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- Durehflußmengenmeßgerät Die Erfindung betrifft ein Durchflußmengenmeßgerät
mit einem mit vielen Schaufeln versehenen Laufrad, das in einem im Gehäuse eine
Schleife von im wesentlichen gleichbleibenden Krümmungsradius bildenden Flüssigkeitskanal
angeordnet ist, bei dem die Flüssigkeitszuleitung und die Flüssigkeitsableitung
auf verschiedenen Seiten der Ebene, in der sich das Laufrad dreht, am Gehäuse angeordnet
sind und der dazwischen befindliche Teil des Flüssigkeitskanals als Teil einer die
Ebene des Laufrades durchdringenden Schraubenlinie ausgebildet ist, wobei jede Schaufel
des Laufrades bei einer vollen Drehung desselben einmal den ganzen Querschnitt des
Flüssigkeitskanals in axialer Richtung überstreicht. Es ist eine rotierende Flüssigkeitspumpe
in einer solchen Ausführung bekannt; ebenso ist es bekannt, daß man Pumpen dieser
Gattung auch als Durchflußmengenmeßgeräte verwenden kann.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Mengenmeßgerät zu
schaffen, welches im Gegensatz zu der Pumpe, wenn man sie als Mengenmeßgerät verwenden
würde, wesentlich genauer arbeitet. Dabei geht die Erfindung von folgender Erkenntnis
aus: Bei der bekannten Pumpe erstreckt sich der schraubenlinienförmige Kanal über
etwa 320 Winkelgrade, wodurch bei der bekannten Pumpe ein - erhöhter Energieaufwand
verursacht wird, der sich seinerseits durch einen erhöhten Druckverlust auswirkt.
Der erhöhte Energieaufwand entsteht durch die »tote« Zone zwischen Ein- und Austrittsstelle
des Laufrades zwischen Einlaß- und Auslaßseite. Dieser Druckverlust, der sich bei
einem Zähler als Druckunterschied zwischen Eingang und Ausgang bemerkbar macht,
beeinflußt das Meßergebnis ungünstig.
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Ausgehend von dieser Erkenntnis schafft die Erfindung ein mit großer
Genauigkeit arbeitendes Mengenmeßgerät der eingangs beschriebenen Gattung, wobei
nach der Erfindung der schraubenlinienartig geformte Teil des Flüssigkeitskanals
sich über den vollen Umfang erstreckt. Die Charakteristik eines solchen Zählers
verläuft über einen weiten Bereich des gesamten Meßbereiches linear und wird bei
Änderung der Viskosität der Meßflüssigkeit nur um einen verhältnismäßig geringen
Winkel gedreht, so daß der Nullpunkt der Charakteristik praktisch derselbe bleibt.
Damit ist der Zähler nach der Erfindung geeignet, die verschiedensten Flüssigkeiten
mengenmäßig zu messen, was mit einem Mengenmeßgerät nur mit den Merkmalen der bekannten
Pumpe oder mit den in der Erdölindustrie beispielsweise gebräuchlichen Kolbenzählern
nicht ohne weiteres möglich ist. Bei dem Zähler nach der Er-
findung ist die axiale
Geschwindigkeitskomponente der durchströmenden Flüssigkeit praktisch überall gleich
groß, so daß also der Druckverlust im Zähler minimal ist.
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In den Unteransprüchen sind besonders zweckmäßige Weiterbildungen
des Erfindungsgedankens unter Schutz gestellt.
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Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel unter
Hinweis auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine teilgeschnittene
Seitenansicht des Gerätes, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 1, Fig. 4 die Verbindung zwischen
Einlaß- und Auslaßende des Flüssigkeitskanals, F i g. 5 eine vergrößerte Seitenansicht
der Läuferschaufeln, F i g. 6 einen Schnitt auf der Linie VI-VI in F i g. 5 und
F i g 7 einen vergrößerten Teilschnitt durch den Außenumfang des Läufers.
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Ein spiralförmiger und mit konstantem Radius ausgebildeter Flüssigkeitskanal
10 ist zwischen zwei im wesentlichen kreisförmigen Gehäuseteilen 12 und 14, die
untereinander übereinstimmen können, gebildet. Die Gehäuseteile 12 und 14 umschließen
den spiralförmigen Kanal 10, der sich über nahezu 3600 erstreckt. Der spiralförmige
Teil 10 des Kanals kann am senkrechten Durchmesser des kreisförmigen Gehäuses bei
18 (Fig. 1) beginnen und nach einer Krümmung um 3600 enden, wie bei 20 in F i g.
4 angegeben
ist. Der Kanal ist innerhalb seines schraubenförmigen
Verlaufes und in den unmittelbar hieran angrenzenden Teilen im Querschnitt vorzugsweise
quadratisch ausgebildet, während der Teil des Kanals, der die Flüssigkeitszuleitung
22 und die Flüssigkeitsableitung 24 bildet, im Querschnitt kreisförmig sein kann.
Der-Querschnitt des Flüssigkeitskanals kann gleich sein dem vom kreisförmigen Querschnitt
der Einlaßleitung umschriebenen Quadrat, so daß die Strömungsgeschwindigkeit im
Gerät etwas erhöht ist.
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Die gesamte Flüssigkeitsleitung kann im Querschnitt quadratisch sein,
es ist jedoch herkömmlich, im Querschnitt runde Leitungen zu verwenden. Aus diesem
Grunde sind bei 26 Übergänge vom runden zum quadratischen Querschnitt im Bereich
des Einlasses und Auslasses vorgesehen. Der Übergang soll allmählich erfolgen, damit
hier möglichst wenig Turbulenz in der Flüssigkeit entsteht. Am Einlaß und am Auslaß
können Flansche 28 od. dgl. zum Anschluß an die Rohrleitung vorgesehen sein. Die
Einlaß- und Auslaßleitungen verlaufen vorzugsweise parallel zueinander und tangential
zum schraubenförmigen Teil 10 des Strömungsweges.
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Die Gehäuseteile 12 und 14 können jeweils einen festen, mit ihnen
einstückig ausgebildeten Mittelteil 30 und 32 aufweisen, die ein Gehäuse für !das
Laufrad 34 bilden. Das Laufrad ist koaxial zur Achse des schraubenförmigen Gehäuses
gelagert und läuft daher in einer zu dieser Achse im wesentlichen senkrechten Ebene
um. Das Laufrad 34 hat eine vorzugsweise massive mittlere Nabe 36 und an seinem
Umfang eine Anzahl von mit gleichen Abständen angeordneten Schaufeln 38. Auf den
beiden Seiten des Nabenteils 36 können Verstärkungsplatten 37 befestigt werden.
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Die Schaufeln 38 sind vorzugsweise eben, können aber auch leicht
gekrümmt sein. Die Schaufeln sollen so angeordnet sein, daß ihne Oberflächen etwa
senkrecht zur Fließrichtung der Flüssigkeit durch den Kanal stehen, Wie F i g. 6
zeigt, bilden die Schaufeln 38 mit der Strömungsrichtung der Flüssigkeit einen Winkel
von etwas mehr als 900. Auf diese Weise kann die Flüssigkeit mit sehr geringem Widerstand
zwischen den Schaufeln durchtreten. Hierzu reicht ein um 6 bis 12° größer als 900
messender Winkel aus.
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Es ist jedoch auch möglich, die Schaufeln senkrecht in die Flüssigkeitsrichtung
zu stellen.
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Eine geeignete Nut 40 (s. Fig.7) kann an der Innenseite der Gehäuseteile
U und 14, beispielsweise an ihrer Stoßstelle vorgesehen sein. Die außenliegende
Kante des Läufers greift mit am Läufer befestigtei Verstärkungsringen 39 mit möglichst
geringem Spiel in die Nut 40 ein. Die Ringe dienen dazu, Schwingungen und Ausrichtungsfehler
des Läufers zu verhindem Die Schaufeln laufen in einer Ebene im Gehäuse um und bewegen
sich hierbei relativ zum Gehäuse von der Einlaß- zur Auslaßseite. Das Laufrad tritt
in den Strömungskanal in der Nähe des Einlasses 22 etwa dort ein, wo die schraubenförmige
Bahn für die Flüssigkeit beginnt. Die Schaufeln 38 stehen daher zunächst sehr dicht
an der einen Seite des Flüssigkeitskanals. Mit fortschreitender Drehbewegung bewegen
sich die Schaufeln quer durch den Kanal hindurch, bis sie, wie F i g. 3 zeigt, an
der Auslaßseite 24 in der Nähe der gegenüberliegenden Kanalwand stehen.
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Die Schaufeln sind wesentlich schmaler, als der Flüssigkeitskanal
breit ist, entsprechen in ihrer Länge jedoch im wesentlichen der Höhe des Kanals.
Hier-
durch wird der Durchtritt der Flüssigkeit nicht fühlbar beeinträchtigt. Die
Flüssigkeit kann sich daher durch das Gehäuse bewegen, ohne daß sie in ihren Strömungseigensch
äften verändert wird. Dennoch muß alle Flüssigkeit durch die Schaufeln hindurchtreten.
Bei einem Meßgerät der vorliegenden Art ist es nicht nötig, daß die Schaufeln den
Querschnitt der Flüssigkeitsleitung ausfüllen.
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Am Beginn des schraubenförmigen Flüssigkeitskanals und an seinem
Ende können -die Innenwände des Kanals auf geeignete Weise miteinander verbunden
sein, beispielsweise durch Schweißung, wobei in den Wänden sich deckende Öffnungen
vorgesehen sind, durch die die Laufradschaufeln hindurchgehen.
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Diese sich deckenden Öffnungen sind in Fig. 4 mit 42 bezeichnet. Die
Wände des Kanals überlappen sich mit den Teilen 43 und bilden auf diese Weise einen
Durchgang. Der Durchgang soll im wesentlichen dem Querschnitt der Schaufeln entsprechen,
damit kein Rückfluß von Flüssigkeit, abgesehen von der zwischen den Schaufeln befindlichen,
von der Ausgangs- zur Eingangsseite des Geräts stattfinden kann. Die zwischein den
Schaufeln mit zurückgenommene Flüssigkeit ist jedoch im Vergleich zum gesamten Durchflußvolumen
vernachlässigbar.
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Das Laufrad oder Schaufelrad 37 kann auf geeignete Weise fest auf
einer Welle 44 mit Hilfe eines Keils 45 od. dgl. befestigt sein. Die Welle ist in
Lagern 46 leichtgängig drehbar. An jedem Mittelteil 30 bzw. 32 der Gehäuseteile
12 bzw. 14 sind vorstehende Ringflansche 48 bzw. 50 vorgesehen, in denen die Lager
46 und die Welle 44 liegen. Eine Stellschraube 51 kann auf dem Flansch 50 zur genauen
Ausrichtung des Läufers im Gehäuse vorgesehen sein.
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Auf der Welle 44 sitzt an einem Ende ein Zahnrad 52, das an einem
magnetischen Zähler 54 in einem Gehäuse 56 vorbeigeht. Ein ähnliches Gehäuse 58
kann auf der gegenüberliegenden Seite des Geräts angeordnet sein. Der magnetische
Zähler 54 gibt jedesmal, wenn ein Zahn des -Rades 52 an ihm vorbeigeht, einen Impuls
ab. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit der Flüssigkeit gemessen werden.
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Ein Zählwerk 60 kann zur optischen Ablesung der Anzahl der Umdrehungen
des Läufers oder zur. Ablesung der Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen sein.
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Im Betrieb ist die Fliissigkeit innerhalb der gesamten schraubenförmigen
Bewegungsbahn mit den Schaufeln in Berührung. Auf diese Weise geht sie vollständig
durch -das Laufrad hindurch, und das Meßgerät liefert außerordentlich genaue Meßergebnisse.
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Die einzige Stelle, an der das Laufrad nicht mit der zu messenden
Flüssigkeit in Berührung steht, liegt dort, wo die Schaufeln von Ider Auslaßseite
zur Einlaßseite zurückgehen. Hierbei handelt es sich aber nur- um einen sehr kurzen
Weg, den das Laufrad hierbei zurücklegt, so daß ohne weiteres davon gesprochen werden
kann, daß das Laufrad innerhalb seiner gesamten Umdrehung mit der Flüssigkeit Berührung
hat.
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Die beiden Gehäusehälften, die die Vorrichtung kapseln, bilden einen
mittleren Hohlraum, in welchem der Mittelteil des Laufrades angeordnet ist. Dieses
füllt den mittleren Hohlraum im wesentlichen aus. wobei die Abmessungen und das
Spiel zwischen dem r.,.äufermittelteil und dem Hohlraum durch die Visusität der
Flüssigkeit bestimmt sind. Der Bereich
laminarer Strömung oder die
Dicke der laminaren Schicht von Flüssigkeiten bis zu einer kinematischen Viskosität
von etwa 5 Centistokes liegt in der Größenordnung von etwa 0,075 mm. Das Laufrad
kann daher mit einer Toleranz von annähernd 0,025 mm auf beiden Seiten eingepaßt
sein, ohne den durch die Viskosität bedingten Widerstand herabzusetzen, wobei Flüssigkeit
von vernachlässigbar kleiner Menge übertritt. Auf diese Weise wird die Reibung am
Laufrad auf einen minimalen Wert verringert, wobei aber zwischen dem Laufrad und
dem umgebenden Hohlraum eine ausreichende Abdich -tung besteht, welche einen Rückfluß
von Flüssigkeit zur Einlaßseite verhindert.
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Das Gerät nach der Erfindung kann auch zur Umwandlung von Strömungsenergie
im Drehmoment verwendet werden. Wegen seiner symmetrischen Ausbildung kann es in
beiden Strömungsrichtungen eingesetzt werden.
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Wenn man das Gerät aus nichtrostendem Stahl herstellt, kann es zur
Messung von Getränken und flüssigen Heilmitteln verwendet werden.