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Fl#gelrad-Durchflussmesser Di Erfindung betrifft einen Fl#gelrad-Durchflussmesser
und @nsbesondere eine Verbesserung an einem solchen, dank welcher das Messinstrument
in wesentlichen frei von ungenauigkeite ist, die von den Wirkungen der Z#higkeit
bei Medien von hoher viskosit#t herr#hren. ffi Anneldung ist eine "continuation-in-part"
der @@@rikenischen Anneldungen Serial No. 634 662 von 17.1.1957, 717 863 von 27.2.1958
und 717 922 von 28.2.1958.
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Ila n Beispiel einer bevorsugton Form eines Fl#gelrad-Durchflussmessers
mit hoher Messgenanigkeit f#r Medien von niedriger Viskosit#t ohre Viskosit#tskomponation
lot in der amerikanischen Anneldung Serial No. 717 863 von 27.2.1958 beschrieben.
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Ba lot theoretisch und experimentell ermittelt worden, dame das Messinstrument
nach dieser Anmeldung f#r die n £~r Vt o lofts Wrt Tritioften u. mlt hoh*r Genauigkeit
befriedigend arbeitet, dass as jedoch nichet ohno geeignete Ab#nderung f#hig ist,
die Anfordormon Musserst hoher Genauigkeit von etwa +- 0,1 % zul#ssiger Abweichung
#ber einen Bereich von Durchflussmengen von Qmax/Qmin= 5 f#r Medien von hoher Viskosit#t
wie Roh#le in einem hohen Viskosit#tsbereich von einem Minimum von 35 BUS bis nu
einem Maimm von 5000 SUB su erf#llen, wie dies vom kommersiellen Standpunkt gefordert
wird, insbesondere wenn Medien von unterschiedlicher Viskosit#t mit dem gleichen
Messger#t genessen werden m#ssen. Die Hauptschwierigkeit ist in der Tatsache begr#ndet,
dass bei Fl#gelrad-Durchflussmessern o Artdia Antriebskraft proportional ist den
Quadrat der Durchflussmenge in der Zeiteinheit (Q2) w#hrend die w rr) proportion
let ein Potena der Durchflussmenge (Q), die bei Medien von honer Viskosit#t geringer
ist als das Quadrat und deren genaue Gr#sse von der Reynoldsschen Zahl der herrschenden
Str#mungebodingungen abh#ngt.
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Wie bekannt, ist die Reynoldssche Zahl ein dimensionsloser Au@druck,
der die Eigent#mlichkeiten der Str#mung einee Mediums unter Zugrundelegung der Gesshwindigkeit
des Mediums, der Abmessungen des Bauteilen, durch den es str#mt, der Dichte des
Mediums und der Vikosit#t desselben ausdr#ckt. die Roynoldssche Zahl ist sur Geschwindigkeit
und Dichte direkt und zur Viskosit#t des H « p In der #blichen Praxis werden f#r
die Messger#te Genauigkeitskurven geseichnet, inden das Verh#ltnis der Turbinengeschwindigkeit
zur Durchflussmenge in der Zeiteinheit durch das Messger#t @Q, in Abh#ngigkeit von
der Durchflussmenge in der Zeiteinheit Q graphisch dargestellt wird.
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Eine derartige Kurve gibt Auskunft #ber die Genauigkeit des Messger#tes
bei der Messung von Medien f#r jeweils nur einen Viskomit#tswert. Wenn en Medium
mit abweichender Viskosit#t genessen werden soll, ist eine andere Genaigkeitskurve
erforderlich, die das Verhalten des Messgeriltes gegenüber dem Medium der abweichandan
Viskosit#t veranschaulicht.
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Wech gr#ndlichen Untersushungen wurde festgestellt, dass eine weit
n#tzlichere Genauiggkeitskurve f#r ein Messger#t ersislbar ist, inden @an das Vexh#ltnis
der Drehgeschwindigk"
keit des Fl#gelrades zum Durchfluss, @Q, in
Abh#ngigkeit von der Reynoldsschen Zahl der Str#mung durch das @essger#t an einem
charakteristischen Punkt innerhalb b des Messger#tes aufneichnet. Es hat sich ferner
gezeigt, dass die Reynoldssche Zahl der str#mung durch die Fl#gel des Fl#gelrad-Messger#tes
die Eigen#mlichkeiten des Stromes durch das messger#t am besten kennzeichnet. Es
wird also die "Reynoldssche Zahl f#r den Fl#gel" als Bezugsgr#sse verwendet, in
Abh#ngigkeit von Welcher das Verh#ltnis der Drehgeschwindigkeit des Fl#gelrades
zum Durchfluss, @Q, gezeichnet wird, um eine #useeret nützliche Genauigkeitskurve
f#r das Messger#t zu erhalten.
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Ein besonderer Vorteil einer solchen Genauigkeitskurve liegt darin,
dass alle Medien von unterschiedlicher Viskosit#t beim Durchfluss durch das Messger#t
mit ver#nderlicher Str#mungsgeschwindigkeit Punkte liefern, die in die Kurve eingezeichnet
werden k#nnen. Dies bedeutet, dass f#r das Messger#t, zum Unterschied von dem System,
bei dem die Durchfluesgeschwindigkeit als Bazugsgr#sse f#r die Genauigkeitskurvon
verwondet wird und bei dem je eine eigene basondare Genauigkeitskurve flir lod*
Viskomit#t des durch das Messger#t str#munden *ion* erforderlich ist, nur eine einzige
Genauigkeits-Um
Um diese Vorstellung einer Genauigkeitskurve in
As h#ngigkeit von der Reynoldsschen Zahl zu veranschaulichen, kann daraut hingewiesen
warden, dass es durchaus m#glich ist, dass ein Medium von verh#ltnism#ssig niadrißar
Viakoaität, das mit einer verh#ltnism#ssig niadrigan Geschwindigkeit str#mt, die
gleiche Str#mungscharakteristik - und die gleiche Reynoldssche Zahl -aufweist, wic
yin mit hohcr Geschwindigkeit str#mendes, verhutniongasig viskoses Medium. Jede
dieser Str#mungen von Modien fUhrt terner zum gleichen Verh#ltnis der Drehgeschwindigkeit
des Fl#gelrades zum Durchfluss, @Q sodas aia beide in der auf die Reynoldssche Zahl
aufßabautan GenautgkolteXusse als ein und derselbe Punkt eingezeichnet werden k#nnen.
Wenn jedoch die beiden Mediumstr#me als Punkte von Genauigkeitskurven unter Zugrundelegung
der Durchflussgeschwindigkeit als BezugscrOaaa gezeichnet w#rden, w#rden si@ als
Punkte auf zwei getrennten Kurven erscheinen, deren jede nur solchen Medien entspr#che,
die die gleiche Viskosit#t haben wie dan bai der Pr#fung verwendete Medium.
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/ In einem #blichen System der Aufzeichnung des Verh#ltnisses @Q
in Abh#ngigkeit von Durchfluss Q muss das Diagramm eine gerade horizontale Linie
sein, damit das Messger#t ein Medium von gegebener Viskosit#t bei allen Str#mungs-
Str#mungsgeschwindigkeiten
genau misst. Wenn ein Medium von abweichendor Viskosit#t gemessen werden soll, muss
eine andere Genauigkeitekurve gezeichnet werden und auch diese Kurve muss, wenn
das Messger#t Medium von di*er Viakoaität t senau meason atoll, eine horizontale
Gerade sein. Wenn eine Genauigkeitskurve eines Messger#tes verwendet wird, die das
Verh#ltnis zwischen der Drehgeschwindiglkeit des Fl#gelrades und dem Durchfluss,
@Q,in Abh#ngigkeit von der Reynoldaechen Zahl des Fl#gels angibt, ist f#r Medien
aller Viskosit#ten nur eine einzige Genauigkeitskurve f#r das Messger#t in Betracht
zu ziehen. Wenn dieao Genauigkeitskurve eine horizontale, gerade Linie ist, misst
das Messger#t Medien von belieoi .er Viskosit#t bei beliebiger Str#mungsgeschwindigkeit
genau.
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Praktisch ist bisher kein Messger#t bekannt, das #ber den vollen Bereleh
der Reynoldsschen Zahlen den Durchflues von Medien genau misst. F#r alle praktischen
Zwooke jedoch kanri ein Bereich von Reynoldsschen fahlen fUr einen besonderen gegebenen
Messzweck ausgew#hlt werden. Worden alao die maximale und die minimale Stras mungageschwindigkeit
und die maximale und die minimale Viskosit#t von Medien, die f#r einen bentimmten
Anwendungafall gew#nsoht werden, in Betracht gezogen, so kann ein Bereich von Reynoldsschen
Zahlen ausgew#hlt werden, der
der samtliche möglichen Kombinationen
von Viakoaitaten und Str#mungsgeschwindigkeiten innerhalb der gew#nschten Grenzen
enthalt. Ein Messger#t, dessen Genauigkeitskurve in Abh#ngigkeit von der Reynoldsschen
Zahl des Fl#gels #ber einen gewahlten Bereich von Reynoldsschen Zahlon eine horisontale
Gerade let, erf#llt deaentapraohand die angegebenen Erfordernisse f#r die Messung.
i son Verauohen hsbcn gelehrt, daea der Flügelrad-Durohflussmeeaer nach der genannten
amerikanischen anmoldung Serial No* 717 863 #ber sinon hohen Bereich von Reynoldsschen
Zahlen eine Genauigkeitskurve auf Grund der eynoldaechen Zahl des Flügela in Form
einer geraden Liniehat.BeidenniedrigenReynoldaaohenZahlenjedocte-dite eine Folge
von hohen Viskosit#ten sind -h#rt die Cenauigkeitskurve des Messger#tes auf, eine
horizontale gerade Linie zu sein. Anstatt dessen hat dia auf die Roynoldoache Zahl
besogne Genauigkeitskurve einee Fl#gelrad-Durchflussmessers dieser Art la Bereich
der Medien von hoher Viskosit#t bei Durchflussmengen innerhalb don Betriebsbereiches
anatalle eines flachen Kurvenverlaufea, wie bei Medien von niedriger Viskosit#t,
einen"Buckel". Le muse daher bei einwn Fl#gelrad-Durchflussmesser dleaor Art eine
besondere Einrichtung vorgeeehen werden um die Wirkung der Viskosit#t von Medien
von hoher Viskosit#t auf die Genauigkeit der Messung auszuschalten.
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Nach
Nach der Erfindung ist also sin besonderer Fl#gelrad-Durchflussmesser
zum genauen Messen und Anseigen bzw.
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Aufzeichnen des Durchflusses von viskoson und #usserst viskoson Medien
Vorgeschen, der ausgestattet ist mit sinon in einer Laitung in der Bahn des durch
diese wtrCmwndwn Modiuse Ne t nU Einrichtung, die die Wirkung der viskosit#t des
Mediums bel asinon Hindurchstr#men durch das Messfl#gelrad im wwwwntliohea ausschaltet.
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Unter Ber#cksichtigung des Gesagten schafft die Erfindung in erster
Linie eine Einrichtung zum Ver#ndern der nat#rlichen, auf der Reynoldsschen Zahl
aufgebeuten Genauigkeitekurve des Messger#tes nach der amerikanischen Anneldung
717 863 in solcher Weise, dass die Genauigkeitskurve im Bereich der niedrigeren
Reynoldsschen t als Folge dieser #nderungen einen flacheron Verlauf erh#lt, wodurch
eine geneue Messung much bei Medien vea @ h#herer Viskosit#t erm#glicht wird.
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Durch des verbesserte Axialstrom-Fl#gelrad nach der Erfiadaaw$vowv&teaiM'etaaddwewaw<MB
den Mediums hervergerufese Unterschiede zwischen der absoluten A@@str#ngeschwindigkeit
des Mediums in das Messger#t und der absoluten A@@str#ngeschwindigkeit "a
des
Mediums aus diesem in wesentlichen ausgeschaltet.
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Die Erfindung schafft ferner sin Axialstromfl#gelred in Form eines
drehbaren Messfl#gelrades und eine Einrichtung zum Kompensieren des Fl#gelradschlupfes
infolge des viskosen Widerstandes des Mediums, durch die eine lineare Desichung
zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Fl#gelrades und dem in der Zeiteinheit durch
das Fl#gelrad hindurchstr#menden Volumen des Mediums aufrechterhalten wird.
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Ferner schafft dies Erfindung einen verbesserten Axialstromfl#gelrad-Durchflussmesser,
der zum Einbau einer Drosseleinrichtung zum Erzeugen einer Verwirbelung des zu messenden
Mediums in einen vorherbestimmten Abstand in der Str#mungsrichtung vor dem den Z#hler
antreibenden Messfl#gelrad und zum Vermindern der kritischen Reynoldsschen Zahl
des Mediums geeignet ist, und die eine Erweiterung des Bereiches der linearen Str#mungsmessungen
in besug auf die Reynoldssuche Zahl des Mediums bewirkt.
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Nach der Erfindung ist eine Einrichtung zum Erzeugen einen geregelten
viskosen Widerstanedes an dem Messfl#gelrad vergeschen, das innerhalb des gesamten
Betriebsbereiches des Messger#ts jederseit einen zus#tzliches entgegenwirkendes
Moment von der Art eines viskosen Widerstands zizi
schafft, sodass
der Buckel der Genauigkeitskurve in aaaug auf die Reynoldssche Zahl (Fig. 6) beseitigt
wird. Diese Einrichtung liefert bis hinunter zur kritischen Reynoldsschen Zahl eine
im wesentlichen ebene Go Dl* Erfindung schafft ferner einen verbesserten Fl#gelrads#hler
f#r axialen Durchfluss, der ein frei gegenlUti8 drehbares Fl#gelrad mit einer Einrichtung
zum Erzeugen eines geregelten viskosen Widerstandes aufweist, das zu dem das Z#hlwerk
treibenden Messfl#gelrad koaxial und in der Str#mungerichtung in einem geeigneten
Abstand vor diesem angeordnet ist und das eine zus#tzliche Antriabakraft fUr das
Messfl#gelrad erzeugt, durch die die Mess- und Anzeigeungenauigkeiten, die auf die
Viskosit#t des zu messenden Mediums zur#ckzuf#hren sind, In wesentlichen ausschaltet.
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Be haadalt aiche genauer gesprochen, um einen Fl#gelradz#hler f#r
axialen Durchfluse mit einem frei gegenl#ufig drehbaren Fl#gelrad mit einer zus#tzlichen,
einen viskaaan Widerstand erzeugenden Fl#che, wobei die Gr#sse dieser Fl#che einstellbar
ist und das Fl#gelrad koaxial zum Messfl#gelrad und in der Str#mungsrichtung in
einem S Abstand vor diesem angeordnet ist und wobei te
der Anetellwinkel
der Fl#gel des freien Fl#gelrades zum Anstellwinkel der Fl#gel des Messfl#gelrades
in eine solche Beziehung gesetzt ist, dass die absolute Austrittsgeschwindigkeit
des Mediums aus dem Messfl#gelrad im wesentlichen ohne R#cksicht auf die Unterschiede
der Viskosit#t bei verschiedenen Medien frei von jgliohwr Tangentialkomponente ist.
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Di Erfindung schafft ferner einen Fl#gelrad-Durchflussmesser f#r
axialen Durchfluss mit einen frei gegenl#ufig drehbaren Fl#gelrad, das mit den Messfl#gelrad
coaxial aad vor diesel einem geeigneten Abstand angeordnat lot und an dem ein Becherglied
zum Erzeugen eines viskosen tat ua t s Fl#gelrad mitdrehbar montiert ist, zum Einf#hren
einer viekeeen Widerstandskraft, deren Gr#sse einstellbar ist und eine Funktion
der Viskosit#t des gemessenen Mediums ist, sodass das frei drehbare Fl#gelrad der
absoluten Austrittageschwindigkeit des hindurchtretenden Mediums eine Tangentialkomponente
hinsuf#gt, die in wesentder gleieh ist der #nderung der Tangentialkomponente der
Geschwindigkeit bein Durchtritt des Mediums durch das Messfl#gelrad, dieser aber
entgegengesetzt ist. ion=
Ferner schafft die Erfindung einen Fl#gelrad-Durchflussmesser
f#r axialen Durchfluss mit einem Messfl#gelrad mit dem Anstellwinkel Null, bei dem
der Profilwiderstand auf die Fl#gel des L#ufers nur in der Axialrichtung de FlUgelradee
wirkeaa let, was sur Felge hat dass der Einfluss der Viskosit@t des zu messenden
Mediums ausgeschaltet wird.
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Auf den Zeichaungen sind mehrere Ausf#hrungsformen der Erfindung beispielsweise
dargestellt. Darin sind: Fig. 1 ein L#ngsschnitt eines Fl#gelrad-Durchflussmessers
als erstes Ausf#hrungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 ein L#ngsschnitt eines Fl#gelrad-Durchflussmessers
ale weiteres Ausf#hrungsbeispiel der Erfindung, Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung
der Beziehung ewieehen dem gesamten Fl#gelradschlupf (Sf) infolie der Reibung des
Mediums und derReynoldsschen Zahl des Mediumsstromen f#r den Fl#gel, Fig. 4 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Gensuigkeitskurve in Abh#ngigkeit von der Reynoldsschen
SoU tUr don Fl#gel oder der Beniehung zwizchen An
der Winkelgeschwindigkeit
des Messfl#gelrades Je Volumeinheit des durchstr#menden Mediums und der Reynoldsschen
Zahl der Mediumstr#mung f#r den Fl#gel, Fig. 5 ein L#ngeschnitt durch einen Fl#gelrad-Durchflussmesser
zur Veranschaulichung eines weiteren Ausf#hrungsbeispiels der Erfindung, bei dem
das MessflQlMd mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines geregelten viskosen Widerstandes
in der Form einer dafur vorgeschenen Trommel zuagestattet ist, Fig. 6 ein Diagramm
zur Veranschaulichung der Verbesse-@ung der in Abh#ngigkeit von der Reynoldsschen
Zahl des Fl#gels gezeichneten Genauigkeitskurve ein Fl#gelrad-Durchflussmessers
infolge der Einrichtung zum Erzeugen des geregelten viskosen Widerstandes, die an
dem Messfl#gelrad vorgeschen lot$ Fi 7 zain L#ngeschnitt durch winwn Fl#gelrad-Durchnu
zur Veranschaulichung einer weiterem Ausf#hrungafrom der Erfindung, die mit einem
frei ruz g drehbaren Fl#gelrad mit einer Einrichtung m
sm Bawn
dem geregelten viskosen Widerstandes in der Form eines daf#r vorgesehenen Bechers
ausgestattet ist, Plgo B ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zustandes der synchronen
Drehgeschwindigkeit des Messger#tes manch Fig. 7, Wlg 9 ein L#ngsschnitt durch einen
Fl#gelrad-Durchflussmesser als weiteres Ausf#hrungsbeispiel der Nua Fig. 10 eine
detail#erte, in der L#ngsrichtung auseinandergezogene Darstellung der Ausf#hrungsform
nach Fig. 9, bei der das Geh#use des Messger#tes weggebrochen und aus Gr#nden der
#bersichtlichkwit de Teile in der Achsrichtung auseinander-S*Sogen *in Fig. 11 eine
schematische Mantelabwicklung des Messfl#gelrades und der Leitfl#gel der Ausf#hrungsform
nach rig 9 und Fig. 12 ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung der Geschwindigkeiten
bei synchroner Drehgeschwindigkeit fUr ein Messger#t, des beinen Ausgleich f#r die
Fiskesit#t des Mediums aufwist.
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In
Im folgenden wird zun#chst eine Analyse des Betriebes
von Fl#gelrad-Durchflussmessern und der Bezichung derselben zu den Ausf#hrungsformen
nach der Erfindung durchgef#hrt, und dieser folgt eine eingehende Beschreibung von
Konstruktionen, die die Grunds#tze der Erfindung verk#rpern, einschliesslich einer
eingehenden Erl#uterung der Bedeutung der einzelnen Gesichtspunkte der Erfindung.
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Fig. 1, 2, 5, 7 und 9 bis 11 veranschaulichen Fl#gelrad-Durchflussmesser
als praktische Ausf#hrungsform der Grunds#tze der Erfindung fUr den Gebrauch beim
Messen von Medien von unterschiedlicher Viskosit#t. In Fig. 12 sind Vektordiagramme
der Geschwindigkeit f#r den Zustand der eynwhronen Drchgeschwindigkeit eines Fl#gelrad-Durchflussmessers
ohne Viskosit#tzausgleich darstellt, do @ er in Fig. 19 der genannten US-Anmeldung
Serial No. 717 863 dargestellt ist. Dieser Durchflussmesser wird in folgenden als
Durchflussmesser der Type I beseichnet.
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Wie aus Fig. 12 ersichtlich, ist die absolute Geschwindigkeit des
Mediums am Eintritt in das Messelement oder Messfl#gelrad mit v1 und die absolute
Austrittsgeschwindigkeit das Mediums aus der Messglied mit v2 bazeichnet und djo
Geschwindigkeit r@ ist die lineare Geschwindigkeit bei .
bei sinem
Radius r des mit einer Winkelgeschwindigkeit oe umlaufenden Messelements. Die Geschwindigkeit
vR2 ist die Austrittsgeschwindigkeit des Mediums, bezogen auf das rotierende Fl#gelrad.
F#r ein Mediumteilchen, das sich mit t einer Geschwindigkeit vR in bezug auf den
Fl#gel entlang deanolbon bewegt, gilt, dass das Teilchen den Plügel bei A mit einer
Geschwindigkeit von vR2 verl##t, wenn eich der Fl#gel in Ruhe befindet. Wenn sich
der Fl#gel in der bezeichneten Richtung mit einer Geschwindißkeit rf bewegt und
die Geschwindigkeit des Teilohene immer noch einen Wert vR in bezug auf den Fl#gel
hat und mit dem Fl#gel bis zum Ende A in Ber#hrung bleibt, ist die absolute Geschwindigkeit
des Teilchens beim Verlassen des Fl#gels bei A gleich der Vektorr der Geschwindi@
ton ten vR12 und r@ . Die Vektorcunme der Geschwindigkeit des Fl#gelrades und der
Relativgeschwindigkeit ergibt also die absolute Austrittsgeschwindigkeit v2. Bei
einem theoretisch vollkommenen System, bei dem beim Durchtritt des Mediums durch
das Messglied keine entgegenwirkenden Drchmomente auftreten, wurde die absolute
Austrittsgeschwindigkeit gleich sein dea Vektor der absoluten Eintrittsgeschwindigkeit
des eu aeeeenden ledit da kein Fl#gelradschlupf eintreten w#rde. Infolgedessen w#rde
das zwischen den Fl#geln des
do* Fl#gelrades hindurchtretende Medium
zur G#nze geme3** und d registriert werden, und der Wert des Verh#ltnisses würde
dem durch die horiaontale gerade Linie in Fig. 4 ausgedr#ckton idealen Wert entsprechen.
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Unter den tats#chlich herrschenden Bedingungen jedoch Bind, wie im
folgenden beschrieben, entgegenwirkende.
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Kr#fte vorhanden@ deren Beschaffenheit und Oroeee einen merklichen
Fl#gelradschlupf verursachen und dabei die Genauigkeit des Messger#ts beeintr#chtigen,
wenn sie nicht ausgegliohen werden. Der hier verwendete Auedruok "Schlupf" soll
im weitesten Sinne jene Auswirkungen bezeichnen, die beetrebt aind, einen tataäohliohen
Wort des Verh#ltnisses zwischen Umfangsgeschwindigkeit des Flügelradea und dom tisse
der Str#mung @Q herbeizuf#hren, der niedriger liegt ala der Idealwert, der aioh
ergeben w#rde, wenn das durch das Fl#gelrad hindurchstr#mende Medium zur G#nze gemessen
und registriert w#rde. Dieser PlUgelradeohlupt, der auf das Vorhandensein von Kr#ften
zur#ckzuf#hren ist, die der Drehung des Fl#gelrades entgegenwirken, wird duruh die
Tangentialkomponente sF2 doo durch dau Fl#gelrad hindurchstr#menden Mediums veranaohaMlioht,
der er direkt proportional ist. Eine solche tangentiale Geschwindigkeitskomponente
ergibt im Verein mit der absoluten Eintrittsgeschwindigkeit vl als Vektorsumme die
resultierends absolute Austrittsgeschindigkeit v2 in
In dem Mass,
in dem die Viskosit#t des Mediums sich ändert, #ndert sich auch f#r sine gegebene
Durchflussmenge je Zeiteinheit die entgegenwirkende Kraft, und dies hat eine entsprechende
#nderung der Tangentialgeschwindigkeit vt2' insbesondere im Bereich der niedrigeren
Reynoldsschen Zahlen, zur Folge. Diese #nderung der tangentialen Geschwindigkeit
vt2 hat ihrerseits einen ver#nderlichen Fl#gelradschlupf zur Folge, und dieser beeintr#chtigt
die Genauigkeit der Messung und Anzeige.
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Die folgende Untersuchung dient dazu, beispielsweise die Boeintr#chtigung
zu veranschaulichen, die die Messgenauigkeit eines Flügelrad-Durchflusamesoers von
den son der Reibung des Mediums und der mochanischen Reibung des médiums und der
aeohanischen Reibung herrührenden Gegenkr#ften erf#hrt.
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Untersuchung des Fl#gelrad-Durchflussmessers bez#glich des Verhaltens
gegen#ber Medien von hoher Viskosit#t Mittels Einrichtungen zum Geraderichten der
Str#mung und durch geeignete Ausbildung des Fl#gelradgeh#uses und der der ankommenden
Str#mung zugewendeten Nabe kann erreicht werden, dass die Eintrittsgeschwindigkeit
vl zu den Fl#geln des Fl#gelrades roin axial und der Medium-MES
strom
gleichm#ssig #ber den vollen kreisringf#rmigen Kanal zum Messfl#gelrad verteilt,
ist. eS at a n#chst angenommen, dass der Fl#gelrad-Durchflussmesser nach Fig. 1
von einem Medium von hoher Viskosit#t entsprechend dem Geschwindigkeitsschaubild
nach Fig. 12 unter Synchronbedingungen stetig in Drehung versetzt wird. Da die von
dem Medium auf das Fl#gelrad a Antriebskraft Fd nicht gr#sser sein kann als die
entgegenwirkende Kraft Fr des Fl#gelrades, ist es von tuent die Widerstandskr#fte
am Fl#gelrad zu untersuchen und ihre gigenheiten zu betrachten.
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#nter Zugrundelegung der fundamentalen Gesetze der Str#mungsdynamik
kann leicht nachegewiesen werden, dass die auf das Flügelrad riebskra ist dem Produkt
der in der Zeiteinheit durch das Messger#t hindurchstr#menden Masse m und der #nderung
der absoluten Tangentialgeschwindigkeit vt2 des durch das atnol strdmenden Mediuma
oder Fd = #vt2 .
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Die in der Zeiteinheit hindurchstr#mende Masse # ist gleich der Dichte
des Mediums @ mal dem in der Zeiteinheil hindurchstr#menden Volumen Q oder # = @
Q.
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@@nn 'IF
Wenn au dam Fl#gelrad, dem idealen Zustand
entsprechend, keineWiderstandskräfteirgendwelcherArthättsürd$ das Fl#gelrad sich
in genauer zeitlicher Boziehung zum Strom des Mediums bewagen, und es w#rds keine
Kraft zum Antreiben des Fl#gelrades erforderlich sein, d.h. Fd w#re gleich Null.
Dies geht ohne weiteres daraus hervor, dass das Medium nicht in eine tangentiale
Richtung abgedaaeVgund(ig*2)gleich&rea.undggleiah dass v2 und v1 (Fig. 12) gleich
w#ren und vt2 gleich I Es WirklichkeitRiehtbeaehRkan&unddssedssFiaglin Wirklichkeit
nicht bestehen kann und dass das Fl#gelrad Wid@rstandskr#fte aufweist, die von der
Kraft des durch das Messger#t str#menden Mediums #berwunden werden m#ssen. Bei einem
Messfl#gelrad sind, zum Unterschied die einem Fl#gelrad oder einer Turbine als Kraftmaschine,
die Kr#fte Fr, die von der Antriebskraft Fd #bsrwunden werden iß zweiSl&aasa.darstelltedaS&$
teilhafterweise in zwei Klassen eingeteilt werden. Die Widerstandskraft der ersten
Klases ist eine Kraft Fm infolge des mechanischen Widerstandes der von den Lagerbelastungen
und der Z@#hlwerkebelastung herr#hrendon. fssssMaitmagatiehashSagMRgdrWaltait @er
Aufh#ngung der Welle, mit
magnetischem Z#hlwerksantrieb und mit
einem Z#hlwerk von geringem Drehmomentbedarf, wie sie in der amerikaniwhz Jknoldung
S*rt o 71 schrieben sind, ist die mechanische Widerstandskraft Fm auf einem Mindestwert
gehalten. Sie ist ausserdem Verh#ltnism#ssig konstant und von der in der Zeiteinheit
hindurchstr#menden Menge Q unabh#ngig. Aus diesen Gr#nden haben die mechanischen
Widerstandskr#fte Fm auf die Genauigkeit des Fl#gelrad-Durchflussmessers in dem
Bereich der Betriebswerte des Durchflusses krinen nenneswerten Einfluss und k#nnen
im Rahmen dieser Untersuchung vernachl#ssig werden.
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Die zweite in Betracht zu ziehende Widerstandskraft ist jene, die
von der auf die rotierenden Teile des Messinstrumentes wirkenden Mediumreibung herr#hrt.
Obwohl das Medium auf die Speichen dem Fl#gelrades, die Nebe desselben und alle
anderen umlaufenden Teile eine Widerstandskraft aus#bt. hat es sich gezeigt, dass
die gr#sste Widerstandskraft auf die Fl#gel des Fl#gelrades wirkt. Durch geeignete
Ausbildung des Fl#gelrades let es diejenige Widerstandskraft des Mediums, die auf
endere andere Teile des Fl#gelrades als auf die Fl#gel selbst wirkt, aufs #ussersts
zu vermindern, sodass sie nur einen sehr geringf#gigen Bruchteil der auf die Fl#gel
Au
des Fl#gelrades wirkenden Widerstandskraft betr#gt.
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Im Rahmeß dieser Besprechung können die auf alle Teile do* Fl#gelrades
ausser den Schaufeln wirkenden Widerstandskr#fte als vernachl#ssigbar angesehen
werden. Die von der auf die Fl#gel des Fl#gelrades wirkenden Reibung des Mediums
hervorgerufene Widerstandskraft Ff ist im Interesse des Verst#ndnisses der Erfindung
einer eingehenderen Betrachtung zu unterziehen.
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Bevor jedoch die auf die Fl#gel des Fl#gelrades wirkendo Widerstandskraft
der Reibung des Mediums Ff betrechtet wird, sollen zun#chst die Merkmale der Str#mung
durch don Fl#gelrad-Durchflussmesser besprochen werden.
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X sunäohet ein Medium von feststehender Viskosit#t undDiehtebeimDurhflusdurehda@Messgerätmit
niedriger Str#mungegeschwindigkeit betrachtet wird, ergibt sich, dass es sich dabei
um eine laminare Str#mung durch das Messger#t handelt. In dem Masse, in dem die
Geschwindigkeit don Mediums steigt, bilden sich Bereiche aus, in denen einne Verwirbelung
suftritt, bis schliesslich der Durchfluss von Medium durch das Messger#t vollst#ndig
turbulent wird.
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Dor Augenbllck, in dem diese Anderung der Eigenschaft der Str#mung
auftritt, h#ngt von der Art des Str#mungskanals
kamala ffir das
Medium ab. FUr jeden beliebigen Flugelrad-Durchflussmesser gibt es f#r jedes beliebige
bestkimmte médium um eine Geschwindigkeit des Mediums, unterhalb welcher eine verwirbelte
Str#mung nicht aufttreten kann und die Str#mung durchwegs laminar ist. Da die Durchflussmenge
s hwegB a Dichte und Viskosit#t) und f#r don Durchfluss durch einen bestimmten Str#mungskanal
(d.h. f#r eine bestimmte ein dos Fl#gelradmessers) gilt, kann sie unter Zugrundelegung
der Reynoldsschen Zahl ausgedr#ckt werden.
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Die Reynoldssche Zahl, unterhalb welcher die Str#mung ausschliesslich
laminar erfolgt, wird also als kritische Reynoldssche Zahl bezeichnet und ist unter
dieser Bezeichnung in Fig. 3 eingezeichnet.
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Die hohen Reynoldsschen Zahlen entsprechen dem Bereich, in dem die
Str#mung vollst#ndig turbulent ist. Der Wechsel der Eigenschaften der Str#mung zwischen
der laminaren und der vollst#ndig turbulenten Str#mung ist kein augenblicklicher
#bergang bei der kritischen Reynoldsschen ß En ist vielmehr infolge der Eigenart
des str#menden Mediums eine #bergangszone vorhanden, die sich #ber die Reynoldsschen
Zahlen erstreckt, die unmittelbar rechts (Fig. 3) von der kritischen Reynoldsschon
Zahl liegen, und in der die Str#mung teilweise turbulent und teilweise laminer.
laminar
ist. Dieser Bereich verursacht @chwierigkeiten bez#glich der genauen Angabe, wie
sich das Fl#gelrad voraussichtlich verh#lt. Da jedoch nach der Erfindung eine einzige
Genauigkeitskurve als Funktion der Reynoldsschen Zahl des Fl#gels verwendet werden
soll, ua die Eigenschaften daßHeesgerätsanzugebenistes m#glich, unter Verwendung
dieser Genauigkeitskurve, die Einfl#sse der Str#mung im vollen Bereich Reynoldsscher
Zahlen zu untersuchen und in einer noch zu beschreibenden eiaeaua*ugleish@n.
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Wenn man nun zu der infolge der Reibung des Mediums auf die Fl#gel
wirkenden Widerstandskraft Ff zur#ckkehrt, ist zu erw#hnen, dass diese Kraft die
gr#ssten Abweichungen der als Funktion der Reynoldsschen Zahl dargestellten Gensuigkeitskurve
vom idealen Verlauf verursacht. Um nun anzugeben, wie diese Kr#fte den Betrieb des
Fl#gelrades tass#chlich beeinflussen, werden die Widerstandskr#fte Ff des Mediums
f#r jeden der drei Bereiche von Str#mungeausbildungen, n#mlich f#r laminars StrmungturbulenteStrSangundObers&Rgezoaaalyeiert
und wird ihre Eigenschaft bestimmt.
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Im Bereich der laminaren Str#mung ist die Widerstandskraft der Reibung
des Mediu@@, die von dem #ber die Fl#gel An
des Fl#gelrades str#menden
Medium verursacht ist, von viskoser Art und wird mit P bezeichnet. Diese Widerstandskraft
Fv wirkt parallel zur Oberfl#che des Fl#gels und hat daher eine Tangentialkomponente,
die der Antriebskraft Fo des PlUgelrades entgegengesetzt ist.
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Diese Widerstandskraft F-ist die Haupturaache der Änderung der Tangentialgeschwindigkeit
vt2 durch das Fl#gelrad im Bereich der laminaren Str#mung. Um die Eigenart der Widerstandskraft
P die auf die Viskosit#t zur#ckzuführeniatzubestien,kanndieGrundgleiohungder Kraft
herangezogen werden. in der Fd' gleich ist @ Qvt2'. Heir ist die Antriebskraft Fd',
die erforderlich ist, um die Widerstandskraft der Viskosit#t Fv zu #berwinden, gleich
dem Produkt der Dichte ç des in dey Zeiteinheit str#menden Volumens des Mediums
Q und der #nderung der Tangentialgeschwindigkeit infolge der viskosen Reibung des
Hediuaa vt2'. Da die Widerstandskraft Fv infolge des Einflusses der Viskosit#t proportional
ist der Viskosit#t ## des Mediums mal der in der Zeiteinheit str#menden Menge in
VoluaeinheitM Q, kann sic ohne weiterea folgendermasaen ausgedrückt perdent worin
t sine PropertioatIttMskonstanteiottBwrAufdruck K wird in folgenden ohne Unterscheidung
zur Bezeichnung einer beliebigen nicht festgelegten Proportionalit#tskonstanton
ohne Indizes order Ver#nderungen verwendet, ausser
ausser dass
K' dann verwendet wird, wenn in der gleichen Glaiog bfe verschiedene on erscheinen.
Zwei verschiedene Konstante in dor gleichen Gleichung werden also als K bzw. K'
bezeichnet.
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De die Antrierdft Pd , die dazu erforderlich ist, die Widerstandskraft
Fv infolge viskoser Reibung zu #berwinden, gleich sein muss der Widerstandskraft
Fv bol Synchronbedingungen, k#nnen die rechten Seiten der beiden letztgenannten
Gleichungen wie folgt gleichgesetzt werden: @ QVt2 vs M man diese Gleichnung nach
der Geschwindigkeits#nderung infolge des Einflusses der Viskosit#t, vt2', auf, so
ergibt sich 2'-Dlo #nderung dor Tangentialgeschwindigkeit vt2' infolge w Widerstandskraft
Fv des Einflusses der Viskosit#t i also dirent proportional der Viskosit#t ## des
Médiums und umgekehrt proportional der Dichte @ deszelben.
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Im
Im Bereich der turbulenten Str#mung ist die Viderstandskraft
der Reibung des Mediums, die auf die Fl#gel des Fl#gelrades wirkt, von turbulenter
Art und wird mit St bezeichnet. Auch hier ist die Widerstandskraft Ft der turbulenten
Reibung entlang der Fl#che der Fl#gel des Fl#gelrades wirksam, sodass sie eine Tangentialkomponente
hat, die der Drehbewegung des Fl#gelrades Widerstand leistet.
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Wie im vorigen Falle ist die Antriebskraft Fd", die erforderlich
iat, um dieWiderstandskraftFderturbulenten Reibung zu #berwinden, gleich dor Dichte
@ des Mediums mal der je Zeiteinheit str#menden Volummenge Q mal der #nderung der
Tangentialgeschwindigkeit vt2" dem Mediums durch das Flügelrad, oder d"'12"' Ferner
ist die infolge der Wirkung der turbulenten Str#mung auf das Fl#gelrad ausge#bte
Widerstandskraft t proportional dem Produkt aus der Dichte @, und der in der Zeiteinheit
str#menden Volummenge im Quadrat, oder Be BeiSynchronbediagungenietdieAntriebskraftgleichaey
Widerstandskraft oder S 0.
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L#st man die Gleichung nach der #nderung der Tangen#algeschwindigkeit
vt2" infolge des Einflusses der Turbulens des Mediums auf, zo erh#lt man isR Q O
Die Geschwindigkeits#nderung vt2" infolge des Einflusses der Widerstandskraft Ft
der turbulenten Reibung des Mediums auf die Fl#gel ist also direkt proportional
dem Mass der Str#mung Q und unabh#ngig von der Viskosit#t## des Mediums.
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X ß Fz infolge der Reibung des Mediums in der #bergangezene ist eine
Folge verschiedener Kombinationen der Widerstandskraft Ft der turbulenten Reibung
und einer Widerstandskraft Fv der laminaren oder viskosen Reibung. Es ist festgestellt
worden, dass die Widerstandskraft Fz der Reibung des Mediums in der #bergangezone
durch folgende Gleichung zusgedr#ckt werden kann: Fz = K@ Q2 - K@## Q. gangezone
daafoa&$Seieaa<BMged!?awwd<& kann: kvas Der Ansdruck K@ Q2 ist von
der gleichen Art wie die Widerstandskraft Ft der turbulenten Reibung, und der t
, m
Wie vorher kann die Antriebzkraft Fd"', die erforderlich ist,
um die Reibung des Mediums in der #bergangszone zu #berwinden, durch die grundlegende
Formel der Kraft ausgedr#ckt werden, n#mlich: Fd"' = @ Qvt2"'.
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Da die Antriebskraft Fd"' gleich sein muss der widerstandskraft Fz
unter Synchronbedingungen, k#nnen die rack, Seiten der beiden letzten Gleichungen
einander gleichgesetzt werden, und dies ergibt und die Aufl#sung der Gleichung nach
der #nderung der Tangentialgeschwindigkeit vt2"' infolge der Widerstandskraft Fz
in der #bergangszone ergibt v'.KQ-S. keit des Mediums vt2', vt2' ' und vt2"' infolge
der Widerstandskr#fte der Reibung des Mediums Fv, Ft und Fz im laminaren Str#mungsbereich,
im Bereich der Turbulens und in der #bergangszone bestimmt worden sind, soll num
eeetiamtwerdenwiedieeeXnderangeaderangentiel geschwindigkeit die Genauigkeitskurve
des Messger#tes beeintrachtigen
beeintr#chtigen. Um dies zu untersuchen,
muss man sich W gen, dass die #nderung der Tangentialgeschwindigkeit vt2 ein direktes
Mass des Schlupfes des Fl#gelrades gibt. Wenn auf das Fl#gelrad keine Widerstandskr#fte
wirkten, w#re die #nderung vt2 der Tangentialgeschwindigkeit gleiali Null und das
Verh#ltnis der Winkelgeschwindigkeit des Fl#gelrades zum Mass des Burobtlu, Pig.
4idealeBasuge<* ttt 1' 'ita r. c . i : .
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Verh#ltnis der Winkelgeschwindigkeit desselben zum Mass des Durchflusses,
@Q, konstant sein muss, muss gepr#ft werden, in welcher Weise #nderungen der Tangentialgeschwindigkeit
vt2 des Mediums dieses Verh#ltnis beeinflussen. Das Mass des Schlupfes des Fl#gelrades
oder der Minderanzeige gegen#ber dem Idealwert des Verh#ltnisses @Q, ist direkt
proportional dem Mass der #nderung der Tangentialgeschwindigkeit des Mediums vt2
geteilt durch das Mass des Durchflusses Q. Der Schlupf des Fl#gelrades ergibt sich
also mit Kvt2/Q. Dn vt2 dasFlügelrades@ssibalohalsomit-gs-.DaT eine sum Fl#gelrad
tangentials lineare Geschwindigkeit issaseedshigaadinenRadiusrgeteiltyd@a
wenn es das Verh#ltnis @Q genau ausdr#cken soll. F#r sin bestimmtes Fl#gelrad jedoch
ist diese@Radius eine Konstante, sodass der Ausdruck Kvt2/Q ein genaues Mass des
Schlupfes Sf, ausgedr#ckt nach deer #nderung der Tengentialgeachwindigkeit vt2 des
Mediums und des Mass des Durchflusses Q@ ist. a"AMR
Betrachtet
man nun die Ausdr#cke f#r die #nderungen der Tangentialgeschwindigkeiten des Mediums
im Bereich der laminaren Str#mung, im Bereich der turbulenten Str#mung und in der
#bergangszone, zo ergibt sich, dass der Schlupf Sf des Fl#gelrades in jedem dieser
Bereiche einfach dadurch ausgedr#ckt werden kann, dass man die tugarUe far die e
#nderungen der Tangentialgeschwindigkeit mit dem Bruch K/Q multiplisiert. F#r den
Bereich der laminaren StrOmung ergibt also das Produkt der #nderung der Tangentialgeschwindigkeit
vt2' infolge der Widerstandskraft Fv der Viskosit#t und des Bruches K/Q don Ausdruck
f#r den Schlupf des Laufrades Sf' infolge der Viskosit#tskraft Fv oder worin vt2'
@ D rout
Ferner ist zu bemerken, dass nach diesen Ausdruck Sf' proportional ist sur Viskosit#t##
und verkehrt proportional zur Dichte @ des Mediums und den Mass des Durchflusses
Q. Dieser Ausdruck ist dann verkehrt proportional sur Reynoldsschen Zahl R f#r den
betreffende@ Fl#gelrad-Durchflussmesser oder: Sf' = K/R.
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.
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X Bereich der turbulenten Str#mung ergibt die Multiplikation der #nderung
der Tangentialgeschwindigkeit vt2" infolge der widerstandskraft Ft der turbulenten
Str#mung mit den Bruch K/Q den Ausdruck f#r den Fl#gelradschlupf Sf" infolge der
Wideretandskraft Ft der turbulenten Str#mung K/Q vt2'', darin ist vt2'' = KQ.
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Daraus ergibt sich Sf'' = K.
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Es ist zu ersehen, dass der Schlupf Sf" in Bereich der turbulenten
Str#mung konstant ist, und dies beeintr#chtigt die Genauigkeit des Messger#tes nicht.
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In der #bergangszone ergibt die Multiplikation der #nderung der Tangentialgeschwindigkeit
vt2"' infolge der Widerstandskraft Fs des Mediums mit dem Bruch K/Q den Ausdruck
f#r den Isufradschlupf Sf''' infolge der Widerstandskraft Fk oder Darim ist Daraus
folgt
MILS
Wie bereite oben bei der Besprechung des Schlupfes infolge
der Widerstandskraft Fv der Viskosit#t erw#hnt wurde, ist der Ausdruck K##/@Q verkehrt
proportional der Reynoldsschen Zahl des betreffenden Fl#gelrad-Durchflussmessers
oder S"X-.
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Wie Fig. 3 erkennen l#ast, ist der Schlupf Sf des Messger#tes #ber
den ganzen Bereich Reynoldsscher Zahlen eingezeichnet. Im Bereich der laminaren
Str#mung #ndert sich der Schlupf Sf entsprechend dem Ausdruck da der Schlupf von
der Widerstandskraft Fv infolge der Viskosit#t herrührt.
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In dem Mass, in dem die Reynoldssche Zahl auf einen Wert oberhalb
der kritischen Reynoldsschen Zahl steigt, #ndert sich die art der Str#mung, und
der Schlupf Sf #ndert eich entsprechend dem Ausdruck d&derSehimpf8voaderWideretande&rafty-dee
Médium* h
Wenn die Reynoldssche Zahl auf einen Vert steigt, oberhalb
welches die Str#mung vollst#ndig turbulent ist, tritt ein Zustand ein, in dem der
Schlupf nach dem Ausdruck Sf = K konstant ist, da er von der Widerstandskraft Ft
des Mediums herr#hrt.
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Die Genauigkeitskurve f#r die Type I von Fl#gelrad-Durchflussmessern,
bezogen auf die Reynoldssche Zahl des Fl#gels, ist in Fig. 4 dargestellt. Wie bereits
beschrieben, w#re der ideals Wert des Verh#ltnisses zwischen der Drehgeschwindigkeit
des Fl#gelrades zum Durchflussvolumen #Q eine horizontals gerade Linie, die sich,
wie Fig. 4 seigt, #ber den vollen Bereich der Reynoldsschen Zahlen erstreckt. Die
Widerstandskr#fte des Fl#gelrades laut obiger Besprechung verursachen jedoch oinen
Schlupf Sf des Fl#gelrades, der #ber den Bereich von Reynoldsschen Zahlen ver#nderlich
ist. Wenn man dissen Schlupf Sf von dem theoretischen Wert des Verh#ltnisses @Q
subtrabiert, ergibt sich die auf die Reynoldssche Zahl besogene Genauigkeitskurve.
Die in Fig. 4 gezeigte Genauigkeitskurve F#r Fl#gelrad-Durchflussmesser der Type
I wurde durch Versuchsergebnisse in vollem Umfange best#tigt. Sie hat in der Umgebung
der kritischen Reynoldsschen
Reynoldsschen Zahl, bevor sie in den
flachen Teil #bergeht, einen Buckel. F#r Medien von niedriger und mittlerer Viskosit#t
wie Luft, nat#rliche Gase, Bensin, Waaeer d#nnfl#ssige #le oder dgl, arbeitet ein
Fl#gelrad-Durchflussmesser der Type I von angemessener Gr#sse (100 mm = 4 Zoll,
und dar#ber), haupts#chlich im ebenen Teil der Genauigkeitskurve, wenn es sich um
einen angemessenen Str#mungsbereich handelt. Im Falls von Medien von hoher Viskosit#t
jedoch f#llt der Buckel gleich dem son Teil der Kurve in den Geltungsbereich der
Genauigkeitskurve, und dies f#hrt zu einer sie@lich hohen maximale Abweichung. Die
kritische Reynoldssche Zahl eines Fl#gelrad-Durchflussmessers h#ngt in gewissen
Grad von der anf#nglichen V@rwirbelung der Str#mung vor dem Eintritt in des Fl#gelrad
und von der besonderen Ausbildung des Messger#tes ab. Je h#her die anf#ngliche Verwirbelung,
desto niedriger ist die kritische Reynoldssche Zahl. F#r den Fl#gelradmesser nach
der amerikanischen Anmeldung Serial No. 717 863 wurde dieser kritische Wert der
Reynoldsschen Zahl des Fl#gels durch Versuche ormittelt, und er betr#gt @@. 2300.
ehe wex da R (Laft, r l » 4 mittel, d#nnfl#ssiges und dickfl#ssiges #1) haben f#r
des .
dwaymsyadDürahflsesEssaynach&@?g$nannttRaaaikt-
genann ten @@@ri kaeahesAasal&HagSerialNeTT?663tsaavwywc&w&se and@ don
entsprechend den Ergebnissen der obigen Analyse kenstruierte Modelle sine gute #bereinstimmung
swizchen den Verzuchsergebnissen und den theoretischen Untersuchungen ergeben. smesa4eaasaAtend.Es'fisstat
f#heine iaaBBhtaagstcs<ß*aiapVewipwlaain red sm ia$iBBsheretsmwsAbt in der Str#mungsrichtung
vor dem L#ufer oder Fl#gelyaAanmeihtliehwnSeMßia<t?BweaEaa irdem ftMs.zia4$mjtf3.<S<t3<sa&e&
erts ilung, insbesanders in laninaren Str#mungsbereich, und diese tr#gt zur weiteren
Verbesserung @@r Messganauigkeit des Messger#tes f#r Medien in diesen Str#mungsbereich
bei.
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2u
Der in Gag. 1 und 2 gezeigte Fl#gelrad-Durchflussmesser
f#r Axialstrom ist ausgestattet mit einer sylindrischen Einlassleitung 20 mit einem
stromlinienf#rmig ausgebildeten Kernteil 22 r z tt rls und in gleichen Abst#nden
in Bogen angeordneter (nicht dargestellter Rippen) koaxial getragen ist, und einem
Aue*XttZbStt 26 mit einem str#mungsdynamisch g#nstig ausgebildeten Kernabschnitt
28, der in dem Kanal mittels im Abstand voneinander angeordneter Streben 29 coaxial
getragen ist. An dem Kernabachnitt 22 ist ein Messfl#gelrad 30 gelagert, und innerhalb
dieses Kernabschnittes ist ein #bertragungsgetriebe zu einem Z#hlwerk innerhalb
des Z#hlwerksgeh#uses 32 enthalten, und mit den unten angef#hrten Abweichungen ist
die Konstruktion dit gleiche wie die nach der amerikanischen Anmeldung 717 863 auf
die in #brigen be@ug genommen wird, sodass eine weitere eingehende Beschreibung
oder Erl#uterung an dieser Stelle sich er#brigt.
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Die oben erw#hnte Abweichung bestcht, wie aus Fig. 1 ersichtlich,
darin, dass eine Drosselstelle f#r die Str#mung in der Form einer Drosselplatte
40 mit einer scharfkantigen #ffnung vorgeschen ist, die eine innere kegelstumpff#rmige
Reibungafl#che 42 hat, die in solcher Weise radial ausw#rts erweitert ist, dass
sie eine scharfs
scharfe kreisrunde Kante 42a bildet, die dem ankommenden
Mediumstrom zugewendet ist. Diese Drosselplatte 40 lot Kanal 20 des rohrf#rmigen
Geh#uses des Messger#tes am Eintrittsende des von der Leitung 20 und dem Kernabschnitt
22 gebildeten kreisringf#rmigen Str#mungssages 46 konzentrisch montiert, sodass
beim Eintritt des Mediums in die Drosselplatte eine Verwirbelung herbeigef#hrt wird.
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In Fig. 2 besteht die Fl#che sum Erzeugen einer Verwirb elung in
dem Mediumstrom aus einer kreisringf#rmigen Platte 48, die am Eingang in den kreisringf#rmigen
Kanal 46 an dem Kernteil 22 konsentrisch montiert ist.
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Diese Drosselplatte 48 hat eine #ussere kegelstumpff#rmige Fl#che
48a, die in solcher Weise radial einw#rts abgeeehptgt let# a ale e eine scharfe
verwirbelungserzeugeada) Kante 48b begrenst, die der ankommenden Str#mung des Mediums
sugewendet ist.
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Die Drosselplatten 40 und 48 mach Fig. 1 und 2 sind in eiMB und vorherbestimmten
Abstand in der Str#mungsrichtung vor dem Messfl#gelrad 30 angeordnet, @oda@ eedaaedieherbwig$fhyt@anfänglicheVeyi&elund@
spielswe Yiodlms ßb herb dssM@ssga?ätegaiahtei #he des ittsondes der Drosselplatten,
beeintr#chtigt.
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Dementsprechend
Dementsprechend ist su bemerken,
dass die Drosselplatten 40 und 48 bei den Ausf#hrungabeispielen nach Fig. 1 bzw.
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2 in einem Abstand vor dem Fl#gelradluter 30 ) eine grosse anf#ngliche
Verwirbelung erseugen.
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Durch diese erh#ht@ Turbulens wird die kritische Reynoldsache Zshl
in der oben bezchriebenen Weise derart herabgesetzt, daeo ein gr#sserer Bereich
der linearen Durchflussmessung verf#gbar gemacht wird. Auf diese Weise wird der
an der kritischen Reynoldsschen Zahl auftretende Buckel 50 (Fig. 4) in der Genauigkeitskurve
52 gegen die Ordinatenaohee won 8t ebenen Kurvenverlaufes 54 verl#ngert wird.
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W#hrend die Drosselplatten 40 und 48 eine bevorsugte Einrichtung zum
Erzeugen einer Verwirbslung darstellen, kann die anf#ngliche Verwirbelung auch mit
anderen Mitteln, z.B. durch eine Reihe von Sieben oder Gittern, erzeugt coder herbeigef#hrt
werden, die in einem g@@igneten Abstand in der Str#mungsrichtung vor dem Messfl#gelrad
angeordnet sind.
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Obwohl das Herbeif#hren einer enf#nglichen Verwirbslung die kritische
Reynoldssche Zahl des Fl#gelrad-Durchflus messers senkt, deuten Versuche an, dass
eine niedrigers Grenze besteht, deren Wert von der Ausbildung des Mess-BUILt*o
ger#tes
abh#ngt und von dem Grad der erzeuten St#rung der Str#mung unabh#ngig ist. Wenn
sich also die Reynoldssche Zahl unterhalb dieser unteren Grenze befindet, werden
alle urspr#nglichen St#rungen der Str#mung ohne R#cksicht darauf, wie schwerwiegend
sie sein m#gen, durch D#mpfung beseitigt, und die Bewegung f#llt folglich in den
Bereich der laminaren Str#mung, wenn das Medium indasKeasflgelraAeintritt.DahyistesnuriHadiea
von nicht sehr holier Viskosit#t befriedigend, wenn hohe anf#ngliche St#rungen des
Hediumstromes zum Messfl#gelrad herbeigef#hrt werden, um den #bergang aus dem Bereich
ou laminaren Str#mung in den der turbulenten Str#mung zu beschl@unigen. Dementsprechend
werden, wo es sich darum handelt, Hessungen von Medien von hoher Viskosit#t mit
hoher Genauigkeit durchzuf#hren, andere Mittel zum Ausgleich f#r die Viskosit#t
vorgesehen.
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Fig. 5 zeigt eine weiters Konstruktion unter Anwendung der Grunds#tze
der Erfindung. Dieses Ausf#hrungsbeispiel der Erfindung ist sum Messen viskoser
Medien geeignet ausgebildet und ist gleichfalls, abgeschen von der dem incais@BenSssadssmaslhd8"
'3. e11$' as61 iT i Kt1e17'N ' : : 7 <-6Zdr 4iY rk. it 6'I A. 7. iTMPi'r . lR
fFb Messfl#gelrad beigegebenen Einrichtung 60 zum Erzeugen '."&Pail7 B". $.
SS3RD"'L. lSdRi lddWN fi146' (ad. : 9i. 5iAi,'ds"F3i lpi 14lF. udi. i' :. lGii rungsform
nach der genannten amerikanischen Anneldung Sa
Diode Einrichtung
60 zum Erzeugen eines viskosen Str#mungewideratandeanachPißt9beatelttauseinerTrommel62
zum Herbeif#hren eines viskosen Widerstandes, die in nicht drehbarer Weise an einer
koaxialen Verl#ngerung 64 der Messfl#gelradwelle 65 derart montiert ist, dass sic
sich mit dieser Fl#gelradwelle dreht. Die Trommel 62 tat eine hohle abgedichtete
Einheit mit einem Durchmesser messer von solcher Gr#sse, dass ein gew#hltes enges
Spiel oder ein Laufaitz swieohen ribla und der Innenwand 66 deo becherf#rmigen Teiles
68 vorhanden ist. Der Becherteil 6t3 ist am einen Ende koaxial zum Messfl#gelrad
30 innerhalb eines hohlen mediumlenkenden Kernabschnittes 70 an oinur Planachplatte7montiertedieandemFUhrungaßlied
glied mittels Schrau en 72 oder anderer geeigneter Einrichtungen befestigt ist.
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Kine Eine ebene kreisrunde Endplatte 73 ist an dem (in der Str#mungsrichtung)
vorderen offenen Ende des Becherteils In solcher Weise #ontiort, dass sie das Innere
desselben vom Inneren des F#hrungsgliedes 70 trennt. An der Platte 73 ist mittels
Schrauben 74 oder anderer geeigneter Mittel ein hohles Aufnahmebecherglied 75 koaxial
zur Verlängerung 64 der llo befeatigt.
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Um
Um einen Teil des Mediums, das im Begriff ist,
gemessen zu werden, zu dem Aufnahnebecherglied 75 zu bef#rdern, ist eine kleine
Abzweigrchrleitung 76 von gew#hltem Durchmesser vorgesehen, deren eines Ende mit
der Hauptrohrloitung 78 zum Bef#rdern des Mediums in einem vorherbestimmten Abstand
in der Str#mungsrichtung vor dem F#hrungsglied 70 f#r das Medium verbunden ist.
bestimmten Abstand in der Str#mungsrichtung vor dem F#hrungsglied 70 f#r das Medium
verbunden ist.
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Das andere Ende der Zwegrohrleitung 76 endet in dem becherf#rmigen
Glied 75, sodass es mit dessen Innerem in Verbindung stht. Auf diese Weise wird
ein vorherbestitmterSeildeszuMessendenKediuasdaadurchdie Leitung 78 str#mt, durch
die Zweigrohrleitung 76 in das Innere mere des Bechergliedes 75 gef#hrt. Dieses
Medium wird aus dem Becherglied 75 durch eine Reihe von in der Endplatte 73 gebildeten
L#chern 80 in den von dem Becherglied 68 gebildeten Mohlraum geleitet und str#mt
zwischen der Innenwand 66 und derTrommel 62 zu radialen Austrittsken#len 82 in der
Flanschplatte 71. Die radial angeerd-, r au. ° aid : 'r5a,, ardu3a a 8t 2 n de rdext
rle mmgaweg 04p der von dem Kernteil 70 des Hessger#tes und des rohrf#rmigen Geh#use
20 desselben gebildet ist, sodass die die R#ckkehr des abgezweigten Mediums zur
Hauptmasse des zu messenden Mediums erleichtert wird.
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A. ut
Aus dem Gesagten ist zu entnehmen, dass das
Medium, das in das Becherglied 68, das die Trommel 62 umgibt, eintritt, immer von
der gleichen Art ist und im wesentlichen die gleiche Viskosit#t hat we das im Hauptstr#-mungsweg
84 befindliche zu messende Medium. Die Gr#sse des Laufspieles zwischen der Trommel
62 und dem Becherdes Laufspieles zwischen der Trommel 62 und dem Becherglied 68
ist so beschaffen, dass der Mediumstrom in diesem Zwischenraum nnerhalb des Betriebsbersiches
des Messger#tes laminar verl#uft oder wirbelfrei ist. W#hrend die Trommel 62 sich
dreht, wird also eine viskose Schubkraft Fv' erzeugt, die der Drehung der Trommel
Widerstand leistet. Diese Widerstandskraft Fv' ist von der oben erw#hnten Art, und
ihre Gr#sse ist eine Funktion des Fl#cheninhaltes der Oberfl#che der Trommel 62.
Diese Kraft Fv' kann daher nach Bedarf ver#ndert werden, indem die axiale L#nge
der Trommel vergr#ssert oder verkleinert wird, wodurch eine geringere bzw. eine
gr#ssere Widerstandskraft der Trommel geschaffen wird.
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Die viskose Widerstandskraft Fv', die auf die Trommel wirkt, verursacht
einen Schlupf Sv', der zu dem beim Durchtritt desMdiumadurchdaeMeaeflgwird30von
der Widerstandskraft F@ herr#hrenden Schlupf Sf zus#tzlich hinzutritt. Da der Schlupf
Bv' von gleicher Art ist wie der Schlupf Sf', der von der Widerstandskraft Fv AU.
der
Viskosit#t des Mediums herr#hrt, betr#gt dieser zus#tzliche, dem Fl#gelrad aufgeswungene
Schlupf Sv' = K/R, und hat wenn or ale Punktion der Reynoldeschen Zahl gezeichnet
wird, einen Kurvenverlauf von der Art der unterbrochenen Linie 90 in Fig. 6.
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Ohne diesen ausgleichenden Schlupf Sv', der von der Einrichtung 60
zum Erzeugen eines viskosen Str#mungswideretandee hzffen wird, ist der Mengenmesser
nach Fig. 5 im wesentlichen sin Fl#gelrad-Durchflussemesser der Type I, und die
Genauigkeitskurve des Messger#tes nimmt die Form der Kurve 92 an die im wesentlichen
die gleiche ist wie zizi Genauigkeitskurve eines Fl#gelrad-Durchflussmessers der
oben genannten Type I, der nicht mit der Einrichtung 60 zum Erzeugen des viskosen
Str#mungswiderstandes ausgestattet ist.
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BEeh der Fl#gelrad-Durchflussmesser der Type I mit der Einrichtung
60 zum Erzeugen des viskosen Str#mungswi@er -standes von der beschriebenen Art ausgestattet
ist, ergibt sich als Genauigkeitskurve f#r dieses Messger#t die Kurve 94 (Fig. 6).
Durch Ver#ndern der L#nge der TMamel 62 wird die St4*rtanO der Schlupf Sv' ver#ndert,
bis bei der kritischen Reynoldsoeh Zahl der Schlupf Sv' gleich ist der Differens
zwischen Lia
dom dem Fl#gelrad im Bereich der turbulenten Str#mung
aufgezwungenen Schlupf Sf und dem dem Fl#gelrad bei der kritiaciien Reynoldsschen
Zahl aufgeswungenen Schlupf Sf.
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Die o don Schlupfes Sv' infolge des auf die Trommel 62 wirkenden viskosen
Str#mungswiderstandes hat, wenn ale su don nat#rlichen Schlupf Sf zus#tzlich hinzutritt,
eine Glättung der auf die Reynoldaaohe Zahl bezogenen nat#rlichen Genauigkeitskurve
92 zur Folge. Die Kurve, die sich auo der Addition des Schlupfes Sv' und des Hchlupfea
Sf ergibt, ist mit 94 beseiohnet und zeigt nieht don Buckel 96 der Kurve 92. Da
die auf die Reynoldsache Zahl bezogene Genauigkeitskurve 94 oberhalb der kritischen
Reynoldsschen Zahl im woaentliohen flach rerl#uft, laies dan in Pig. 5 darßcatellte
Aueführungabeiapiol einer Messger#tes Médian bei allen Str#mungsbedingungen oberhalb
der kritischen Reynoldsschen Zahl genau.
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Die Genauigkeit eines Fl#gelrad-Durchflussmessers mit einer Genauigkeitakurve
entsprechend 94 zeichnet zlch deutlich durch die Tatsache aus, dass die Genauigkeitskurve
94 und die Kurve der Idealwerte (@Q) 98 (Fig. 6) in m Bereich Reynoldsscher Zahlen
oberhalb der kritischen Reynoldsschen Zahl im wesentlichen parallel sind. Infolgedeaoen
gew#hrleistet, da der Schlupf Sf in den Bereichen oberhalb der kritischen Reynoldsschen
Zahl konstant ist, die Bestimmung desselben eine genaue Messung des Mediums.
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Um
Um den Bereich der genauen Messungen noch weiter
zu erh#hen, k#nnen in einem Durchfluss@esser der Type I sowohl die Einrichtung 60
zum Erzeugen eines viskosen Videretandes naoh Fig. 5 als auch die Einrichtung zum
erzeugen einer Verwirbelung entweder nach Fig. 1 oder nach Fig. 2 vorgeschen sein,
sodass ein Bereich hoher Messgenauigkeit erzielbar ist, der gr#sser ist als der
bei Verwendung nur einer dieser Einrichtungen allein erzielbare Heasbereioh.
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In Pigez 7 ist eine andere Konstruktion dargestellt, bei der die Grunds#tze
der Erfindung zur Anwendung gebracht sind. Diese besteht im wesentlichen aus einen
frei gegenläufig drehbaren Fltelrad 110 (im m folgenden als "freies Fl#gelrad" bezeichnet),
das in einem geeigneten Abstand in der Str#mungerichtung vor dem Messfl#gelrad 30
zus angeordnet ist und mit einer zus#tzlichen widerstandserzeugenden Einrichtung
114 in der Form eines noch su beschreibenden Bechergliedes zum Erzeugen eines viskosen
Widerstandes ausgestattet ist.
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Der Fl#gelrad-Durchflussmesser f#r axialen Durchfluss naoh Pig* 7
in* alzo ausgestattet mit einer zylindrisohen Eintritt@leitung 20 mit einem stromlinienf#rmig
ausgebildeten Kernabschnitt 22, der in der Leitung zu die
dieser
coaxial mittels im Abstand voneinander angeordnoter Streben 120 getragea iet, und
einer Austrittsleitung 26 mit einem ebenfalls str#mungsdynamisch g#nstig ausgebildeten
Kernabachnitt t der in der in der Leitung koaxial zu dieser mittels in gleichen
Abst#nden im Bogen angeordneten l#ngsverlaufenden Rippen 128 getragen ist.
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Am Kernabschnitt 28 ist das Messfl#gelrad 30 gelagert, und dieser
entât ein Antriebsgetriebe f#r ein nichet dargestelltes Z#hlwerk. Da diese Konstruktion
mit der nach der amerikanischen Anmeldung Serial No. 717 863 übereinstimmte wird,
abgeschen von don folgenden Abweichungen, keine n#here Beschreibung derselben gegeben.
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Die genannten Abweichungen, die aus der Tatsache folgen, dass die
Str#mungsrichtung durch den Durchflussmesser nach der genannten Anmeldung gerade
entgegengesetzt der Str#mungsrichtung im vorliegenden Falle ist, bestehen darin,
daes (1) ) das Fl#gelrad 30 gegen#ber dem Flügel rad nach der genannten Anmeldung
Serial No. 717 863 gedreht ist, und zwar jeder Fl#gel 130 des Fl#gelrades um 180
Grad um die Achse der betreffenden Radialspeiche 132, an der er montiert ist, und
(2) dass die Welle 134, an der die Nabe 136 das Fl#gelrades 30 montiert ist, gen#gend
verl#ngert ist, um einen Zwischenraum zwischen den Fl#geln 130 und dem benachbarten
Ende des Kernabschnittes 28 zu schaffen.
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U Sa.
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Um die Wirkung des Widerstandes des Mediums auf das Mesafl#gelrad
30 so wait wie m#glich zu vermindern und somit die Messgenauigkeit zu erh#hen, ist
das frei gegenl#uflg drehbare Fl#gelrad 110 unabh#ngig von dem gaMisdaaiaßlM&9n&bh&agigv<mdem
montiert. Die Welle 140 ist innerhalb des Kernabschnittes H<.M?$1140iimwsSMeKowahaitea.
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Kernabschnitt und zum Fl#gelrad 30 gelagert. Das freie Fl#gelrad 110
ist mitteln eines von einer st#tze 146 . t='°"°i., d lJNs'fIP'3AP', '&ro, tsi'9e93ifq-rXtE.
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der Fl#gelrades @@@ @@ @@, @@@ @@@@ @@@ @@@@@ @@@@ @@ erl#mternien @@@@@@ @@@ Fl#gelrades
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Um zu verhindern, dass ein Teil des Mediums die Fl#gelr#dar
110 und 30 umgeht bzw. zur Erleichterung des Durchtritts im wesentlichen des gesamten
Mediums durch die Fl#gelr#der und somit zur Verbesserung der Messgenauigkeit, zind
an den benachbarten Enden der Kanalabechnitte 20 und 26 ringf#rmige Glieder 154
und 156 angeschweizet.
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Diese ringf#rmigen Glieder 154 und 156 sind mittels eines zwischen
ihnen eingelegten kreiarngf#rmigen Distansringes 158, an dem sie sentriert anliegen,
in festgelegten Abstand voneinander axial fluchtend gehalten. Dieser Distansring
ist mittels sweier im #uten eingelegter Rumddichtungen 160 und 162 abgedichtet,
und der Distanzring und die Bingglieder sind mittels gleichm#ssig #ber den Umfang
verteilt vorgesehener Maschinensehrauben 164 zuzammengesehraubt. Die Glieder 154,
156 und 158 begrennem je eine ringf#ormige Ausayarung 166 bzw. 168 am der Inneneeite,
die se bezessen und ausgebildet ist, dass sie zur Aufnahne der Musseren Enden der
Fl#gel 130 und 158 geeignet ist und eine Wirbelsperre (eine den Durchtritt von Medium
verhinderade Wirbelbildung) herbedf#hrt, die die Fl#gel 130 bzw. 152 umgibt und
somit verhindert, dass Medium, das gemessen werden soll, die Fl#gelr#der 110 bzw.
30 umgaht ohme durch die Fl#gel derselben himdurchsutreten. Der Distanaring 158
ist mit einer, mit ihm aus einen St#ck gebildeten kensentrischen Nabe 170 zusgestattet.
stattet,
deren Aussendurchmesser am Umfang 172 gleich ist dem Aussendurchmesser der zylindrischen
Zonen der Kernabschnite 28 und 22 und die vom Krann 174 des Distansgliedes 158 koaxial
zu diesen Kernabzchnittszonen mittels mehrerer, vorsugsweise dreier, #ber den Umfang
verteilter Radialspeichen 176 getragen ist. Die Gr#sse, Anzahl und Form dieser Speichen
ist @o gew#hlt, dass sie auf das Str#mungs@schema des Mediums zwischen den Fl#gelr#dern
110 und 30 keinen wesentlichen Einfluss haben.
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Der Abstand zwischen dem freien Fl#gelrad 110 und dem Messfl#gelrad
30 ist wichtig f#r die Bestimmung der Gesantleistung des Fl#gelrad-Durchflussmessers
und ist kurs genug, sodass die Tangentialkomponente der Austrittsgeschwindigkeit
des Mediums aus dem freien Fl#gelrad durch die Reibung des Mediums beim Durchtritt
durch den Zwischenraum nicht in nonnenswertem Masse vermindert wird. Der Abstand
ist jedoch gross genug, sodass die Wirkung der infolge des Vorhandenseine des gegen#ufig
drehbaren Fl#gelrades in der Str#mungarichtung vor dem Messfl#gelrad erzeugten Verwirbelung
nur gering ist, wenn das Medium das Messfl#gelrad erreicht. Versuchaergebuisse laszenn
erkennen, dass dieser Abstand mindestens gleich sein soll der Schnenl#nge der Fl#gel
des freien Fl#gelrades. ixia
Un einen zus#tzlichen Widerstand auf
das freie Fl#gelrad 110 zur Wirkung zu bringen, ist eine zylindrische TroBBl 178
am der Welle 140, gegen#ber * befestigt, an dem das Fl#gelrad 110 befestigt ist.
Ein Becherglied 180 mit einer darin gebildeten zylindrischen Aussparung von entsprechender
Gr#sse f#r die freie Aufnahme der Trommel 178 ist mit einer mit dem Becherglied
aus einem St#ck gebildeten koaxialen Welle 184 auageart 40toaxilitfNhaa$$ocdatm$a$<r8$
und d 188 sind, wie dargestellt, in geeigneter und herk#mmlicher Weise in dem Kernabschnitt
22 montiert. Das Becherglied 180 ist f#r den Betrachter der Fig. 7 nach links @arart
axial verschiebbar, dass es einen Abschnitt der Trommel 178 von g@w#hlter L#nge
umgibt. Dies geschieht a durch Drehen einer Welle 190, an der ein Zahnrad 192 befestigt
ist, das mit einer an der Welle 184 gebildeten Zahnstange 194 dauernd im Eingriff
staht.
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Der von dem Kernabschnitt 22 gebildete Hchlraum 196, in dem das Becherglied
180 und die Trommel 178 angeerdnet wiad,wt$htadiuaeiMdatdwatNieaWi&MB 97 in
Ver-Aungen 198 in der Endplatte 200 des Kerniebachnittes 22 str#mt, sodass der Hohlraum
196 mit Medium von der gleichen
gleichen Viskosit#t wie das zu
messende Medium erf#llt wird Der Aussendurchmesser der Trommel 178 ist um ein gen#gendes
Mass kleiner als der Durchmesser der Aussparung 182, sodass zwischen der Aussenfl#che
der Trommel 178 und der zylindrischen Wand der Aussparung 182 * geringf#giges Radialspiel
besteht. konat der radiale Zwischenraum zwischen der Trommel 178 and dem Becherglied
180 mit Fl#ssigkeit gef#llt ist, kommt an dem Fl#gelrad 110 ein zus#tslicher Widerstand
zur Wirkung, der eine Funktion der Viskosit#t des Mediums, der radialen Breite des
Zwischenraumes und der #bergrBsfeades'Q-radd&rÜrdMmgat.insllM" be rdeckungsfl#che
des Bechergliedes 160 in besug auf die Trommel 178 ist. Obwohl im Zusammenhang mit
dieser Ausf#hrungsform der Grad der #berdeckung als einstellbar gezeigt und beschrieben
ist, sind die @eisten Ausf#h-« n t einer im Werk festgelegten Einstellung Bei dieser
Ausf#hrungsform, bei der vor dem messfl#gelrad 30 ein frei drehbares Fl#gelrad 110
hinzugef#gt ist, das frei ist von jeglicher enderen Belastung als der der auf sie
sinwirkenden Reibung des Mediums, der Wirkung itr oW, 6"
das Medium,
die vernachl#ssigbar ist, ist die Tangentialkomponente der absoluten Austrittsgeschwindigkeit
des Mediums aus dem frei laufenden Fl#gelrad 110 eine Funktion der Viskosit#t des
in Messung begriffenen Mediums.
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Di*Je Tangentialkomponente der Geschwindigkeit #bt beim Eintritt des
zu messenden. Mediums in das Messfl#gelrad 30 auf dieses eine zus#tzliche Antriebskraft
aus. Diese zus#tzliche Antriebskraft kann theoretisch gleich der gesamten auf das
Messfl#gelrad wirkenden Widerstandskraft und BUt entgegengezetzt gerichtet sein,
nodaas der absolute Austrittswinkel des Mediums und die Tangentialkomponente der
absoluten Austrittsgeschwindigkeit des Mediums aus den Fl#geln 130 des Messfl#gelrades
unter Idealbedingungen Null sind In der Praxis wird Jedoch dieser Idealzustand nie
vollst#ndig erreicht, sondern durch die Anordnung des frei gegenl#ufig drohbaren
Fl#gelrades 110 mit der Einrichtung zum Erzeugen eines geregelten viskosen Widerstandes
114 wird die Abweishung don Messergebnisses infolge des Einflusses der Viskosit#t
des Mediums, wie im folgenden noch erl#utert wird, auf einen vernachl#ssigbar geringen
Wert vermindert.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass die Genauigkeit des Messfl#gelrades
30 nur durch die Differens der Widerstandskr#fte infolge der Reibung des Mediums,
die auf das
wirken und die mit Ff und Ff' bezeichnet sind, beeinlfiXk
baQio ahi ts&tigtwirdBieSenaMigkeitdesKesaflügely&dee Gr#sse der Widerstandskraft
Ff infolge der auf das Messfl#gelrad wirkenden Reibung des Mediums bewirkt. Diese
Widerstandskraft Ff ist in wesentlichen gross und zwar von solcher Gr#sse, dass
sie zu wesentlichen Ungenauigkeiten bei Messungen von Medien von hoher Viskosit#t
f#hrt. Der Unterschied zwischen den Widerstandskr#ften infolge des Widerstandes
des Mediums (Ff - Ff') wird bei dam vorliegenden Ausf#hrungsbeispiel f#r alle Str#mungen
innerhalb des Betriebsbereiches auf ein gen#gend kleines Mass vermindert, indem
die Einrichtung 114 zum Erzeugen des geregelten viskosen Widerstandes eingestellt
wird, sodass die Widerstandskraft Ff' gleich ist de?idersteads&FaftStDie8-leichheitd@yMiderstaads
krilfto des médiums kann dadurch erreicht werden, dass rad wirkenden Heibung des
Mediums bestimmen, be@einflusst.
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Wenn eine solche Gr#ssenglei#hheit (n#mlich Ff' = Ff) erreicht wird,
wird die Genauigkeit des Messfl#gelrades 30 von der Viskosit#t des Mediums im wesentlichen
unabzur la
In Fig. 8 ist die Wirkung des freien Fl#gelrades 110
auf das Messfl#gelrad 30 bei Synchronbedingungen durch Geschwindigkeitsdiagramme
in besug auf die Fl#gel 130 uns 152 der Fl#gelr#der schematisch veranschaulicht.
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Dis e Geschwindigkeit v1 ist die des in das frei Fl#gelrad eintretenden
Mediums, und es zei angenommen, dass diese vollst#ndig axial gerichtet und in der
im Zuzammenhang mit de@ Fl#gelrad-Durchflussmesser der Type I beschriebenen Weise
gleichf#rmig verteilt ist. Das im das freie Fl#gelrad 110 eintretende Medium hat
also eine Geschwindigkeit v1 und versetzt das frei Fl#gelrad 110 in eine Drehung
mit einer Winkelgeschwindigkeit @', sodass die Fl#gel 152 sich mit einer enteprechenden
Umfangegeschwindigkeit r'@' bewegen. Da das freie Fl#gelrtd 110 unter einer Widerstandskraft
Ff' steht, die von der Reibung des Mediums herr#hrt, erf#hrt die Anfangsgeschwindigkeit
v1 des eintretenden Mediums eine #nderung der Gr#sse und Richtung w#hrend des Durchgangs
durch das freie Fl#gelrad, sodass das Medium eine mit v2 bezeichnete Austrittageschwindigkeit
erreicht. #hnlich r bet der Untersuchung des Fl#gelrad-Durchflussmessers der Type
I hat diese Austrittageschwindigkeit v2 des das freie Fl#gelrad 110 verlassenden
Mediums eine tangentials Geschwindigkeitskomponente vt2' die den Schlupf des freien
Fl#gelrades infolge seiner Widerstandskr#fte direkt wiederspiegelt.
spiegelt.
Die Austrittageschwindigkeit v2 entspricht im wezentlichen der Eintrittagezchwindigkeit
v3 em Messfl#gelrad 90. die nicht nehr rein axial ist, send@@n @ine der Tangentialkomponente
vt2 der Austrittsgeschwindigkeit enteprechende Tangentialkomponente vt3 auf@@ist.
Die tangentials Geschwindigkeitskomponente vt3 ist in Gr#sse und Richtung gleich
der Tangentialkomponente vt2 der Austrittageschwindigkeit aus dem freien Fl#gelrad.
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Im das freie Fl#gelrad 110 von #hnlisher Kanntruktien ist @ie das
Messfl#gelrad 30, seine Fl#gel jedech in einer Richtung gezeigt sind, die der der
@eigung der Fl#gel des Messfl#gelrades entgegengezetzt ist. @#uft das Messfl#gelrad
30 mit einer Winkelgeschwindigkeit @ @@@, der@m Richtung der der Winkelgeschwindigkeit
@' das freien Fl#gelrades entgegengezetzt gerichtet ist.
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@@@@@ @@@@@@@@@@ auf Fig. @ ist zu bezerinen, dass des Medium das
Messfl#gelrad 30 mit einer absoluten Geschwindigkeit v4 veri#ezt die @@@@@@ @@@@
@@iel gerichtet ist.Im @@@@@@@@@ ist die Geschwindigkeit v4 reim axial. Im der Fre@ie
kann jedoch eine sehr geringf#gige Tangential-@@@@@@@@@@ v@@ @@@treten Aus den gezegten
geht hor@er, dass
dans die #nderung der Tangentialgeschwindigkeit
#vt, die dazu erforderlich ist, das Messfl#gelrad ansut"ibtn# bei dieser Ausf#hrungsform
der Erfindung nicht mehr durch eine Tangentialkomponente der AustrittageeohtfindigtEeit
aus dem hzaNülra vt4, zum Ausdruck gebracht wird, sondern vielmehr die #nderung
der Tangentialgeschwindigkeit zwischen der nicht axialen Geschwindigke v3 und der
rein axialen Geschwindigkeit v4 darstellt. Wenn also the die Tangentialkomponents
vt3 der Eintrittsgeschwindigkeit in das Messfl#gelrad von geeignoter GrSsee on erzeugt
sie die Antriebzkraft Fd,die zum #berwinden der Winderstandskr#fte Ff infolge der
auf das Messfl#gelrad 30 wirkenden Reibung des Mediums erforderlich ist, und die
Austrittsgeschwindigkeit v4 aus dem Messfl#gelrad ist jederzeit rein axial. Wenn
ausserdem die Tangentialkomponente vt3 der Eintrittageschwindigkeit in das Messfl#gelrad
30, entsprechend den auf das Messfl#gelrad 30 wirkenden Widerstandskr#ften Ff des
Mediums, ver#nderbar gemacht wird, ergibt sich bei dom Messfl#gelrad ein konstantes
Verh#ltnis der Fl#gelradgeschwindigkeit zum Mass des Durchflusses @Q.
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Um die Tangentialkomponente vt2 der Austrittsgeschwindigkeit aus dem
freien Fl#gelrad gen#gend gross zu machen, dass sie die Widerstandskr#fte des Mediums,
die auf das MM
Messfl#gelrad wirken, #berwindet, wird die Einrichtung
] Lftolzad ma Widerstandes verwendet.
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Der Haup Bea* su ist folgender: F#r Medien von shr hoher Viskosit#t
ist die Reynoldssche Zahl sehr niedrig, Bei sehr niedrigen Reynoldsschen Zahlen
hat das freie Fl#gelrad 110 einen gr#sseren Schlupf als das Messfl#gelrad 30, da
das letztere von dem ersteren unterst#tzt wird. De die Reibung des Mediums zur Drehgeschwindigkeit
des Fl#gelrades im wesentlichen proportional ist, ist die Reibung Ff des Mediums,
die auf das Messfl#gelrad wirkt, gr#sser als jene, Ff@, die auf das freie Fl#gelrad
wirkt, wenn die beiden Fl#gelr#der #hnlich sind und gleich grosse, dem viskosen
Widerstand ausgesetzte Fl#chen haben. Die Differenz der Reibungen des Mediums (Ff
- Ff@) kann dadurch weitgehend vermindert werden, dass das freie Fl#gelrad 110 eine
zus#tzliche, dem viskosen Viderstand ausgesetzte Fl#che von ge@gnetor Gr#sse erh#lt,
dlo d Gr#sse der, dem viskosen Widerstand ausgesctzten Fl#che am Messfl#gelrad #berschreitet,
und dies wird dK&are&erreichteda-es@in@susätsliehßdemi@
Kosen Widerstand ausgesetzte Fl#ch@ in der Form einer o 178 zum Erzeugen eines viskosen
Widerstandes nach der bereits gegehenen Beschreibung und nach Fig. 7 vorsicht. Die
erforderliche Gr#sse der zus#tzlichen, dem a tzten Fl#che, die durch die 12"0
Verwendung
der Widerstandstrommel 178 verf#gbar gemacht wird, wird dadurch erhalten, dass man
die Stellung des nicht drehbaren Bechergliedes 180 in bezug auf die umlaufende Trommel
178 des freien Fl#gelrades 110 in der Acherichtung einstellt. Infolgedessen gleicht
das freie Fl#gelrad nach Fig. 7 den Einfluss der Vis-Zahl(Bereichderlaainaea.SrBMasg)esleesi
Zahl (Bereich de laminaren Str#mung) als auch oberhalb der kritischen Reynoldsschen
Zahl aus Bin weiteres Ausf#hrungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 9 bis 11 dargestellt
ist, stimmt gr#sstenteils mit der in der amerikanischen Patentanmeldung Serial No.
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717 863 dargestellten Konstr#ktion #berein, Der dargedriaohea.Eintritielita>wa&NiH20'ai$%ßaliaia
darg piu aaagebildeemXeraeweNitt2aa&$i&-wa.Astit$< einem zylindrischen
Eintrittsleitungssbschnitt 20 mit stromlinien f#mmig ausgebildetem Kernabschnitt
22 und eizen Austrittsleitungsabschnitt 26 mit einem stromlinienf#rmig ausgobildeten
eexiel&ageordaer13gvelaafea<Sipm&St9 22 und 28 sind mittels unter gleichen
Winkeln gegeneinander koaxial angeordneter, l#ngeverlaufende@ Rippen 210 'r.C''ret*.,'t
sin Aatrieegetrieefreia.SNhIwrS&awKo&-ein Antriebsgetriebe f#r ein Z#hlwerk
32. Da diese Konstruktion, abgeschen von dem Fl#gelrad 214, z@t der in der amerikanischen
Anmeldung Serial No. 717 @@@ beschri eaaa.ayiattismbrwihiaS$@B$ah?&,
bung.
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Das Fl#gelrad 214 ist mit einer Anzahl von in der L#ngsrichtung stehenden
Fl#geln 216 mit einem Anstellwinkel von Hull Grad ausgestattet, die unter gleichen
Winkeln gegeneinander angesr@net sind und deren jeder mittels einer der von der
@abe 220 in der Mitte strahlenf@rmig ausgehenden Speichen 218 getragen ist. An einem
kreisringf#rmigen Eernabschnitt 230 in der @@he des Fl#gelrades 214 sind in der
Str#mungerichtung vor diesen mehroro feste Leitfl#gel 232 engeordnet, die in gleichen
@ege@@@st@@den ve@@@@@@der um die A@@@@ des Fl#gelrades 214 @@@@@ @@@@@@@sst sind
und @@@@@@ @@@@@@@@ sind, @@@@ @@@ @@@ @@@ Fi#gelrad @@gef#hrten Medium eine @@-@@@@@@@igkeit
im einer @@@@@lten @@@@@ung unter @eringster Wirtelbildung ertellen (fig. 11). Der
kreisring@@@mige @or@@bechnitt 230 ist @@@ fl#gelrad 214 koaxial zuischen der @@@@rem
@@@@ des stromlinienf#rnigen @erna@schnittes @@ und einem Ring 234 mit Elife von
Naschi@@@schr@@@@@ 236 @@@tiert. Auf diese @eise @@@@@@ das @@ @@@@@@@@ Medium im
der @@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@ 230 @@@ @@@ wird mittels der @@@@@@ Leisfl#gel im das
@@@@@@@@@ 214 @@ri@@@@@.
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@@@ @@@ Fig. 11 @@@@ @@@@, ist der @@@gelwiskel der @@@@@@@@@ @@@@@@
@@@ @@ Messfl@gelrades 214 in @@@@@ @@@ @@@ @@@@@@@@@@@ @ @@ der @@@@@@@@@@@@@ @eise
gleich @@@@@
@ull, Durch die Anordnung ortsfester Leitschaufeln
232 sm Richten der Str#mung vor dem Messfl#gelrad ergibt sich eine Tangentialkomponente
der Eintrittsgeschwinilskeit do* in XT Messfl#gelrad eintretenden Mediums. w bereits
in Eusammenhang mit der Untersuchung des Fl#gelrad-Durchflussmessers der Type I
erw#hnt, wirken die von der Reibung des Mediums an den Fl#geln des Fl#gelrades herr#hrenden
Widerstandskr#fte Ff entlang der Fl#che der Fl#gel. Aus str#mungsdynamischen Gr#nden
wu die Fl#gel einen Messger#tes der Type I einen auf die Axialrichtung bezogenen
Fl#gelwinkel @ in der Gr#ssenordnung von 20 bis 60#. Bei der Fl#gelkonstruktion
des Messger#tes der Type I haben die Widerstandslaft Ff infolge der Reibung des
Mediums, da sie entlang der Oberfl@ohen de Fl#gel wirken, eine wesentliais Komponente
(Ff ein @), die in tangentialer Richtung wirkt, der Drehung des Fl#gelrades Widerstand
leistet und einen Schlupf des Fl#gelrades herverruft.
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Bei dem Messfl#gelard mit einem Fl#gelwinkel von @ull Grad entsprechend
dem Ausf#hrungsbeispiel nach Fig. 9 tin 1 1 ist also die Tangentialkomponente der
Widerstandskraft Ff infolge der Reibung des Mediums daher auch @ull (Ff sin 0# =
0), und die gesamte Kraft Ff ma der Reibung des Mediums wird von dea reibungs-@r@@@
armen
Schublagern des Fl#gelrades aufgenommen. Da die infolge afgeaosms&eBi ung sarmen
nur ein sehr niedriger Koeffisient der Lagerreibung aur Fl #gel r#d ntw ße@iMBe&BBm
don Astreiben des Fl#gelrades 214 zit dem Fl#gelwinkel jazz de Dcg, den viskosen
Einfluss. weit weniger susgesetzt ist als Fl#gelr#der mit Fl#gelwinkeln von wesentlichen
Wert.
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Zum Astreiben des Fl#gelrades. 214 zit dem Fl#gelwinkel @ull sind
ertefeste str#mungerichtende Schaufeln 232 vor gesehen, die dem Medium sine tangentials
Gesehwindigkeitskengomonte erteilor, @@@@ @@ in des Fl#gelrad eintritt,sodass des
Fl#gelrad mit f#r eine genaue Messung @@@ch@baren Erchgesshwindigheiten angetrieben
wird.
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G sung @@@ch@baren Erchgesshwindigheiten angetrieben wird.
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Fig. 11 neigt die Schaufelprefilo der ertsfesten Leitschaufelm 232
und der Fi#gel des Fl#gelrades 214 mit einem fl#gelwinkel @ull. Des Medium tritt
in die ertsfesten Schsufeln eder den Leitschaufelkrans 232 mit einer Geschwindigkeit
v1 ein, die gleichmNesig vertoilt und rein @@@ w im st. D@@ ertsfeston Schaufeln
252 lenken @@um in wirksamer@ einer
einer Austrittsgeschwindigkeit
V2 mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente anstritt. Diese durch das Umlenken
herbeigef#hrte Geschwindigkeit V2 ist @@-und eich die Eintrittsgeschwindigkeit V3
in das Fl#gelrad und liefert die Antriebskraft sum Antrioben des Messflügelrades
214 mit einer Winkelgeschwindigkeit #, und die Fl#gel 216 bewegen sich mit einer
lin@@ren @@-schwindigkeit axial* ma dMttMd$w.NMM Austrittsgeschwindigkeit VR4 des
aus dem Fl#gelrad austretenden Mediums in besug auf die Fl#gel 216 das Fl#gelrades
axial. Die widerstandskraft Ff des Mediums, die entlang der Fl#che der Fl#gel wirkt,
#bt koi@@ der Drehrichtung des Fl#gelrades entgegenwirkends hammonds Kraft, sondern
lediglich einen erh#hten Schub auf die ittaouTwvonM&3.aieMßw$a.)) Durchflussmesser
der in der amerikanischen Anneldung dit Stwa<MB<!i&dßgMMMtiMMPtNtMd a.
s X wns Reynold sache Lahl be gene Gemenigkeitskurve von ebenem Verlauf nicht ergeben
@@@@, @@@@ die Str#mung in der #bergangesene oder in de@ bereich der laminaren Str#mung
(Fig. 3 und 4) liegt. We also Str#mungsmessungen von hoher Genauigkeit #ber einen
vern#nftigerweise zu fordernden Str#mungsabereich f#r Medium @@@ su'
von
hoher Viskosit#t gefordert werden, muss ein Fl#gelrad-Durchflussmesser der Type
I nach der Erfindung abgewandelt werden, wenn die auf die Reynoldssche Zahl beeegene
Genauigkeitskurve im Bereich der kritischen Reynoldsschen Zahl einen flachen Verlauf
haben soll.
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Re Erfindung seit praktische F#lle der Durchf#hrung dieser Abwandlung.
Fig. 1 und 2 zeigen die Verwendung einer Einrichtung zum Erseugen einer Verwirbelung,
durch die die kritische Reynoldssche Zahl des Mediums vermindert und somit der Bereich
der linearen Durchflussmessung erweitert wird. Im zweiten, in Fig. 5 dargestellten
Falle, ist eine Einrichtung zum Erzeugen eines regelbaren viskosen Widerstandes
am Messfl#gelrad vorgeschen, durch die ein geregelter viskoser Widerstand geschaffen
wird, um den Buckel der auf die Reynolds-» :shibeäeea@nSeaaikeitekurvezubsaiigander
von htt g ugen stand geschaffen wird, um den Buckel der auf die Reynolds sche Zahl
bezogenen Gensuigkeitekurve zu beseitigen,der von Natur aus bei Fl#gelrad-Durchflussmessern
der Type I auftritt. Im dritten Falle nach Fig. 7 ist die Verwendung einer Einrichtung
vergeschen, die dem Messfl#gelrad eine zus#tzliche Antriebskraft zur verf#gung stellt,
um den Einfluss des Widerstandes des Mediums an dem Messfl#gelrad zu #berwinden
und somit den von der Reibung des Mediums @m Messfl#gelrad herr#hrenden Fl#gelradschlupf
auf einon Mindestwert zu verringern, was wiederum zu elm
einer
#ussersten Verminderung des Einflusses der Viskosit#t des zu messenden Mediums f#hrt.
Im letzten Falle, der in dieser Beschreibung behandelt wurde und in fig. 9 bis 11
dargestellt ist, ist die Verwendung eines Fl#gelrades mit unter einem Fl#gelwinkel
von Null Grad in der L#ngerichtung liegenden Fl#geln vorgeschen. Bei dieser Konstruktion
ist die Tangentialkomponente des Profilwiderstandes Null, und es wird folglich auf
die Fl#gel des Fl#gelrades kein wirksamer Widerstand gegen die Drehung des fl#gelrades
von dem Einfluss der Reibung des Mediums ausge#bt.
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Patentanspr#che