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Die Erfindung betrifft Flüssigkeitszähler mit Flügelrad gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Flügelradzähler besitzen eine zylindrische Messkammer
mit einem Messkammermantel, einem Messkammerboden und einer Messkammerdecke. Im
Inneren der Messkammer rotiert ein Flügelrad, bestehend aus einer
zentralen Welle und daran befestigten radialen Flügeln. Die
zu messende Flüssigkeit wird
durch wenigstens eine tangential orientierte Einströmöffnung in
die Messkammer eingeführt,
wo sie auf die Flügel
des Flügelrades
trifft und dieses in Bewegung setzt. Die gemessene Flüssigkeit
verlässt die
Messkammer über
wenigstens eine Ausströmöffnung,
die radial und/oder axial orientiert sein kann.
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Zwischen der Messabweichung des gemessenen
zum wahren Volumen und dem Durchfluss der zu messenden Flüssigkeit
besteht eine nichtlineare Abhängigkeit
(siehe Messkurve (1) in 4).
Aus diesem Grunde muss die Messkurve linearisiert werden. Hierzu
dienen axiale Staurippen, die an Boden und/oder Decke der Messkammer
positioniert sind. Diese axialen Staurippen haben zwei Aufgaben:
Zum einen begradigen sie die Messkurve durch Ausbildung von Flüssigkeitswirbeln,
die das Flügelrad bremsen,
zum anderen erzeugen sie insbesondere bei großen Durchflüssen und damit hohen Drehzahlen
hydrodynamische Kräfte,
die das Flügelrad
so axial zwischen seinen Lagern oder im oberen oder unteren Lager
positionieren, wie dies z. B. im Hinblick auf eine möglichst
lange Messbeständigkeit
erforderlich ist. So können
bei richtiger Auslegung des Flügelrads
und der axialen Staurippen die Lager des Flügelrads entlastet werden.
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Aufgrund dieser Doppelfunktion muss
bei der Auslegung der Flüssigkeitszähler mit
Flügelrad stets
ein Kompromiss zwischen der Begradigung der Messkurve und den auf
das Flügelrad
wirkenden hydrodynamischen Kräften
gefunden werden. Hinzu kommt, dass nur der äußere Teil der axialen Staurippen
von schnell fließender
Messflüssigkeit
beaufschlagt wird; dadurch ist die Wirkung der axialen Staurippen
nur begrenzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitszähler mit
Flügelrad
anzugeben, dessen Messkurve sich optimal begradigen lässt und
gleichzeitig gestattet, das Flügelrad
bei hohen Durchflüssen
in eine gewünschte
Position bezüglich
seiner axialen Lager zu bringen sowie gegebenenfalls auch die Flügelradlager
radial zu entlasten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
einen Flüssigkeitszähler mit
den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Dank der erfindungsgemäßen Positionierung der
Staurippen entfalten diese ihre Wirkung dort, wo die zuströmende Flüssigkeit
ihre größte Geschwindigkeit
hat und wo deshalb die stärkste
Wirbelbildung erreicht wird. Des weiteren entfalten die erfindungsgemäß positionierten
Staurippen ihre Wirkung über die
volle Höhe
des Flügelrades.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
ist auch wenigstens eine tangential gerichtete Ausströmöffnung vorgesehen.
In diesem Fall kann an der Innenwand des Messkammermantels in unmittelbarer
Nähe der
Ausströmöffnung ebenfalls
eine Staurippe positioniert sein. Auch an dieser Stelle ist die
Strömungsgeschwindigkeit
der Messflüssigkeit
noch relativ hoch, so dass auch die hier positionierte radiale Staurippe
zu einer Begradigung der Messkurve beiträgt, wenn auch geringer als
an der Einströmöffnung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung ist an der Innenwand des Messkammermantels achssymmetrisch
zur Welle des Flügelrads
zu jeder Einströmöffnung und
zu jeder Staurippe gleichartig eine weitere Einströmöffnung und
eine weitere Staurippe positioniert. Diese Staurippen erzeugen insbesondere
bei hohen Drehzahlen des Flügelrades
hydrodynamische Kräfte,
die von gleicher Größe sind
und sich gegenseitig aufheben, und so für eine radiale Zentrierung
der Flügelradwelle
im Zentrum der Messkammer sorgen. Dadurch werden die Lager der Flügelradwelle
radial entlastet. Der Flüssigkeitszähler besitzt
somit eine höhere
Lebensdauer.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind
an der Innenseite von Messkammerboden und/oder Messkammerdecke auch
axiale Staurippen positioniert, wie sie vom Stand der Technik her
bekannt sind. Diese axialen Staurippen haben in erster Linie die
Aufgabe, hydrodynamische Kräfte
zu erzeugen, die das Flügelrad
bei großen
Durchflüssen
und hohen Drehzahlen in der Messkammer axial im einen, z. B. oberen,
oder im anderen, z. B. unteren Lager positionieren oder so axial
zentrieren, dass die Lager der Flügelradwelle auch in axialer
Richtung entlastet sind.
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Bevorzugte Anwendung findet die Erfindung bei
Mehrstrahlzählern.
In diesem Fall sind die Einströmöffnungen
achssymmetrisch zur Welle des Flügelrades
positioniert. Jeder Einströmöffnung ist
eine radiale Staurippe zugeordnet. Dabei addieren sich die Wirkungen
der einzelnen Staurippen hinsichtlich der Begradigung der Messkurve;
gleichzeitig wird aber auch bei hohen Drehzahlen des Flügelrades dessen
Welle radial in der Messkammer zentriert, wodurch die Wellenlager
radial entlastet werden.
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Ist der Zähler ein Mehrstrahlzähler, so
können
auch die Ausströmöffnungen
achssymmetrisch zur Welle des Flügelrades
positioniert und jeder Ausströmöffnung eine
radiale Staurippe zugeordnet werden. Auch hier summiert sich die
Wirkung der einzelnen Staurippen.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung
in Form von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Es zeigen
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1 rein
schematisch eine Draufsicht auf eine geöffnete Messkammer eines Einstrahlzählers,
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2 rein
schematisch eine Draufsicht auf eine geöffnete Messkammer eines alternativen
Einstrahlzählers,
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3 rein
schematisch eine Draufsicht auf eine geöffnete Messkammer eines Mehrstrahlzählers und
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4 ein
Diagramm, welches den Einfluss der erfindungsgemäßen Staurippen auf die Messkurve
des Mehrstrahlzählers
der 3 zeigt.
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1 zeigt
rein schematisch eine Draufsicht auf die geöffnete Messkammer 10 eines
Einstrahlzählers.
Die Messkammer 10 besitzt einen Messkammermantel 11 und
einen Messkammerboden 12. Im Zentrum der Messkammer 10 rotiert
ein Flügelrad, welches
eine zentrale Welle 15 und daran radial gerichtete Flügel 16 besitzt.
Die Messflüssigkeit
wird mit Hilfe einer Einströmöffnung 13 in
etwa tangential in die Messkammer 10 eingeführt, wo
sie auf die Flügel 16 des
Flügelrads
trifft, und über
eine ebenfalls in etwa tangential orientierte Ausströmöffnung 14 abgeführt.
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Zur Begradigung der Messkurve des
Flügelrads 15, 16 ist
an der Innenwand des Messkammermantels 11 in unmittelbarer
Nähe der
Einströmöffnung 13 und
mit geringem Abstand zu den Spitzen der Flügel 16 eine Staurippe 17 angeordnet.
Die Staurippe 17 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte
Höhe der
Flügel 16.
Sie bewirkt, dass die durch die Einströmöffnung 13 einströmende Messflüssigkeit
verwirbelt wird, was zu der gewünschten Verlangsamung
der Drehzahl des Flügelrads 15, 16 führt.
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2 zeigt
rein schematisch eine Draufsicht auf die geöffnete Messkammer 10 eines
alternativen Einstrahlzählers.
Hier sind Einströmöffnung 13 und Ausströmöffnung 14 nicht
mehr fluchtend, jedoch nach wie vor tangential positioniert. Der
Einströmöffnung 13 ist
wieder die Staurippe 17 zugeordnet. Zusätzlich ist jedoch auch der
Ausströmöffnung 14 eine weitere
Staurippe 18 zugeordnet.
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3 zeigt
rein schematisch eine Draufsicht auf die geöffnete Messkammer 20 eines
Mehrstrahlzählers.
Die Messkammer 20 besitzt einen Messkammermantel 21 und
einen Messkammerboden 22. Die Messflüssigkeit wird der Messkammer 20 über sechs
radial orientierte Einströmöffnungen 23.1, 23.2,
... 23.6 zugeführt. Über ebenso
viele, hier ebenfalls tangential gerichtete Ausströmöffnungen 24.1, 24.2,
... 24.6 z. B. im unteren Bereich des Messkammermantels 21 verlässt die
Messflüssigkeit
die Messkammer 20 wieder. Dabei sind in diesem Ausführungsbeispiel
die Einströmöffnungen
und Ausströmöffnungen
in zwei unterschiedlichen Ebenen angeordnet.
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Jeder Einströmöffnung 23.1 ... 23.6 ist
eine in der Ebene der Einströmöffnungen
positionierte radiale Staurippe 27.1 ... 27.6 zugeordnet.
Jeder Ausströmöffnung 24.1 ... 24.6 ist
eine in der Ebene der Ausströmöffnungen
positionierte radiale Staurippe 28.1 ... 28.6 zugeordnet.
Die Wirkung aller Staurippen addiert sich sowohl in Bezug auf die
Begradigung der Messkurve als auch in Bezug auf die Zentrierung
der Flügelradwelle 25 im
Zentrum der Messkammer 20. Diese bewirkt bei hohen Drehzahlen
des Flügelrads 15, 16,
dass dieses im Zentrum der Messkammer 10 zentriert wird,
wodurch die Lager (nicht dargestellt) der Flügelradwelle 15 entlastet
werden.
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Das in 3 dargestellte
Ausführungsbeispiel
besitzt auch herkömmliche
axiale Staurippen 29 am Messkammerboden 22. Diese
axialen Staurippen 29 sorgen in erster Linie dafür, dass
das Flügelrad 25, 26 bei
großen
Durchflüssen
und hohen Drehzahlen in axialer Richtung positioniert wird.
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4 zeigt
die Messfehlerkurven eines Mehrstrahl-Flügelradzählers wie in 3 dargestellt zusammen mit der treppenförmigen Eichfehlergrenze.
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Die mit (1) bezeichnete Fehlerkurve
ergibt sich bei einer Messung ohne radiale und axiale Staurippen 27.1 ... 27.6; 28.1 ... 28.6.
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Die mit (2) gekennzeichnete Fehlerkurve
ergibt sich, wenn die radialen Staurippen 27.1 ... 27.6; 28.1 ... 28.6 noch
eine zu geringe Höhe
haben.
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Die mit (3) bezeichnete Fehlerkurve
ergibt sich, wenn die radialen Staurippen ihre optimale Höhe haben.
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Die mit (4) bezeichnete Fehlerkurve
ergibt sich, wenn die radialen Staurippen eine zu große Höhe haben.
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Grundsätzlich unterscheiden sich die
in 4 dargestellten Fehlerkurven
nicht von denen, die man bei Verwendung von nur axialen Staurippen 29 messen
kann. Die erfindungsgemäßen radialen Staurippen
ermöglichen
jedoch eine zusätzliche
und kompromisslose Beeinflussung der Messkurven und erlauben dem
Konstrukteur von Flüssigkeitszählern unabhängig voneinander
Einfluss zu nehmen
– durch
axiale Staurippen auf die gewünschte
Position des Flügelrades
in axialer Richtung,
– durch
mindestens eine radiale Staurippe auf die Messkurve,
– durch
achssymmetrisch angeordnete Einströmöffnungen mit jeweiliger radialer
Staurippe auf die Entlastung des Lagers in radialer Richtung.