Vorrichtung zum Wahrnehmen von Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit eines fliessfähigen Mediums in einer Leitung
Die Erfindunr betrifft eine Vorrichtung zum Wahrnehmen von Anderungen der Sbrömungsgeschwindig- keit eines fliessfähigen Mediums in einer Leitungs. Vorrichtungen dieser Art können z. B. dazu benützt werden, um einen Alarm auszulösen, Steuereinrichtungen in Tätigkeit zu setzen oder eine automatische Abschal tunlg edner Binrichtung zu bewirken, wenn die Strö- mungsgeschwindigkeit einen bestimmten Wert unterschreitet.
Die Kühlsysteme von Teilchenbeschleunigern und Kernreaktonen sind typische Einfichtungben, in de, nen solche Vorrichtungen in obiger Weise ; benützt werden, da eine nicht wahngenommene Verringerung des Kühlflüssigkeitsstroms sehr grossen Schaden verursachen ka, n, n.
Bekannte Vorrichtungen hlalben sich nicht als genügend zuverlässig, dauerhaft und empfindlich gezeigt, oder sie sind in der herstellung sehr teuer, Bekannte Vorrichtungen können z. B. nicht arbeiten, wenn die Blockierung der Stömung in der Vorrichtung selbst erfolgt. Es ist beispielsweise vorgekommen, dass siebzehn übliche Vorrichtungen in ebensovielen Kühlkanälen eines Teilchenbeschleunigers das Fliessen von Flüssigkeit znzeigten, obwohl in der Tat durch keinen kanal Flassigkeit stramte.
Eine bekannte Vorrichtung ist auf den Bcrnoull, i- Effekt aufgebaut, wobei ein Druckunterschied an beiden Seiten einer Gummimimbran aufrechterhalten wird.
Der Strom wird durch eine Düse geleitet, und', die Gummimembran verschiebt sich Ibei zunehmenlden Druckunterschlieden an den beid, en Seiten der Düse von einer ersten in eine zweite Stellumg, die eider normalen Geschwindigkeit der Strömung entspricht. Ein Verschiebung der Membran, die aus einer unerwünschten Änderung dieses Druckunterschiedes resultiert, wird über eine zweite Membran auf einen elektrischen Schalter übertragen, um einen Alarm auszulösen oder die Vorrichtung abzuschalten.
Diese Mechanismen haben sich je, doch nicht als vollkommen sicher erwiesen, da bei einer Verstopfund der Düse der Druckunterschied an der ersten Membran aufrechterhalten wird und dieser Druckunterschied in derselben Richtung wirkt wie der durch die Strömung erzeugte Druckunterschied.
Die bekannten Vorrichtungen sprechen auch nur auf sehr grlsse Veränderungen der Strömmunsgeschwindigkeit an, zum Beispiel wird ein Abschaltorgang erst ausgelöst, wenn die Strömungsgeschwindigkeit sich auf 70% der Geschwindigkeit be Arbeitsbedingeungen vermindert hat.
Die erfindungsgemäje Vorrichtun verwendet enenfalls ein federndes Element, das sich in einem Gehäuse befindet, welches Eintritts- und Austrittsöfnungen beisitzt, und an dessen beiden Seiten in Abhängigkeit von der Strömunggeschwindigkeit des Mediums unterschiedliche Drücke aufrechterhalten werden, um das elastische Element in-Albhängigkeit von diesem Dnuckunterschied an seinen beiden Seiten messbar zu verschieben.
Erfindungsgemäss zeichnet sich die Vorrichtung daurch aus, dass sich in der Eintrittsöfnung des Gehäuses eine konvergieende Düse befindet und dass in dem federnden Element ein sich in Strömmungsrichtung erweiternder Diffusor angeordnet ist, der sich zusammen mit dem JiTodernden Element verschielben kann und dessen Eingangsöffnung grössewr oder gleich der Düsenmündung ist, und dass eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Verschiebung des federnden Elementes abzutasten.
Ausser mangelnder Sicherheit weisen bekannte Kupplun, gen grobe Nachteile insofern auf, als Idie ver- wendeten Kautschukmlemibranen im Gebrauch zunehmend härter werden und sich bleibend verformen. Diese Nachteile von Kaustchukmembranen treten nach deutlicher auf, wenn die Kupplung im Bereich radioaktiver Strahl, untg verwendet wird. Wenn sich Idie Kautschukdichtung bleibend verformt, wird ein Signal, das anzeigt, dass die Flüssigkeit strömt, unabhängig von den wirklichen Strömungsverhältnissen gegeben, In der erfindungsgemässen Vorrichtung wird daher als federndes Element vorzugsweise eine Metallmembran verwendet.
Dies hat den Vorteil, dal3 die Membran nicht wie Gummi hart werden klann. Die Metallmembran ist dauerhafter und besitzt wenizger Hystereseverliust und ermöglicht eine besser Reproduzierbarket der Kritischen Arbeitsbedingungen als eine Eautschukmem- bran.
Praktische Ausführunlgsformen der Vorrichtung nach der Erfindung arbeiten über lange Zeitperioden unverändert zuverlässig, sprechen auf sehr kleine An derungen der Strömungsgeschwindigkeit an, beanspruchen wenig Platz und sind wirtschaftlich herstellbar.
Die Erfinldung wird anhand der Zeichungen bei spielsweise erläutert.
Fig. 1 zeiigt teilweise unterbrochen eine Ansicht einer Ausführungsform, der Vorrichtung nach, der vorleigenden Erfindung auf die Eingangsseite.
Fi,,-. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1.
Die in den Zeichnungen dargestellte Vorrichtung besitzt ein Gehäuse, das von icinem Metallkörper 11 gebildet wird, der eine im allgemeinen zylindrische Form aufweist,, deren Länge etwa zwei Drittel des Durchmessors beträgt. Das Gehäuse 11 weist einen ana, eformten zylindrischen Teil 12 und einen vorsprin- genden sechskantigen Teil 13 auf, der koaxial zum Gehäuse verläuft und eine kleineren Durchmesser, von etwa der Hälfte des Gehäusedurchmessers besitzt. Die Längen der zwei Abschnitte 12 und 13 können etwa gleich sein.
Etwas unterhalb des äusseren Radius Ides zylindrischen Teils 12 setzt ein sich nach unten erstrek kender rechteckiger Vorsprung 14 an, der mit dem Teil 12 aus einem Stück besteht. Ein rechteckiger Arm 16 ,, t von Ider fliachen unteren Seite, des Vorsprungs 14 an einer Kante desselben vor. Der Zweck dieses Arms wird unten erläutert.
In der Endseite des zylinfdrischen Gehäuseteils 12 befindet sich eine axiale Bohrung 17, deren Tiefe etwa zwei Drittel der axialen Länge des zylindrischen Teils beträgt.l Die Bohrung 17 besitzt ein Innengewinde 18.
Eine zweite Bohrung 19 bildet eine koaxiale Fortsetzung der Bohrung 17 und weist einen Durchmesser von etwa vier Zehntel der Bohrung 17 auf. Die axiiale Länge der Bohriung 19 ist etwa gleich der axialen Länge der Bohrung 17. Ein, e dritte koaxiale Bohrung 21 erstreckt sich durch den Sechskant 13. Die Bohrung 21 besitzt an ihrem inneren und an ihrem äusseren Ende je ein Innengewinke, In des äussere Gewinde wird die Flüssigkeitszuleitung 22 zu der Kupplung eingeschraubt.
Das Gehäuse 11 weist ebenfalls eine kleline, vertikale Radialbohrung 23 auf, Idie sich durch den Fortsatz 14 erstrecht und mit, der Bohrung 19 nahe deren inne rem. Ende in Verbindunxg steht. Der Durchmesser der Bohrung 23 beträ ! gt vorzugsweise die Hälfte tder Tiefe der Bohrung 19 und der äussere Teil dieser Bohrung 23 ist mit einem Innengewinde versehen, u-m ein Rohr einzuschrauben, dessen Funktion später beschrielben werden wird.
Eine Ringnut 24 befindet sich in ider Stirnfläche der Bohrunlg 17, wobei ein schmaler ring Absatz 26 zwischen der Nut un, d der zylindri- schen Wandun, g der Bohrung venbleibt. Eine weitere Bohrung 27 durch die Stirnwand des Teils 12 neben dem Sechskant 13 siteht mit der Ringniut 24 in Verbin ding und besitzt ein Gewinde, um einen Stopfen 30 oder eine Verbindlungsleitungg mit einrichtungen, um die Vorrichtung bei Bedarf auszuspülen, aufzunehmen.
Um die stationäre Hälfte eines Venturi-Rohrs mit quer zu dessen Längsachse verlaufender Trennung z. u bilden, ist eine DUse 28 in die Bohrunlg 21 einge- schraubt. Die Düse besitzt einen sechskantigen Kopf 29, der en kleines Stick in die Bohrung 19 vorsprin, gt.
Eine konische Bohrunior 31 mit einem Konuswinkel von beispielsweise 40 ist in der Düse 28 vorgeseh n, wobei der klei, nere Querschnitt der Dohrung sich in dam sechskantigen Kopf 29 befindet, Die Bohrung 31 enrdet in einer kleinen Mündung 32 mit einem Durchmesser am inneren Ende der Düse 28 von Beispielsweise etwa 2, 4 mm.
Eine runde Membran 33 aus Federmetall passt auf den Absatz 26 der Bohrungg 17 und ist koaxial zu dem Gehäuse 11 angeordnet. Eine kreisförmige Öffnung 34 beìndet sich in der Mtte dieser Membran. Um eine verschiebbare Fortsetzung der Düse 28 zu bildeD, ist koaxial in der Offnung 34 der Membran ein Diffusor 36 angeordnet. Der Diffuser weist leinen sechskantilgen Kopf 37 auf, der an der Membran 33 auf deren von der Düse 28 abgelegenen Seite anliegt. Ein zylindrischer Teil 38 des Diffusors ersteckt sich durch die Membran öffnung 34 und nimmt den Rest der Länge des Diffusors ein.
Ein ringförmiger Absatz 39 au± der inneren Stirnfläche Des sechseckigen Kopfes 37 zeintriert den Diffusor 36 genau in der Membran 33. Der Diffusor 36 weist eine in axialer Richtung verlaufende konsiche Bohrung 41 tau±, deren Konuswinkel Ibeispielsw, eise etwa 6 beträgt. die Bohrung 41 verjüngt sich von dem sechseckigen Kopf 37 aus nach innen zu einem Eingang 42 in der Mitte der Stirnfläche des zylindrischen Teils 38 des Diffus, ors 36 hin. Dieser Eiwang 42 ist etc, as grösser, beispielsweise 0, 4 mm grösser als die Mündung 32 der Divise 28.
Die Peripherie Ides zylindrischen Teils 38 ist mit einem Gewinde versehen, auf. das eine Sechskantschrubemutter 43 aufgeschraubt ist, um Iden Diffusor 36 in der membrans 33 zu befestigen.
Der Eingang 42 des Diffusors 36 ist genau in der Membron 33 zentriert, so dass dieser Eingang denau mit d'er Mündeng 32 der Dise 28 gefluchtet must. Die Toleranz dieser Fluchtung beträgt vorzugsweise etwa 0, 08 mm bei einem Düsenmundstück von 2, 4 mm Mündungsdurchmesser. Der Abstand zwichen der Düse und dem Diffusor sollte zwischen etwa 3/8 und 3/4 des Durchmessers der Düsenmündung betragen.
Es ist klar, dass bei diesem zwiteiligen Ventiur Rohr der kleinste statische Druck an dessen engster Stelle auftritt, das heisst in dem Trennspalt zwischen der Diise 28 und dem Diffusor 36. In dem Diffusor 36 baut sich der statische Druck wleiderum auf, so dass eif geringer Druck ; auf der Sleite Ider Membran 33 herrscht, an der sich der Spalt in dem Venturi-Rohr befinet, und ein höherer Druck an der : anderen Slaite der Membran vorhanden ist, an der die Flüssigkeit aus dem Diffusor austrit.
Ein axiale Fehlfuchtung der Düse 28 und des Diffusors 36 tuber etwa 3 % des Mündungsdurchmessers und ein Abstand zwischen Divise und Diffusor über etwa 3/8 bis 3/4 des Durchmessers der Mündung 32 kann zu einer nicht unerheblichen Verminderung der Empfindlichkeit der Vorrichtung führen, da der Düsenstrahl nicht richtig in Iden Eingang 42 des Diffusors, einitritt. B, ei einer solchen Fehlfluchtung wird der Druokunterschied an, den zwei Seiten der Met, bran 33 verringert.
Um die Membran 33 gegen den A ! bsatz 26 des Gehäuses 11 zu drücken und um die Endwandun, g des Gehäuses zu bilden, ist ein Abschlusskopf 44 vorgesehen, der in die Bohrung 17 des Gehäuses 11 eingeschraubt ist. Das äussere Ende des Abschlusskopfes 44 ist auf etwa 3/8 seines Durchmessers reduziert und besitzt eine scchskantige Form, so dass der Kopf mittels eines Ga belschlüssels oder Schrauibenschlüssels dicht in das Ge häuse 11 seing, eschraubt werden kann.
Eine weite, ab- gestufte BohrurDg 46 fefindet sich in des Kopf 44, deren weiterer Teil in einem schmalen, ringförmigen Ansatz 47 enldet, welcher gegen den Rand der Mem- bran 33 drückt. Dies billdet einen leckdichten Ver schluss, wobei, bei Dieser Vorrichtung nur Metall verwendet wird, obgleich es auch möglich ist, eine Dich tung aus einem Ellastomeren zu verwenden. Die Gesamt- tiefe Ider abgestuften Bohrung 46 kann vorzugsweise etwa 2/3 der axialen Länlge Ides Kopfes 44 betragen.
Eine Weitere axiale Bohrung 48 erstreckt sich von dem Ende Ider Bohrung 46 aus zdurch den Kopf 44. In das , ilst ein Auslal3rohr 49 einge- schraubt.
Eine mechansische Kopplung 51 ist vorgesehen, um die Bewegung der Membran 33 auf einen Schalter ausserhalb des Gehäuses 11 zu übertragen. Die Kopplung 51 besitzt eine Stange 52 mit einem etwas kleineren Durchmesser als die Bohrung 23 in ! dem Gehäuse 11 und einer Länge, die hinrdichend ist, um Idurch lie gesamte Bohrung von dem Rand der Mutter 43 des Diffusors 36 bis fast zu dem äusseren Ende des Armes 16 zu reichlen. Nach einem kurzen Stick von dem oberen Ende der Stand 52 aus verringert sich deren Durchmesser, um einen relativ kurzen Absatz 53 zu bilden. Die unteren 4/5 der Stange besitzen einen noch kleineren Durchmesser.
Nahe dem unteren Ende der stage 52 befinclet sich eine Querbohrung 54, in die ein¯ Stellschrautbe 56 eingeschraubt ist. Eine Rin, gscheibe 57, die sich unter diem Schrauben, kopf 56 befindet, und eine Druckfeder 58, die die Schraube zwischen der Rino, schelb ! a und der Stange 52 umgibt, gewährleisten, dass die Schrube die eingestellte Stellung beibehält.
In der Bohrung 23 ist ein Rohr 59 aus elastiscehem Material koaxial angeordnet, das mit Ausnahme doles obersten Teils die Stange 52 umgibt. Das Rohr ist auf den Absatz 53 aufgeschrumpft. Wobei vorzugsweise die Aussenfläche des Rohrs bündig mit dem Teil der Stage, der den grässten Durchmesser besitzt, verläuft. Die Länge des Rohrs 59 ist so bemessen dass, wenn es auf dem Absatz 53 aufgeschoben ist, das untere Ende sich faut bis zu der Stellsohraube 56 erstreckt.
Eine Ringverbindung 61 ist in ldas untere Ende der Bohrung 23 eingeschraubt, um die Kupplungseinrichtung 51 in dieser Bohrung zu halten. Die Verbindung 61 besteht aus einem rohrförmigen Abschnitt 62 mit einlem Aussen- gewinde an jeldem Ende un, d mit einem relativ schmalen sechskantigen Teil 63 zwischen den beiden Gewinden.
Der Innendurchmesser des Verbindungsstückes 61 ist etwas gr6Ber, als Ider Aussendurchmesser, Åaes Rohres 59 mit Ausnahme eines kurzen Teils am unteren Ende des Verbindunlgsstückes, dlertdicht an, dem Rohr anliegt.
Eine Hülse 64 mit einem Innendurch, mZesser, der einen engen Passsitz auf der Aussenfläche des Rohres 59 gewährleistet, ist koaxial am unteren Ende des röhrenförmigen Abschnittes 62 angeordnet. Eine Schraubkappe 66 mit Innengewinde ist auf das untere Ende des röhrenförmigen Teils 62 aufgeschraubt, wordurch die Hiils. e 64 unter Durck gesetzt wird, und dadurch das Rohr 59 an Ort und Stelle halt und einen flüssikeitsdichten Asbschluss bildet. D, as obere Ende der Stange 52 wilid auf thèse Weise gegen die Mutter 43 Ides Diffusors gedrückt, um die Verschiebung der Membran 33 abzutasten.
Die beschriebene Konstruktion ist so ausgelegt, dass, wenn kein Flüssisgkeitsdruck auf die Membran 33 wirkt, der mittlere Teil der membran von der flachen inneren Stirnseite Ider Bohrung 17 etwas durch jden Druck der Stange 52 auf die Mutter 43 abgehoben wird, beispiels- weise bei, dieser Vorrichtung etwa 0, 25 mm. Die mechanische Kopplung 51 wirkt auf, diese Weise als Federarm.
Ein Mikroschalter 67 ist auf dem Arm 16 mit Schrauben 68 so befest, igt, dass das Steuerelement 69 des Schalters durch das Ençd'e der Stellschraube 56 bei einer ganz geingen lateralten VErschiebung des Stabes 52 betätigt werden kann. Der Mikroschalter 67 ist mit elektrischen Anschlussklemmen 71 ausgerüstet, die beispielsweise mit einer Stromquelle 72 und einem Relais 73 in Reihe geschaltet werden können. Das Relais 73 k, ann wlahlweise Steuereinrichtunge, Alarmeinrichtun- gen, Sicherheitsvorrichtungen oder dergleichen in bekannter Weise betätigen.
Eine Kammer 74, die das Schutzgehäuse für den Mikroschalter 67 und das Ende der mechanischen Kopp lungg 51 bidet, ist mit dem Arm 16 fest v, erbunden. Eine kleine Öffnlung 76 in Ider Kammer 74 ist vor, gesehen, um die elektrischen Leitungen einzuführe. Ein Ende der Kammer 74 neben den AnschlussklemmLen 71 ist offen und wird von einem I3eckel 77 verschlossen, um die elektrischen Anschlussklemmen zugänglich zu machen.
Die beschriebene Vorrichtung wird sorgfältig auf die gewünschten Betriebsteigenschaften geeicht. Die me- chanische Kopplung 51 wird in die Bohrung 23 vor der InstallierunoderMeanbran 33 einlgeschrawbt. Indem hierauf eine gerade Kante von einer Seite Ides Ansatzes 26 zu der anderen gelegt wird, dann der genaue Abstan, dlder Stange 52 von der Ebene der Membran 33 bestimmt werden, wenn auf diese Eine Kraft wirkt.
Durch Vergleich dieses Abstandes mit der Stärke der Mutter 43 kann der ungefähre Betrag der Verschiebung der°Membran33 und derStange52 bestimmt werden.
Sollte dieseVerschiebung ungenügend sein, konnen Bei- lagscheiben zwischen die Mutter 43 und die Membran 74 zusammengesetzt worden ist, kann sie in einen Prof- Strömung von regelbarem Eingangsdruck aufrechternimmt der statische Druck auf der Seite der Membran 33 eingebracht w, erden und wenn ldie Verschiebunlg zu gross ist, kann die Stdrke der Mutter reduziert werden.
Nachdem die Vorrichtung abgesehen von der Kammer 74 zusammengesetzt worden ist, kann sie in eine Prüfflüssigkeitskreis geschaltet werden, in welchem eine Strömung von regelbarem Eingangsdruck aufrechterhalten werden kann. Wenn die Strömung zunimmt, nimmt der statische Druck auf der Seite der Membran 33, die stromasbwärts von der Mündung des Diffusors liegt. zu, wodurch ein Druck. auf das innere Ende des Stabes 52 auslgeübt wird und eine Verschiebung, dieses Stabes in der entsprechenden Richtung bewirkt.
Das andere oder üussere Ende des Stabes 52 verschiebt sich dann leicht in entgegengesetzt, er Richtung oder auf den Mikroschalter 67 zu, wobei der Betrag der Verschicbung proportional dem statischgen Druck, der die Verschie- bung der Membran 33 bewirkt, ist. Die Schraube 56 kann dann so justeiert werden, ldass der Schalter 67 bei der gewünschten Strömungsgeschwindigkeit des die Vor richtunO Idurchströmenden Mediums, geschlossen wird.
Um den gewünschten/Arbeitsbereich zu erhalten, welcher abhängt von der Stromungsgeschwindigkeit uder Flüssigke*, bei welcher der Sohalter 67 geschlossen wird, und von der Strömmungsverminderung, die eintreten soll, bevor der Schalter geöffnet wird, ist ein Ausgloich zwi- schen dem Druck, den die Kopplung 51 auf Idie Mem- bran 33 ausiibt, und der Einstellung der Stellschraube 56 erforderlich.
Nach Idor richtisgen Einstellung der Stellschraube 56 kann these mit oinem hdrtbaren Material versiegelt werden, um ein zufällige Verstellung zu verhindern, da, die richtige Einstellung Idieser Ein- stellschraube sehr kritisch ist.
I-m Betrieb kann die Einrichtung so eingestellt werden-was, wie oben beschrieben, geschieht-dass der Schalter 67 bei einem normalen, konstanten Flüssigkeitsstrom betätigt wird, und bei einem Abfall der Stömungsgeschwindigkeit auf etwa 90 biis 95 % der normalen Strömungsgeschwindigkeit ausgelöst oder ab geschaltet wird.
Es können manchmal Verhältnisse auftreten, die durch eine Druckzunahme auf der Eingangsseite der Kupplung bedingt sind und bei denen mehr als das Dr-ed-oder Vierfachc, des normalen Druckes erzeugt wird, was zu einem proportionalen Anstieg der Strö- munWg ! durch die Düse und ! zu einem Anstieg ides Druckunterschieds an der Membran 33 führt. Eine Beschägigung der Membran 33 wird hunter, diesen Verhält- nissen vergindert, da die Endwandung der Bohrung 17 sich nach innen bis fast zu Ider Mutter 43 erstreckt.
Deshalb Sdrückt ein etwas grösserer Druck auf der stromabwärbigen Seite der Membron 33 Idiese Membr, an gegen den Boden der Bohrunlg 17, wodurch eine Verformung der membran ausgeschlossen wird. Eine Verformung würde hingegen bei grossen Eingangsdrücken statfinden, wenn die Membran 33 nicht auf diese Weise geschützt wäre.
In dem flachen Raum zwischen der Membr, an 33 und, dem Boden der Bohrung 17 könnvn sich Schlamm und Ablagerungen ansammeln. Für diesen Zweck ist die oben beschriebene Rignut 24 vorgesehen, die mit der Bohrung 287 kommuniziert. Um den Raum unter der membran 33 auszuspülen, ist en nur erforderlich, eine mit der Bohrung 31 vebundene Abzugsleitung zu öffnenm, wobei der Stopfen 30 beispielsweise entfernt wird. Hierdurch strömt Flüssigkeit durch den Raum zu der Ringnut und aus der Bohrung 31 zu der Abzugsleitung aus.