FI97828C - Siipiratasmittari nestemäärän mittausta varten - Google Patents

Description

97828

Siipiratasmittari nestemäärän mittausta varten.- Vinghjulsmä-tare för mätning av en vätskemängd

Keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon lajista siipi-ratasmittaria.

Patenttijulkaisusta DE 26 47 297 tunnetaan monisuihku-siipira-tasmittari, jonka yhteydessä voidaan, tulo- ja lähtökanavien määrätyllä järjestelyllä ja toteutuksella, saavuttaa erityisen suuri läpäisykyky alentamatta siipiratasmittarin herkkyyttä tai sillä saavutettavaa mittaustarkkuutta. Nesteen, erityisesti veden virtausmäärän määrittämiseksi käytetyt siipiratasmittarit sallivat välillisen tilavuuden mittaamisen, koska virtausmäärä muutetaan virtausnopeuteen verrannolliseksi kierrosluvuksi, ja siipipyörällä aikaansaatujen kierrosten perusteella voidaan johtaa virtausmäärä.

On selvää, että muunnettaessa mittasuuretta "virtausmäärä" "kierrosluvuksi", esiintyy mittausvirhettä, joka tämän lajisel-la mekaanisella muuntimella on osaksi järjestelmälle ominaista. Myös patenttijulkaisusta DE 26 47 297 tunnetussa parannetussa vesimittarissa on siipiratasmittareille ominainen virhekäyrä. Tämän virhekäyrän tyypillinen muoto on johtanut siihen, että mittausalue jaetaan alempaan ja ylempään mittausalueeseen. Kun virhekäyrällä ylemmällä mittausalueella on vain pieni poikkeama nollasta, eli mittauskäyrä kulkee siis vastaavasti lineaarisesti, niin virhekäyrä virtausmäärän pienetessä saavuttaa alemmalla mittausalueella ensin voimakkaan ylityksen, joka sitten putoaa jyrkästi negatiivisia arvoja kohti. Alemman mittausalueen rajan alapuolelle ja siten mittausalueen ulkopuolelle kohti nollaa jää kapea alue, jossa esiintyy erittäin suurta virhettä kitkahäviöiden johdosta.

Siipiratasmittareita kalibroitaessa otetaan virhekäyrän tyypillinen kulku huomioon, siten että mittareilla sallitaan ylemmällä 2 97828 mittausalueella ± 2% virhe, jolloin tämä virhe erotusrajan jälkeen alemmalla mittausalueella saa nousta ± 5 %:iin. Tyypillinen virhekäyrä toleranssialueineen on esitetty esim. Beyer:in kirjoituksessa julkaisussa Wasser, Abwasser 128 (1987), nide 3, s. 166.

Keksinnön tehtävänä on aikaansaada patenttivaatimuksen 1 johdantoa vastaava siipiratasmittari, jonka virhettä erityisesti alemmalla mittausalueella on merkittävästi pienennetty, ja erityisesti niin paljon, että koko mittausalueella voidaan pysyä ylemmälle mittausalueelle annetun virhetoleranssin puitteissa.

Tämä tehtävä ratkaistaan patenttivaatimuksessa 1 esitetyin tunnusmerkein. Keksinnön kohteen tarkoituksenmukaisia suoritusmuotoja ja kehitelmiä on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa lähdetään siitä ajatuksesta, että virtausmäärästä riippuva siipipyörän yksittäisiin lapoihin osuvien osavirtausten nopeusprofiili määrää pyörimisnopeuden. Pyörteisessä virtauksessa, jota esiintyy erityisesti ylemmällä mittausalueella, siipipyörän lapoja pitkin muodostuvalla no-peusprofiililla ei määrätyissä kohdissa ole mitään suurempia ylityksiä. Voidaan siten lähteä siitä, että siipeen vaikuttavat osavoimat ja niiden etäisyydestä pyörimisakseliin verrannollisesti kehittämällä osavääntömomentilla pyörteisessä nestevir-tauksessa ei ole suurta riippuvuutta kulloisestakin virtausnopeudesta.

Koska kuitenkin erotusrajalla, siis ylemmän ja alemman mittausalueen välissä, oleellisesti pyörteinen virtaus muuttuu oleellisesti laminaariseksi virtaukseksi, niin alemmalla mittausalueella nopeusprofiili riippuu virtausmäärästä eli virtausnopeudesta. Siten voidaan lähteä siitä, että lapojen määrätyissä kohdissa esiintyvät osavääntömomentit muuttuvat virtausnopeuden mukaan, siis että nopeusprofiilissa on ylityksiä, jotka mahdollisesti myös vaihtelevat.

3 97828

Keksinnön mukaisesti pyritään siten sopivin toimenpitein kehittämään pyörteilyä, joka samaan tapaan kuin ylemmällä mittausalueella huolehtii nopeusprofiilin asettamisesta samalle tasolle, ja joka siten auttaa välttämään ylikorostuksia riippumatta siitä millä kohdalla lapaa niitä esiintyy.

Tulokanavien tulovirtausalueelle on tunnetaan jo välppäjärjes-telyllä pyörteiden kehittäminen, jotka vaikuttavat virhettä pienentävästi alemmalla mittausalueella. Nämä välpät ovat kuitenkin lisäosia, jotka on välttämättä asennettava mittausele-menttiin. Lisäksi voi välpän likaantuminen oleellisesti vaikuttaa mittauselementin virhekäyttäytymiseen, niin että erityisesti herkkien siipiratasmittareiden osalta suurilla virtausmää-rillä kerrostumien johdosta voi esiintyä merkittäviä mittausvirheitä pitkän käytön jälkeen.

Yllättäen keksinnön mukaisesti järjestämällä virtausmuunnin välittömästi tulokanavaan onnistutaan aikaansaamaan virtaus-olosuhteet, jotka johtavat nopeusprofiilin parantamiseen ja siten virheen pienentämiseen alemmalla mittausalueella. Oleellista merkitystä on tällöin sillä, että virtausmuunnin voidaan toteuttaa siten, ettei se aiheuta merkittävää estettä läpivirtaukselle ja niin että siipiratasmittari edelleen hallitsee suhteellisen suuria virtausmääriä. Keksinnön toisena etuna on, ettei virtausmuunnin mitenkään vaikuta mittauselementin ulkomittoihin, eikä siten aiheudu mitään vaikeuksia asennettaessa kaikkiin markkinoilla tavallisiin koteloihin.

Keksinnön edullisessa muunnelmassa toteutetaan virtausmuunnin nestevirtaukseen ulottuvana ohjauspintana. Ohjauspinnan erikoisen muodon ansiosta pyörteitä voidaan kehittää alemmalla mittausalueella ja sen lisäksi voidaan kehittää nestevirtauksen osan ohjaaminen kohti pyörimisakselia tai siitä poispäin, riippuen siitä kummalle puolelle tulokanavaa ohjauspinnat on järjestetty. Ohjattaessa osavirtaa kohti pyörimisakselia, se osuu lavan pisteeseen, jossa se aiheuttaa vääntömomentin pienenemisen lyhyemmästä momenttivarresta johtuen ja vaikuttaa 4 97828 siten alemmalla mittausalueella virhekäyrän ylikorostusta vastaan. Sopivalla osavirran ohjaamisella poispäin pyörimisakselista se pystyy lisäämään vääntömomenttia alemman mittausalueen alkualueella ja siten vähentämään virhekäyrän jyrkkää laskua.

Kokeiden avulla on määritetty, että voidaan saavuttaa erityisen edullisesti kulkeva virhekäyrä, kun siipipyörän pyörimisakselia kohti ohjauksen aikaansaava ohjauspinnan jättöreuna on etäisyydellä lähtöaukosta, joka on noin 30 % kanavan keskimääräisestä pituudesta, ja kun kanavan poikkialaa tuloaukon alueella on sivuseinää ulospäin siirtämällä noin 20 % laajennettu.

Keksinnön kohteen edullisessa muunnelmassa järjestetään niin, että ainakin yksi väliseinä virtaussuuntaan ulottuvalla lappeella sovitetaan tulokanavaan niin, että se muodostaa ainakin kaksi osatulokanavaa, jotka jakavat nestevirran osavirtoihin. Myös tämä toimenpide johtaa edullisempaan nopeusprofiiliin pitkin lapaa ja siten virhekäyrän pienenemiseen.

Keksinnön muita yksityiskohtia selitetään lähemmin seuraavassa ja niitä on esitetty piirustuksissa, joissa: kuvio 1 on leikkaus pitkin kuvion 2 viivaa I - I; kuvio 2 on tämän siipipyöräkupin leikkaus pitkin kuvion 1 viivaa II - II, jossa vasemmalla puolella on leikatut alemmat tulokanavat ja oikealla puolella leikatut ylemmät lähtökanavat; kuvio 3 on koko siipiratasmittarin pitkittäisleikkaus mittari-koteloon asetettuine mittauselementteineen; ja kuvio 4 on siipiratasmittarin virhekäyrä.

Kuvioissa 1 ja 2 esitetty, muovia oleva siipipyöräkuppiin 1 on vaipan alaosaan järjestetty tulokanavia 2 ja yläosaan lähtö-kanavia 3. Tulo- ja lähtökanavat 2, 3 jakaantuvat tasaisesti 5 97828 siipipyöräkupin kehälle, ja lähtökanavien 3 lukumäärä vastaa tulokanavien 2 lukumäärää. Kahdeksan alempaa tulokanavaa 2 ovat , poikkileikkaukseltaan suorakulmaisia ja päättyvät sivuavasti siipipyöräkuppiin 1, ja ne on molempien sivuseinien 4 vastaavalla suunnalla kavennettu suoraviivaisesti sisäänpäin. Tulo-kanavien 2 kavennus on noin 7* molempien seinien samansuuntaiseen etenemiseen verrattuna. Tulokanavia 2 vastaten on myös muodostettu kahdeksan ylempää lähtökanavaa 3 virtaussuunnassa siipipyöräkuppia 1 sivuavasti ja niillä on sama suorakaiteen muotoinen poikkileikkaus ja samaten noin 7* sisäänpäin kapenevas-ti vaikuttavat sivuseinät 5. Tulokanavien 2 pituusakselia kohti suorassa kulmassa, siipitilaan 6 aukeavan lähtöaukon alueella on tulokanavien 2 jäljellä oleva poikkileikkaus 7 yhtä suuri tai pienempi kuin lähtökanavien 3 suorakaiteen muotoinen poikkileikkaus 8 siipipyöräkupin sisäpuolella. Siipipyöräkupin 1 pohjassa 10 olevien väliripojen 9 lukumäärä vastaa päälle asetetun laitekupin 17 alapuolella olevien väliripojen lukumäärää ja samalla tulo- ja lähtökanavien 2, 3 lukumäärää.

Tulokanavan 2 alapuoli 11 päättyy tällöin siipipyöräkupin 1 pohjassa 10 olevan välirivan 9 yläreunan 12 korkeudella, mutta se voi myös olla näitä korkeammalla.

Kuviossa 3 esitetyllä siipiratasmittarilla on mittarin kotelo 14, johon on asetettu mittauselementti 15. Mittauselementti 15 muodostuu siipipyöräkupista 1 ja siipipyörästä 16 sekä sen päälle asetetusta, myös muovista ruiskuvaletusta laitekupista 17 ja siihen asetetusta mittarikojeistosta 18. Laitekupissa 17 on alapuolelle ruiskuvaletut, siipipyöräkupin 1 sisätilaan ulottuvat välirivat 19. Näiden ylempien väliripojen 19 lukumäärä vastaa siipipyöräkupin 1 pohjassa 10 olevien väliripojen 9 lukumäärää. Lähtökanavien 3 yläreunat 13 päättyvät tässä esimerkissä jälleen sisäpuolelle samalla korkeudella kuin ylempien väliripojen 19 alareunat 20. Mittauselementti 15 on asetettu mittarikotelon 14 päätyseinän 22 istukkaan 21, ja päältä päin sitä kuputiivisteen 23 välityksellä pitää kierretty kupu 24.

6 97828

Mittauselementti 15 on järjestetty yleismittauselementiksi rakennettavaksi eri valmistajien mitä erilaisimpiin mittariko-teloihin. Mittauselementin 15 mitat vastaavat tarkoituksenmukaisesti nimelliskooltaan 3 m3/h olevan mittarin nimellisiä sisämittoja tai nimelliskooltaan 5 m /h olevan mittarin nimellisiä sisämittoja käytettäessä sitä monialuemittaria varten nimellisalueelle 3/5 m /h. Tämän yleis-mittauselementin asentamiseksi suurempiin mittarikoteloihin käytetään poikkileikkaukseltaan kulmikasta istukan sovitusrengasta mittarikotelon 14 päätyseinässä 22. Jos myös mittarikotelon 14 kotelon kuvun sisähalkaisija ja korkeus poikkeaa merkittävästi yleismit-tauselementin 15 mitoista, niin voidaan alemman istukan sovi-tusrenkaan lisäksi asettaa samaten kulmikas kuvun sovitusrengas mittauselementin 15 kuvulle, joka sitten sijaitsee mittarin kuvun kotelon seinämää ja kierretyn kuvun 24 kuputiivistettä 23 vastaan.

Kuten kuviosta 2 nähdään, on tulokanaviin 2 keksinnön mukaisesti muodostettu virtausmuuntimet 4a, 4b, 4c siten, että ainakin toisella sivuseinällä 4 on ohjauspinta. Siipitilasta 6 lähtien ulottuu ensimmäisen sivuseinän 4 osa 4a suoraviivaisesti jättöreunalle 4b, jonka takana alkaa sivuseinän toinen osa 4c, joka kulkee ensimmäisen osan 4a kanssa samansuuntaisesti taaksepäin siirrettynä ja liittyy siihen pyöristetyllä ylimenolla. Esillä olevan esimerkin mukaisesti on kaikkien tulokanavien 2 sivuseinään 4 kulloinkin järjestetty virtausmuunnin 31, jossa olevalla pyöristyksellä ennen jättöreunaa 4b aikaansaadaan ohjaus kohti pyörimisakselia.

Kuviossa 1 huomataan, että tulokanavat 2 on jaettu kahtia väliseinällä 32, niin että muodostuu kaksi rinnan kulkevaa osakanavaa. Myös tällä toimenpiteellä muutetaan siipipyörän 16 lapoihin vaikuttavan sisään virtaavan nesteen nopeusprofiiliin. Voidaan lähteä siitä, että vielä useammalla jaolla voidaan saavuttaa vielä voimakkaampi nopeusprofiilin tasoitus, mutta rakenteellisten syiden takia, erityisesti myös vapaan poikkileikkauksen pienenemisestä johtuen tästä luovutaan. Kokeet ovat 7 97828 kuitenkin osoittaneet, että juuri tulokanavien 2 jakamisen ja virtausmuuntimien 31 jokaiseen osakanavaan järjestämisen yhdistelmä johtaa erityisen edulliseen virhekäyrän muotoon.

Kuviossa 4 on esitetty tavalliseen virhekäyrään Fl verrattuna sellaisen virhekäyrän F2 muoto, jolla on alemmalla mittausalueella MU, siis etupäässä laminaarisen virtauksen alueella voimakkaasti pienennetty ylitys. Kolmannen virhekäyrän F3 esittämä muoto saavutetaan järjestämällä virtausmuunnin toiseen sivuseinään, joka on esimerkissä esitettyä virtausmuunninta 31 vastapäätä. Virtausmuuntimen sellaisen järjestelyn ansiosta vahvistetaan vääntömomenttia mittausalueen M alimmalla osalla, niin että virhekäyrässä F3 aiheutetaan vastaava ylikorostus. Näin aikaansaadaan se, että vesimittari selvästi rekisteröi vielä hyvinkin pienellä veden kulutuksella. Voidaan olettaa, että kahden vastakkaisen virtausmuuntimen yhdistelmällä ja sopivalla muotoilulla ja järjestelyllä voidaan aikaansaada virhekäyrä, jolla sekä muutoin tavallinen ylitys on pienempi ja jonka lasku negatiiviselle alueelle tapahtuu suhteellisen myöhään.

Kuten kuvion 4 virhekäyrä osoittaa, onnistutaan jäämään virhe-rajojen ± 2% puitteisiin pyörteisellä virtausalueella ylemmällä mittausalueella MO, ja lisäksi myös erotusrajan QT alapuolella aina alemman mittausalueen MU alkuun saakka alitetaan tämä virheraja minimivirtaamalla Qmin.

Claims (11)

97828

1. Siipiratasmittari nestemäärän mittausta varten, jossa olevaan mittarikoteloon (14) mittarilaitteiston (18) laitekuvun (17) lisäksi on järjestetty siipipyöräkupu (1), jossa on mittari-laitteistoa (18) käyttävä siipipyörä (16) jonka vaippaan on järjestetty ainakin yksi siipipyörän (16) lapoja kohti suunnattu, poikkileikkaukseltaan edullisesti suorakulmainen, tuloau-kosta lähtöaukkoa kohti kapeneva tulokanava (2) sekä ainakin yksi lähtökanava(3) tulokanavaa (2) suuremmalla poikkileikkauksella nesteen läpikulkua varten, jolloin lavat tulevat siipipyörän (16) pyöriessä peräkkäin tulokanavan (2) tulovirtausalu-eelle, ja jolloin mittauskäyrän linearisoimiseksi on järjestetty väliripoja (19) siipipyörän (16) yläpuolelle ja/tai alapuolelle, tunnettu siitä, että tulokanavan (2) sisäpuolelle on järjestetty ainakin yksi nestevirtaukseen ulottuva virtausmuunnin (31), joka vähentää nestevirtauksen osan virtausnopeutta, että virtausmuunnin (31) on järjestetty tulokanavan (2) sisälle siten, että kehitetty lapoihin vaikuttavien osavirtausten nopeusprofiili aiheuttaa mittauskäyrän paremman linearisoitumisen osavirtojen nopeuden pienentymisellä ja/tai suunnan muutoksella siten, että siipipyörään säteen suunnassa eri etäisyyksillä vaikuttavat osavääntömomentit kulloinkin summaltaan tuottavat vääntömomen-tin, joka johtaa sellaiseen kierroslukuun, joka on lähes verrannollinen kulloiseenkin virtausmäärään ennalta annetulla mittausalueella, ja että virtausmuuntimen (31) aiheuttama jarrutusvaikutus siipipyörän (16) pyörimisnopeuteen kompensoidaan tulokanavan (2) lähtöaukon vastaavalla pienentämisellä ja tällä saavutetulla läpivirtausnopeuden lisäämisellä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen siipiratasmittari, tunnettu siitä, että virtausmuunnin (31) on muodostettu nestevirtaukseen ulottuvana ohjauspintana, joka hieman ennen ulostuloaukkoa muodostaa tulokanavan (2) sivuseinämän (4) ensimmäisen osan (4a) kanssa jättöreunan (4b) liittyen tuloaukkoa kohti kaarenmuotoi-sesti vastaavasti ulospäin siirrettyyn ja siten kanavan poikkileikkausta suurentavaan sivuseinämän (4) toiseen osaan (4c), ja että ohjauspinnat on järjestetty tulokanavan (2) sisälle 97828 siten, että aikaansaadaan edullisesti laminaaristen nestevirtaus-ten ohjaaminen säteen suuntaisesti kohti pyörimisakselia ja/tai siitä poispäin.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen siipiratasmittari, tunnettu siitä, että siipipyörän (16) pyörimisakselia kohti ohjauksen aikaansaava ohjauspinnan jättöreuna (4b) on etäisyydellä läh-töaukosta, joka on noin 30 % kanavan keskimääräisestä pituudesta, ja että kanavan poikkiala tuloaukon alueella on sivuseinää (4c) ulospäin siirtämällä noin 20 % laajennettu.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen siipiratasmittari, tunnettu siitä, että ainakin yksi väliseinä (32) virtaus-suuntaan ulottuvalla lappeella on sovitettu tulokanavaan (2) niin, että se muodostaa ainakin kaksi osatulokanavaa (2a, 2b), jotka jakavat nestevirran osavirtoihin.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen siipiratasmittari, tunnettu siitä, että ainakin yksi väliseinä akselin suuntaisesti ulottuvalla ja/tai säteen suuntaisesti ulottuvalla lappeella johtaa tulokanavien jakamiseen useampaan osatulokanavaan.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen siipiratasmittari, tunnettu siitä, että ainakin yksi yhden tai useamman väliseinän järjestämisellä syntyneistä tulokanavan (2) osakanavista on varustettu patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukaisella virtausmuuntimena (31) vaikuttavalla ohjauspinnalla.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen siipiratasmittari, tunnettu siitä, että siipipyöräkuvun (1) kehälle jakaantuneesta on järjestetty useampia, edullisesti parillinen lukumäärä tulokanavia (2) saunoin keskinäisin etäisyyksin ja sama lukumäärä lähtökanavia (3) lapojen (16) kiertosuuntaan sivuavasta päättyvästi tulokanavien yläpuolelle.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen siipiratasmittari, tunnettu siitä, että siipipyörän (16) yläpuolella olevat 97828 välirivat (19) sijaitsevat laitekuvun (17) alemmalla ulkopinnalla ja että siipipyörän (16) alapuolella olevat välirivat on järjestetty siipipyöräkuvun (1) pohjaan.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen siipiratasmit-tari, tunnettu siitä, että virtausmuuntimien (31) avulla syntyvät sivuseinämän (4) kummatkin osat (4a, 4c) on järjestetty portaittain samansuuntaisina toistensa suhteen sivuun siirre-tysti pitäen siten saman suunnan.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen siipiratas-mittari, tunnettu siitä, että tulokanavien (2) kavennus vir-tausmuuntimen vaikutusta (31) lukuunottamatta sekä lähtökanavi-en kavennus kohti siipipyöräkuvun (1) sisätilaa kulloinkin vastaa sivuseinien (4) noin 7° kaltevuutta toisiaan kohti.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen siipiratas-mittari, tunnettu siitä, että tulokanavien (2) pituusakseliin nähden kohtisuoraan lähtöaukkojen alueella oleva tulokanavien (2) poikkileikkaus (7) on yhtä suuri tai pienempi kuin lähtökanavien (3) kohtisuorassa oleva suorakulmainen poikkileikkaus (8) niiden tuloaukoissa, ja että poikkileikkauksen korkeuden suhde leveyteen näissä molemmissa poikkileikkauksen kohdissa on noin 3:1. 97828