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Strömungsmengenmesser Die Erfindung betrifft einen Strömungsmengen
messer oder Durchflußmesser für Flüssigkeiten, Gase oder sonstige strömende Medien.
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Bei zahlreichen Verfahren und in vielen Anlagen ist es notwendig,
kontinuierlich die volumetrische Strömungs- oder Durchflußmenge von Flüssigkeiten
oder Gasen mit einem hohen Genauigkeitsgrad zu messen. Dieses Erfordernis ist besonders
wichtig bei dem Verfahren des Mischens von Ölen und Petroleumprodukten, welches
in einem solchen Maßstab ausgeführt wird, daß irgendwelche Ungenauigkeiten bei der
Durchflußmessung große Fehlerquellen darstellen, die im Hinblick auf die oft sehr
großen Flüssigkeitsmengen äußerst unerwünscht sind.
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Die genaueste Art der Durchflußmessung für große Ausbringungen oder
Mengen besteht erfahrungsgemäß in der Anordnung einer kreisförmigen Meßdüse oder
Venturidüse in der Rohrleitung. Wenn der Querschnitt der Meßdüse oder die Einschnürung
des Venturirohres und der Druck vor dem Meßgerät bekannt sind, kann der volumetrische
Durchfluß sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase genau berechnet werden.
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Ferner bietet bekanntlich eine kreisförmige Meßdüse den geringsten
Widerstand und ergibt gegenüber allen sonstigen Durchflußmessern die geringste störende
Einwirkung auf das strömende Medium.
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Infolgedessen stellt eine kreisförmige Meßdüse oder Meßöffnung an
sich die beste Einrichtung zur Messung und Regelung des Durchflusses in Rohrleitungen
dar.
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Jedoch geht durch eine in einer Rohrleitung angeordnete Meßdüse bei
einem bestimmten Eintrittsdruck nur eine volumetrische Strömungsmenge hindurch.
Es würde zwar möglich sein, eine Serie von Meßdüsen mit verschiedenem Durchtrittsquerschnitt
bereitzuhalten, welche automatisch und dicht in die Rohrleitung eingesetzt werden
könnten. Dadurch würde man aber nur eine stufenweise Kontrolle des Durchflusses
erreichen, eine Lösung, die nicht als befriedigend betrachtet werden kann. Die ideale
Lösung der Aufgabe würde in einer stufenlos regelbaren kreisförmigen Meßöffnung
oder Meßdüse bestehen.
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Auf den ersten Blick scheint die einzige Möglichkeit zur Erzielung
einer stufenlos regelbaren kreisförmigen Durchflußöffnung darin zu bestehen, eine
elastisch deformierbare Öffnung vorzusehen. Derartige Geräte sind auch gebaut worden.
Sie bestehen im allgemeinen aus einem Stück einer starkwandigen elastischen Röhre,
die durch einen von außen wirkenden hydraulischen Druck im Innern symmetrisch
deformiert
wird. Meßgeräte dieser Art haben jedoch folgende Nachteile: Erstens ist die Anwendung
des erforderlichen elastischen Materials auf einen ziemlich niedrigen Temperaturbereich
begrenzt. Zweitens müssen besondere Einrichtungen zum Zusammenpressen der elastischen
Röhre oder Düse vorgesehen werden, die entweder aus einer beigefügten Pumpe oder
aus einer Verbindung mit einem Drucksystem bestehen. Drittens vergrößert sich der
Durchmesser der Durchflußöffnung, wenn der Außendruck z. B. durch Leckverluste nachläßt.
Viertens ist das Verhältnis des größten erzielbaren Öffnungsquerschnittes zum kleinsten
Öffnungsquerschnitt durch die Elastizität des deformierbaren Materials begrenzt.
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Durch die Erfindung wird bezweckt, einen verbesserten Strömungsmengenmesser
oder Durchflußmesser zu schaffen, welcher die Mängel der bisher bekannten Mengenmesser
der in Rede stehenden Art vollständig oder jedenfalls weitgehend beseitigt.
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Ferner wird bezweckt, bei einem solchen Durchflußmesser die Durchströmung
der Flüssigkeit oder des Gases mit Hilfe einer in den Strömungsweg eingefügten Öffnung
zu messen, deren Durchtrittsquerschnitt über einen weiten Meßbereich stufenlos veränderlich
ist.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß bei einem Strömungsmesser
in einem mit Ein- und Austrittsstutzen versehenen Gehäuse zwischen diesen
Ein-
und Auslässen zwei drehbare Trommeln vorgesehen sind, die mit ihren miteinander
in Berührung stehenden Umfängen aufeinander abrollen und die in ihren Umfängen Rinnen
oder Längsnuten haben, welche zusammen die Durchflußöffnung bilden, wobei sich der
Querschnitt dieser Nuten in der Längsrichtung derselben derart ändert, daß sich
die Größe der Durchflußöffnung bei einer Drehung der Trommeln entsprechend verändert.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung sind die mit
ihren Umfängen in gegenseitigem Abwälzkontakt stehenden Trommeln derart z. B. mittels
Zahnrädern oder Verzahnungen miteinander gekuppelt, daß sich die Trommeln in entgegengesetzten
Richtungen drehen. Die Trommeln sind mit engem Arbeitsspiel in dem mit Ein- und
Auslaßstutzen versehenen Gehäuse angeordnet, wobei die Ein- und Auslaßstutzen an
den gegenüberliegenden Seiten einer Ebene vorgesehen sind, welche die Rotationsachsen
der Trommeln enthält. Die beiden Trommeln haben aufeinanderpassende, sich verjüngende
Rinnen oder Nuten, die sich in den Umfängen der Tro;meln'Uber einen Teil des Umfanges
erstrecken. Beiderseits der sich verjüngenden Nuten sind am Trommelumfang ringförmige
Dichtungen angeordnet, welche einen Leckdurchtritt des strömenden Mediums vom Einlaßstutzen
zum Auslaßstutzen durch den Spalt zwischen den Trommelseiten und den Seitenwandungen
des Trommelgehäuses verhindern.
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Die Trommeln haben ferner Dichtungen, welche sich quer über den Trommelumfang
zwischen den Umfangsringdichtungen erstrecken und welche im folgenden als Querdichtungen
bezeichnet werden.
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Diese Querdichtungen verhindern am Umfang einen Leckdurchtritt des
strömenden Mediums zwischen den Trommeln und dem Gehäuse von den mit den Nuten versehenen
Trommelteilen zu den Umfang teilen derselben zwischen den Enden der Nuten und umgekehrt.
Außerdem verhindern diese Querdichtungen in mindestens einer Winkelstellung der
Trommeln einen Leckdurchtritt des strömenden Mediums über die Berührungslinie zwischen
den Umfangsteilen der Trommeln. Die Anordnung ist so getroffen, daß die sich verjüngenden
Längsnuten, wenn sie einander gegenüberiegen, zusammen eine Öffnung für den Durchtritt
des strömenden Mediums vom Einabstutzen zum Auslaßstutzen bilden, wobei die Größe
dieser Durchflußöffnung von einem bestimmten Mindestwert bis zu einem bestimmten
Maximalwert stufenlos regelbar ist.
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Der Mlndestdurchtrittsquerschnitt der Durchflußöffnung wird vorzugsweise
sehr klein gewählt, während der maximale Durchtrittsquerschnitt vorzugsweise dem
Durchtrittsquerschnitt der Ein- und Auslaßstutzen entspricht.
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Die sich verjüngenden Rinnen oder Längsnuten haben vorzugsweise halbkreisförmige
Querschnitte, so daß sie in allen Stellungen, in denen sie sich gegenüberliegen,
eine kreisförmige Durchflußöffnung bilden. Indessen kann es auch Anwendungsfälle
geben, bei denen die Durchflußöffnung eine viereckige, dreieckige, ovale oder sonstige
Form haben soll. In diesen Fällen wird die Querschnittsform der sich verjüngenden
Nuten anders als halbkreisförmig, nämlich so gewählt, daß die Nuten miteinander
eine Durchflußoffnung mit der gewünschten Form ergeben.
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Die ringförmigen Umfangsdichtungen und die Querdichtungen jeder Trommel
können in einem Stück aus synthetischem Gummi oder einem sonstigen elastischen Material
hergestellt werden. Die ringförmigen Umfangsdichtungen werden in eingeschnittene
Absätze an jedem Ende der Trommel eingesetzt, während die Querdichtungen aus zwei
Querleisten bestehen, die in zwei Quernuten im Umfang der Trommel eingefügt werden,
welche dicht neben den beiden Enden der sich verjüngenden Längsnut der Trommel angeordnet
sind.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung in einer Ausführungsform beispielsweise
veranschaulicht.
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Fig. 1 zeigt in teilweise abgebrochener perspektivischer Darstellung
einen Strömungsmengenmesser gemäß der Erfindung; Fig. 2 zeigt in perspektivischer
Darstellung eine der drehbaren Trommeln des Strömungsmessers nach Anspruch 1; Fig.
3 zeigt eine teilweise geschnittene Vorderansicht der beiden drehbaren Trommeln
mit der Zahnräderkupplung in voller Öffnungsstellung; F i g. 4 zeigt eine der F
i g. 3 entsprechende Vorderansicht der beiden drehbaren Trommeln in einer teilweise
geschlossenen Stellung; Fig.5 zeigt eine schematische Darstellung einer der beiden
Trommeln mit zwei alternativen Formen der Nutenwurzel; Fig. 6 zeigt einen vertikalen
Längsschnitt durch den Strömungsmesser in der vollen Öffnungsstellung der Durchflußöffnung,
und Fig. 7 zeigt einen entsprechenden Längsschnitt durch den Strömungsmesser bei
vollständigem Abschluß der Durchflußöffnung.
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Der in F i g. 1 dargestellte Durchflußmesser hat ein Gehäuse 11,
welches aus einem Stück mit geflanschten Einlaß- und Auslaßstutzen 12 und 13 gegossen
ist. Das Gehäuse 11 ist an beiden Seiten offen und im Innern bearbeitet, um zwei
Trommeln 14, 15 aufzunehmen, welche so angeordnet sind, daß sie in gegenseitiger
Berührung stehen und sich mit ihren Umfängen aufeinander abwälzen, während zwischen
ihnen und dem Gehäuse 11 ein geringes Arbeitsspiel vorhanden ist.
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Die Trommeln 14 und 15 haben den gleichen Durchmesser und die gleiche
Breite. Sie sind mit sich in Längsrichtung verjüngenden Umfangsnuten oder Rinnen
16 bzw. 17 und außerdem mit Dichtungen 18 bzw. 19 versehen, die im folgenden noch
näher beschrieben werden.
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Die Trommeln 14, 15 können aus Metall bestehen, in welchem Falle
sie vorzugsweise gleich zusammen mit den Nuten 16, 17 im Präzisionsgußverfahren
hergestellt werden und dann vor ihrem Gebrauch lediglich eine Endbearbeitung durch
Polieren erfordern. Wenn es die Temperaturverhältnisse gestatten, unter denen der
Durchflußmesser arbeitet, können die Trommeln auch aus Kunststoffmaterial hergestellt
werden, z. B. aus Polytetrafluoräthylen oder aus starrem Polyvinylchlorid, wobei
die Nuten gleich mit den Trommeln zusammen geformt werden.
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Die Trommeln 14, 15 sind auf Wellen 21, 22 aufgekeilt und in Lagern
drehbar, die in Seitenplatten 23, 24 des Gehäuses 11 vorgesehen sind. Wenn der Durchflußmesser
klein ist, können diese Lager selbstschmierend sein, wenn das Gerät aber größer
ist, werden vorzugsweise Kugel- oder Rollenlager verwendet.
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Zwischen der Seitenplatte 24 und einer Deckplatte 20 sind auf den
Wellen 21, 22 Zahnräder 25, 26 aufgekeilt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
kämmen diese Zahnräder 25 und 26 miteinander in einem Übersetzungsverhältnis 1:1.
Bei größeren Geräten, wo der Abstand zwischen den Wellen 21 und 22 verhältnismäßig
groß ist, können die beiden Zahnräder 25 und 26 durch ein Getriebe aus mehreren
kleineren Zahnrädern ersetzt werden, vorausgesetzt daß das Gesamtübersetzungsverhältnis
1 : 1 bleibt und daß die Wellen gezwungen sind, sich in entgegengesetzten Richtungen
zu drehen. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die äußeren Zahnräder
ersetzt werden durch ineinandergreifende Verzahnungen, die auf den Umfängen der
Trommeln zwischen den Kanten der Nuten 16, 17 und den Seitenringen 18', 19' der
Dichtungen 18, 19 angeordnet bzw. eingeschnitten sind.
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Die Deckplatte 20 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel innen
mit einer Ausnehmung versehen und bildet ein Gehäuse für die Zahnräder 25, 26. Die
Deckplatte 20 ist mit den Seitenplatten 23, 24 und dem Gehäuse 11 durch in der Zeichnung
nicht näher dargestellte Bolzen verbunden, welche durch Löcher 27 hindurchgehen.
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Die Deckplatte 20 ist an der Stelle 29 über einem Teil der Seitenfläche
des unteren Zahnrades 25 ausgeschnitten, um auf dieser Seitenfläche des Zahnrades
angebrachte Anzeigemarken sichtbar zu machen, die mit einem Zeiger 30 zusammenarbeiten.
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Dadurch kann der Durchmesser der Durchflußöffnung für jede besondere
Einstellung des Strömungsmessers angezeigt werden.
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Die Welle 22 ist mit einer Kupplungsmuffe 28 zur Verbindung mit einem
in der Zeichnung nicht näher dargestellten Betätigungsmechanismus versehen, der
z. B. eine Schnecke und ein Schneckenrad enthalten kann, so daß die Winkelstellungen
der Trommeln 14 15 nach erfolgter Einstellung fixiert bleiben. Dieser Mechanismus
kann von Hand z. B. mittels eines Handrades oder durch Fernsteuerung elektrisch,
hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden.
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Wie aus F i g. 2 bis 4 ersichtlich ist, haben die sich verjüngenden
Umfangsnuten 16, 17 in den Trommeln 14, 15 über ihre ganze Länge halbkreisförmige
Querschnitte, wobei sich der Radius dieser Querschnitte progressiv von einem unendlich
kleinen Wert an den Stellen 31, 32 bis zu einem Maximalwert an den diametral gegenüberliegenden
Seiten der Trommeln vergrößert. Die Umfangsteile 33, 34 an den den Nuten 16, 17
gegenüberliegenden Seiten der Trommeln haben glatte zylindrische Oberflächen. Die
Nuten 16, 17 sind so bemessen, und die Trommeln 14, 15 sind durch die Zahnräder
25, 26 so miteinander verzahnt, daß, wenn genutete Teile der Trommeln miteinander
im Eingriff stehen, die gegenüberliegenden Querschnitte der Nuten 16, 17 stets einen
gleichen Radius aufweisen, so daß zwischen den Trommeln immer eine kreisförmige
Öffnung gebildet wird. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Strömungsmesser
so ausgebildet, daß er eine geradlinige Charakteristik hat, d. h. der Durchflußquerschnitt
der Meßöffnung und damit der volumetrische Durchfluß durch den Strömungsmesser ändert
sich direkt mit der Winkeldrehung der Trommeln 14, 15. Diese geradlinige Charakteristik
wird dadurch erhalten, daß die Nuten so geformt werden, daß das Verhältnis des doppelten
Drehwinkels der Trommel zu dem Radius der Nuten
1: 1,414 ist. Die Kurve A in Fig.
5 zeigt die Form der Wurzel einer Nut, die entsprechend dieser Regel konstruiert
worden ist. Wie man sieht, erstreckt sich die Nut zunächst über 1800 des Trommelumfanges
und verläuft dann, nachdem sie den Punkt des größten Radius erreicht hat, in einer
geraden Linie 35, bis sie den Umfang der Trommel schneidet.
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Bei manchen Verwendungszwecken ist es jedoch vorteilhaft, eine Charakteristik
zu haben, die einem quadratischen Gesetz folgt. Eine solche Charakteristik wird
dadurch erhalten, daß die sich verjüngenden Umfangsnuten so geformt werden, daß
das Verhältnis des doppelten Drehwinkels der Trommel zum doppelten Radius der Nuten
1 1 ist. Die KurveB in F i g. 5 zeigt die Form der Wurzel einer Nut, die entsprechend
dieser Regel konstruiert ist. Auch sonstige Durchflußcharakteristiken, welche beliebigen
logarithmischen, hyperbolischen oder sonstigen Durchflußgleichungen folgen, können
ebenso in dem Strömungsmesser durch entsprechende Variationen des Umrisses und des
Radius der Nuten verwirklicht werden, so daß das Gerät z. B. einem Programm mit
veränderlichem Durchflußvorgang folgen kann.
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In Fig. 2 ist die Anordnung der Dichtungen 18 (Fig. 1) auf der Trommel
15 veranschaulicht, welche der Anordnung der Dichtungen 19 (F i g. 1) auf der Trommel
14 entspricht. Die Dichtung 18 hat einen quadratischen Querschnitt und besteht aus
synthetischem Gummi. Sie umfaßt die beiden Ringe 18', welche in abgesetzte Schultern
in den Enden der Trommel 14 bzw. 15 eingesetzt und miteinander durch Querleisten
18" verbunden sind, die ebenfalls einen quadratischen Querschnitt haben, aus dem
gleichen Material bestehen und in Querschlitze der Trommeloberfläche eingepaßt sind.
Eine derartige Dichtung 18 kann separat geformt werden und durch elastische Dehnung
in ihre Stellung auf den eingeschnittenen Absätzen und in die Querschlitze der Trommel
einspringen. Die äußeren Oberflächen der Ringe 18' und der Querleisten 18" sind
leicht konvex geformt, so daß sie und ihre Gegenflächen auf der Dichtung 19 zusammengedrückt
werden, wenn sie miteinander in gegenseitigem Eingriff stehen. Jede der Dichtungen
18, 19 ist so angeordnet, daß sie gegen die Seitenplatten 23, 24 und auch gegen
die gegenüberliegende Dichtung der anderen Trommel abdichtet. Dadurch wird jeglicher
Leckverlust über die Enden der Trommeln 14, 15 verhindert, und demzufolge ist es
unnötig, irgendwelche Wellendichtungen auf den Wellen 21, 22 anzubringen, wo dieselben
durch die Seitenplatten 23, 24 hindurchgehen.
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Gleichzeitig, wenn sich die Trommeln in der in F i g. 6 gezeigten
Stellung befinden, verhindert eine der Querdichtungsleisten 18", welche in Fig.
6 mit dem Bezugszeichen 18"A versehen ist, auf der Trommel 15 zusammen mit der entsprechenden
Querdichtungsleiste 19"A auf der Trommel 14 einen Leckverlust um die Außenseite
der Trommel durch Herstellung einer Dichtungsberührung zwischen den Trommeln und
der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 11.
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Der einzige noch verbleibende Leckweg, wenn der Strömungsmesser Flüssigkeit
führt, befindet sich auf der Berührungslinie der Trommeln 14, 15 zwischen den Nuten
16, 17 und den Dichtungsringen 18', 19' an den Enden der Trommeln. Wenn man dafür
sorgt, daß die Trommeln über ihren ganzen Drehungsbereich in Berührung gehalten
werden, kann ein
Leckverlust an dieser Steile auf ein zu vernachlässigendes
Maß reduziert werden.
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Um einen vollständigen Abschluß zu erhalten, werden die Trommeln
14, 15 über die Stellung, in der die Nutenendpunkte 31, 32 direkt aufeinanderstoßen,
in die in F i g. 7 dargestellte Lage gedreht, in welcher die Querdichtungsleisten
18"B und 19"B miteinander im Berihrungseinff stehen und jegliche Verbindung zwischen
dem Einlaßstutzen 12 und dem Auslaßstutzen 13 des Strömungsmessers unterbinden.
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Wenn die Temperatur des strömenden Mediums, mit welchem der Strömungsmesser
zu arbeiten hat, oberhalb derjenigen liegt, bei der Dichtungen aus synthetischem
Gummi oder aus Kunststoff verwendbar sind, kdnnen die Dichtungen aus gußeisernen
oder Kohleringen mit schwalbenschwanzförmigen Querstangen hergestellt werden, welche
mit den mit ihnen zusammenarbeitenden Flächen durch Blattfedern oder sonstige elastische
Teile in Dichtungsberührung gehalten werden.
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Bei der in F i g. 3 und 6 veranschaulichten vollen Öffnungsstellung
hat die zwischen den Trommeln 14, 15 durch die Nuten 16, 17 gebildete kreisförmige
Dtlrc§}flutung den gleichen Durchmesser wie die Bohrungen der Einlaß- und Auslaßstutzen
12, 13.
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Wenn nun die Trommeln in den Richtungen der Pfeile 35, 36 (F i g.
6) um 900 gedreht werden, wird die krdsffrmige Durchflußöffnung auf die in F i g.
4 gezeigte Gri58e verringert. Eine weitere Drehung in den gleichen Richtungen bringt
die Trommeln in die in F i g. 7 gezeigten Stellungen, in denen die Bohrung des Einlaßstutzens
12 vollständig gegen die Bohrung des Auslaßstutzens 13 abgedichtet ist.
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Wenn die Dichtungen 18, 19 separat geformt und elastisch in ihre
Stellung gebracht werden, wie dies oben beschrieben worden ist, werden die verschiedenen
Teile der Dichtungea mit den mit ihnen zusammenarbeitenden Flächen durch den Rückdruck
in enge Dichtungsberührung gebracht und wirken ähnlich wie Ringe mit Rechteckquerschnitt,
welche um so sicherer abdichten, je höher der Gegendruck ist. Wenn jedoch diese
Dichtungen in die Quersclllitze der Trommeln und auf die Absätze der Trommelenden
aufgeklebt oder aufvulkanisiert werden, hängt ihre Dichtung gegen das Gehäuse und
gegeneinander von ihrer natürlichen Elastizität ab.