetzt sind.
  5. 5. Woltmann-Zähler nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile der beiden Düsenteile voneinander abweichend gestaltet sind.
  6. 6. Woltmann-Zähler nach den Ansprüchen I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere, zur Meßradachse auf dem größeren Radius liegende Teil der Düsenöffnung die in der Strömungsrichtung zurückliegende Ausströmkante trägt.
  7. 7. Woltmann-Zähler nach den Ansprüchen I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Düsenteilen, etwa am Übergang von der Einlaufkrünimung zum zylindrischen Ansatz, wenigstens je eine Stolperkante vorgesehen ist.
  8. 8. Woltmann-Zähler nach den Ansprüchen I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stolperkante an dem zur Meßradwelle äußeren Düsenteil als Nut, an dem inneren Düsenteil als kleine Wulst (Stufe, eingelegter Drahtring od. dgl.) ausgebildet ist.
  9. 9. Woltmann-Zähler nach den Ansprüchen I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Düsenteile in Achsrichtung zueinander verstellbar angeordnet sind.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2487972A1 (fr) * 1980-08-04 1982-02-05 Brown Boveri Kent Ltd Debitmetre pour liquide

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2487972A1 (fr) * 1980-08-04 1982-02-05 Brown Boveri Kent Ltd Debitmetre pour liquide

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