DE1798391A1 - Fluegelraddurchflussmesser - Google Patents

Description

ROCKWELL MAKUPACTURING COMPANY
400 North Lexington Avenue

Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Flügelraddurchflussraesser

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ftügelraddurchflussmesser mit einem drehbar gelagerten Messflügelrad, welches durch das strömende Medium in Drehung versetzt wird und mit einem Umdrehungszählwerk gekoppelt ist.

Die Fehlerkurve eines Flügelraddurchflussmessers zeigt an, in welchem Bereich von Durchflussmengen die Messung innerhalb der zulässigen Fehlergrenzen erfolgt.Üblicherweise wird die Fehlerkurve dadurch erhalten, dass das Verhältnis «■ der Winkelgeschwindigkeit Odes Messflügelrads zu der Durchflussmenge Q auf der Ordinate, die Durchflussmenge Q auf der Abszisse aufgetragen worden. Bei einem idealen Durchflussmesser wäre diese Fehlerkurve eine parallel zur Abszissenachse verlaufende Gerade. In Wirklichkeit weist die Fehlerkurve Abweichungen von dieses idealen Verlauf auf, und das Gerät ist nur für Messungen in dem Bereich brauchbar, in dem diese Abweichungen innerhalb der vorgeschriebenen Fehlergrenzen liegen.

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Diese Nichlinearität zwischen Drehzahl und Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich daraus, dass das Messflüge1-rad Reibungswiderstände zu überwinden hat, die eine andere Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit zeigen als die entsprechende Antriebskraft, so dass die Differenz zwischen der tatsächlichen Drehzahl und der eines idealen kräftefreien Flügelrades, im folgenden mit Schlupf bezeichnet, nicht konstant ist.

Es sind verschiedene Massnähme η bekannt, um die Fehlerkurve von Flügelraddurchflussmessern zu begradigen und dadurch den Messbereich zu erweitern. Insbesondere sind Versuche unternommen worden, die Abnahme der Messgenauigkeit bei kleinen Durchflussmengen zu beseitigen. Zu diesem Zweck wird bei dem in der französischen Patentschrift 1 164 587 beschriebenen Durchflussmesser vor dem Messflügelrad ein frei laufendes !Compensationsflügelrad angeordnet, dessen Flügel entgegengesetzt zu denjenigen des Messflügelrads angestellt siod dadurch soll der Anströmwinkel am Messflügelrad vergrössert werden, damit die prozentual grösseren Reibungs- und Widerstandsmomente bei kleinen Drehzahlen ausgeglichen werden. Um möglichst gleiche Bedingungen am Messflügelrad und am Kompensationsflügelrad zu schaffen, wird die Drehung des Messflügelrads lichtelektrisch abgetastet.

Die Wirkung dieser Anordnung soll nach dem älteren Patent 1 120 165 dadurch verbessert werden, dass die Drehbewegung des Kompensationsflügelradee durch Widerstandsmittel abbremsbar ist, wobei die Widerstandsmittel vorzugsweise aus einer magnetischen Wirbelstrombremse bestehen.

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■Alle diese Massnahmen ergeben aber eine Begradigung äer Fehlerkurve jeweils nur für Strömungsmedien vergleichbarer Beschaffenheit,insbesondere gleicher Viskosität. Wenn der gleiche Flügelradmesser für Strömungsmedien anderer Viskosität verwendet werden soll, jpuss die Kompensation entsprechend berichtigt werden.

Es besteht aber ein Bedarf an Durchflussmesser^ mit denen Strömungsmedien sehr unterschiedlicher Viskosität (beispielsweise von 3 Gontistokes bis 1100 Contistokes) in einem grossen Bereich von Durchflussmengen (beispielsweise 1:5) mit hoher Genauigkeit (+ 0,1%) geraessen werden können, ohne dass hierzu Änderungen am Messgerät vorgenommen werden müssen. Diese Bedingungen bestehen zum Beispiel bei Pipelines, durch die Produkte sehr unter schiedlicher Viskosität gefördert werden.

Die Viskosität des zu messenden Strömungsmediums ist insbesondere für den Übergang von der laminaren zur turbulenten Strömung massgeblich. Als Mass hierfür wird üblicherweise die Reynoldssche Zahl verwendet, eine dimensionslose Zahl, die für den gleichen Durchflussmesser der Geschwindigkeit und Dichte des Strömungsmediums direkt und der Viskosität des Strömungsmediums umgekehrt proportional ist. Für jedes Strömungsmedium gibt es dann eine "kritische" Reynoldssche Zahl, bei der die laminare Strömung abreisst und turbulent wird. Wenn man die oben erwähnte Fehlerkurve ^ = F(Q) aufträgt, weist diese bei einer bestimmten Durchflussmenge einen ausgeprägten Hocker auf, der der kritischen Reynoldsschen Zahl entspricht. Nach unten hin fällt die Fehlerkurve steil ab; dies J3t der Bereich der laminaren Strömung, in der der Flügelraddurchflussmesser nicht arbeiten kann· Nach obeL hin schliesst eich ein Übergangsbereich an, la dem die Fehler-

■.«s-i

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kurve allmählich zu dem horizontalen geraden Verlauf hin abfällt,den sie im rein turbulenten Bereich hat.

Der Höcker der Fehlerkurve liegt natürlich für jedes Strömungsmedium bei einem anderen Wert der Durchflussmenge. Man würde also für jedes Strömungsmedium eine eigene Fehlerkurve erhalten. Wenn man über das Verhältnis W nicht als Funktion der Durchflussmenge Q, sondern als Funktion der Reynoldsschen Zahl Re aufträgt, erhält man für alle Strömungsmedien die gleiche Fehlerkurve, die nur noch vom Aufbau des Messgeräts, aber nicht mehr von der Viskosität oder den sonstigen Eigenschaften des zu messenden Strömungsmediums abhängt.

Auf Grund dieser Erscheinung erhält man mit dem gleichen Flügelraddurchflussmesser bei der Messung von Ströraungsraedien zunehmender Viskosität bei gleichen Durchflussmengen zunehmende Messfehler, so dass entweder der Messbereich entsprechend der grössten vorkommenden ViskcsL-tät stark eingeschränkt ist oder die Anzeige von der Viskosität abhängt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flügelraddurchflussmesser der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei welchem der lineare Messbereich, in welchem die Fehlerkurve annähernd horizontal verläuft, zu kleineren Reynoldsschen Zahlen hin erweitert ist.

Nach der Erfindung wird dies erreicht durch einen dem Messflügelrad vorgeschalteten feststehenden Leitschaufelkranz, dessen Leitschaufeln derart angestellt sind, dass sie dem strömenden Medium eine tangentiale Geschwindigkeitskompoaeate in der Drehrichtung des Messflügelrads erteilen.

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Bei dem nach der Erfindung ausgeführten Flügelraddurchflussmesser wird durch die Leitschaufeln auf das Messflügelrad ein zusätzliches , viskositätsabhängiges Drehmoment ausgeübt _x welches den durch die viskose Reibung des strömenden Mediums hervorgerufenen Schlupf kompensiert.

Eine vorteilhafte Ausgesteltung der Erfindung besteht darin, dass der Anstellwinkel der Flügel des Messflügelrads in Bezug auf dessen Drehachse O⁰ beträgt.

Diese Ausbildung ergibt den Vorteil, dass die Tangentialkoraponente der von der viskosen Reibung hervorgerufenen Widerstandskraft Null ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 ein Diagramm zur Darstellung des gesamten von der Reibung des Strömungsmediums verursachten Flügelradschlupfes in Abhängigkeit von der Reynoldsschen Zahl,

Fig.2 ein Diagramm zur Darstellung der Ferhlerkurve eines Flügelraddurchflussmessers in Abhängigkeit von der Reynoldsschen Zahl,

Fig.3 einen Längsschnitt durch einen Flügelraddurchflussmesser gemäsa der Erfindung,

Fig.4 eine schematische perspektivische Ansicht des Flügelraddurchflussmessers von Fig. 3 und

Fig.5 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Flügelraddurchflussmessers von Fig.3.

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Zum besseren Verständnis der folgenden Beschreibung sind in Fig.1 und 2 zwei Diagramme dargestellt, die das typische Verhalten eines Flügelraddurchflussmesser zeigen. Fig.1 stellt den durch die viskose Reibung des Strömungsmediums verursachten Schlupf des Flügelrades als Funktion der Reynoldsschen Zahl dar. In diesem Diagramm können drei Bereiche unterschieden werden:

Bei sehr kleinen Reynoldsschen Zahlen Re (d.h. bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten für ein gegebenes Medium) ist die Strömung laminar. In diesem Bereich ändert sich der Schlupf S^ entsprechend dem Ausdruck

^Sf ⁼ Se ■

bis zu einem Minimum, das bei der kritischen Reynoldsschen Zahl liegt, die zugleich die Grenaa dieses Bereichs bildet.

Bei grossen Reynoldsschen Zahlen Re ist der Schlupf konstant:

S_f = K,

da in diesem Bereich die Strömung vollkommen turbulent ist.

Zwischen diesen beiden Bereichen liegt eine Übergangszone, in der sich der Schlupf nach dem Ausdruck

■ ^bf ^β *■ " Se
ändert. ι

Fig.2 zeigt das Verhältnis * der Winkelgeschwindigkeit O des Messflügelrads zu der Durchflussmenge Q. Für einen idealen Durchflussmesser wäre aie Kurve für diesen Wert χ

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eine parallel zur Abszissenachse verlaufende Gerade; dann wäre im gesamten Messbereich die Drehzahl des Messflügelrads der Durchflussmenge genau proportional. In Wirklichkeit verringert sich der Wert *■£ um den in Pig.1 dargestellten Schlupf, und die diese Differenz

ν ι ¹O \ σ

Q — \ 5" 7 ~ ^ü-f

^ ideal

darstellende Kurve ist die Pehlerkurve des Plügelraddurchflussmessers.

Entsprechend dem Verlauf der Schlupfkurve weist diese Pehlerkurve drei verschiedene Bereiche auf: Der im Bereich grosser Reynöldsscher Zahlen liegende Abechnitt 54 verläuft im wesentlichen parallel zu der idealen Kurve, so dass in diesem Bereich eine genaue Messung möglich ist, weil die konstante Abweichung leicht berücksichtigt werden kann. Der in der Übergangszone liegende Abschnitt 52 steigt mit kleiner werdenden Reynoldsschen Zahlen allmählich an, und bei der kritischen Reynoldsschen Zahl besteht ein ausgeprägter Hocker 50, von dem aus die Pehlerkurve im Bereich der laminaren Strömung rasch abfällt.

Wenn die Kurven von Pig.1 und 2 in Abhängigkeit von der Strömungsmenge Q anstatt von der Reynoldsschen Zahl Re gezeichnet würden, erhielte man für verschiedene Strömungsmedien verschiedene.Kurven, deren Hocker an verschiedenen Stellen lägen, und zwar bei umso grösseren Strömungsmengen, je höher die Viskosität des Strömungsmediums ist. Dadurch, dass die Kurven auf die Reynoldssche Zahl bezogen sind, gilt die gleiche Kurve für alle Strömungsmedien.

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Die in Pig.2 gezeigte Fehlerkurve für Fltigelraddurchflussmesser wurde durch Versuchsergebnisse in vollem Umfang bestätigt. Für StröjDungsmedien von niedriger und mittlerer Viskosität, wie Luft, natürliche Gase, Benzin, Wasser, dünnflüssige Öle oder dgl., arbeitet ein Flügelraddurchflussmesser von angemessener Grosse (100 mm Durchmesser und darüber) für die praktisch bedeutsamen Durchflussmengeη hauptsächlich im ebenen Teil der Fehlerkurve. Im Falle von Strömungsraedien von hoher Viskosität jedoch fällt der Höcker gleich dem flachen Teil der Kurve in den Geltungsbereich der Fehlerkurve, und dies führt zu einerjziemlich hohen maximalen Abweichung.

Der in Fig.3 dargestellte Flügelraddurchflussmesser besteht aus einem in zwei Abschnitte 20, 26 unterteilten zylindrischen Rohr, in dem ein stromlinienförmig ausgebildeter Verdrängungskörper angeordnet ist, der gleichfalls in zwei Abschnitte 22, 28 unterteilt ist. Die Verdrängungskörperabschnitte 22 und 28 sind mittels in gleichmässigen Winkelabständen angeordneter längsverlaufender Rippen 210 bzw. 212 koaxial in dem zugehörigen Rohrabschnitt 20 bzw. 26 befestigt. Am hinteren Verdrängungskörperabschnitt 28 ist ein Messflügelrad 214 gelagert und über ein Getriebe mit einem Zählwerk 32 gekuppelt. Das Messflügelrad 214 ist mit einer Anzahl von in der Längsrichtung stehenden Flügeln 216 mit einem Anstellwinkel von 0° ausgestattet, die in gleichen Winkelabständen angeordnet und mittels strahlenförmig angebrachter Speichen 218 an einer Nabe 220 befestigt sind. An ebem kreisringförmigeη Verdrängungskörperabschnitt 230 in der Nähe des Messflügelrades 214 sind in der Strömungsrichtung vor diesen mehrere ortsfeste Leitschaufeln 232 angeordnet, die in gleichen Winkelabständen voneinander um die Achse des Messfitigelrades 214 herum angeordnet und derart gekrümmt sind,

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dass sie dem zu dem Messflügelrad strömenden Medium eine Geschwindigkeit in einer gewählten Richtung unter geringster Wirbelbildung erteilen (Fig.5). Der kreisringförmige Verdrängungskörperabschnitt 230 ist koaxial zum Messflügelrad 214 zwischen dem hinteren Ende des vorderen stromlinienförmigen Verdrängungskörperabschnitts 22 und einem Ring 234 mit Hilfe von Schrauben 236 befestigt, Auf diese Weise wird das in den kreisringförmigen Kanal 238 zwischen dem Verdiäagungskörperabschnitt 22 und dem Rohrabschnitt 20 strömende zu- measerle Medium von den feststehenden Leitschaufeln 232 auf die Flügel 216 des Messflügelrads 214 gerichtet.

Wie aus Fig.5 ersichtlich, beträgt der Anstellwinkel der einzelnen Flügel 216 des Messflügelrades 214 in bezug auf die Axialrichtung 0°.D_urch die Anordnung ortsfester Leitschaufel 232 zum Richten der Strömung vor dem Messflügelrad ergibt sich eine langentialkomponente der Eintrittsgeschwindigkeit des in das Messflügelrad eintretenden Mediums.Es ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, dass der in Fig.1 und 2 dargestellte Schlupf S_f praktisch ausschliesslich durch die von der viskosen Reibung des Mediums an den Flügeln des Messflügelrades erzeugten Widerstandskräfte F_f verursacht wird, denn die übrigen Widerstandskräfte (Lagerreibung, Lastmomeht des Zählwerks usw.) können sehr klein und vor allem ziemlich konstant gehalten werden, so dass sie die Fehlerkurve nicht beeinflussen.Die Widerstandskräfte F_f wirken entlang der Fläche der Flügel. Bei den üblichenftügelraddurchflussmessern haben die Flügel des Messflügelrads einen Anstellwinkel in der Grössenordnung von 20 bis 60°. Infolgedessen haben die entlang der Oberflächen der Flügel wirkenden Widerstandskräfte F- eine wesentliche Komponente (F_f sin ß), die in tangentialer Richtung wirkt, der Drehung des Flügelrades Widerstand leistet und einen Schlupf des Flügelrades hervorruft.

BAD ORIGfNAL

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- ίο - ·

Bei dem Messflügelrad mit dem Anstellwinkel 0° entsprechend dem Ausführungsbeispiel von fig.3 ist dagegen die Tangentialkomponente der Widerstandskraft F_f daher auch Null (3?_f sin 0° = O), und die gesamte von der viskosen Reibung des Mediums erzeugte Widerstandskraft 3?- wird τοα den reibungsaroen Schublagern des Messflügelrade3 aufgenommen. Diese von der Widerstandskraft 3?~ auf die reibungsarmen Lager ausgeübte Schubkraft verursacht aber nur ein sehr geringes Bremsmoment, da einerseits der Koeffizient der Lagerreibung sehr gering ist und andrerseits diese Reibungskraft an einem sehr kleinen Hebelarm wirkt. Der Anstellwinkel 0° führt also dazu, dass das Messflügelrad dem viskosen Einfluss weit weniger ausgesetzt ist als Messflügelräder mit Anstellwinkeln von wesentlichem Wert.

Damit dem Messflügelrad 214 mit dem Anstellwinkel 0° ein Antriebsmoment erteilt wird, sind die ortsfesten Leitschaufeln 232 vorgesehen, die dem strömenden Medium eine tangentiale Geschwindigkeitskoraponente erteilen, wenn es in das Messflügelrad eintritt, so dasa das Messflügelrad mit einer für eine genaue Messung annehmbaren Drehgeschwindigkeit angetrieben wird.

Pig.5 zeigt die Schaufelprofile der ortsfesten Leitschaufeln 232 und der Flügel des Messfitigelrades 214 mit dem Anstellwinkel O°.Das Medium tritt in die ortsfesten Leitschaufeln 232 mit einer Geschwindigkeit V₁ ein, die gleichmässig verteilt und rein axial 1st. Die ortsfesten Leitschaufeln 232 lenken das Median derart um, dass es mit einer Austrittsgeschwindigkeit Vg cait einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente austritt. Diese durch das Umlenken herbeigeführte Geschwindigkeit V₂

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ist zugleich die Eintrittsgeschwindigkeit V in das Messflügelrad und liefert das Drehmoment für den Antrieb des Messflügelrades 214 mit einer Winkelgeschwindigkeit^, bei der sich die Flügel 216 mit der Umfangsgeschwindigkeit r (O bewegen, Infolge dieser Konstruktion ist die Austrittsgeschwindigkeit V„- des aus dem Messflügelrad austretenden Mediums in bezug auf die Flügel 216 des Messflügelrads axial. Die Widerstandskraft F~ des Mediums, die entlang der Fläche der Flügel wirkt, übt keine der Drehrichtung des Messflügelrades entgegenwirkende hemmende Kraft, sondern lediglich einen erhöhten Schub auf die Flügelradlager aus.

Pate nta naprücLie

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Claims (2)

V/98391 Patentansprüche

1.J Flügelraädurchflussmesser mit einem drehbar gelagerten Messflügelrad, welches durch das strömende Medium in Drehung versetzt wird und mit einem Umdrehungszählwerk gekoppelt ist, gekennzeichnet durch einen dem Messflügelrad vorgeschalteten feststehenden leitschaufelkranz, dessen Leitschaufeln derart angestellt sind, dass sie dem strömenden Medium eine tangential Geschwindigkeitskomponente in der Drehrichtung des Messflügelrads erteilen.

2. Plügelraddurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Flügel des Messflügelrades in Bezug auf dessen Drehachse 0° beträgt.

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