DE1953199C3 - Gasströmungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasslrömungsmesscr zur Bestimmung der Durchfluß-Menge durch ein Rohr, mit einem Turbinenrad, mit einer Einrichtung zum Übertragen der Turbinendrehzahl auf einer Anzeigevorrichtung und mit einer Aufteilung der Strömung in zwei Teilströme in einem Hauplkanal und einem Scitenkanal mit unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit, deren Verteilung mittels eines von der Strömung beaufschlagten Ventils erfolgt und die beide auf das gleiche tangential angeströmte Turbinenrad einwirken.
Bei diesem bekannten Gasströmungsmesser wird der Hauptstrom in jedem Falle vor der Turbine abgezweigt und in einen Nebenkanal geleitet, der einen wesentlich geringeren Querschnitt aufweist als die Hauptleitung. Beide Ströme werden nahezu an der gleichen Stelle to tangential in die Turbine eingeleitet Falls die Strömungsmenge und damil der Strömungsdruck unter ein bestimmtes Niveau fällt, so wird nahezu das gesamte flüssige Strömungsmittel durch die Leitung geringeren Querschnitts geleitet, um dadurch eine Erhöhung der

Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen. Eine derartige Anlage eignet sich absolut nicht für die Messung einer Gasströmung. Dies lieg« nicht zuletzt auch daran, daß die Abzweigung des Nebenstromes vor der Turbine erfolgt und insofern sich auch das Steuerventil vor dem Eintritt des Hauptstromes in der Turbine befindet. Bei kompressiblen Medien, wie Gas, verursachen derartige Ventile, Schieber und Krümmer im Einlaufbereich zum Turbinenrad erhebliche Störungen im Strömungsverhalten, so daß eine Linearität über einen genügend

großen Druckflußbereich nicht zu erreichen ist. Ebenfalls erhöht diese Anordnung den Gesamtdruckverlust für einen Gasmesser so erheblich, aaß für einen weiten Anwendungsbereich, wie für d'e Gasmessung von Erdgas für Kleinverbraucher, dieses Gerät nicht brauchbar wäre.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gassirömungsmesserder eingangs genannten An derart wcilcr/iieniwickcln, daß über ein weites Spektrum der Durchflußmcnge des Gases bei möglichst ungestörtem Sirömungsverhallcn des Gases eine einwandfreie, ungestörte Messung der Durchfliißmenge möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Turbinenrad am Ende eines sich in Strömungsrichtung verengenden, eine Düse mit im wesentlichen viereckigen Düsenaustriusquerschnill bildenden Einlaufrohrcs angeordnet ist und von der aus der Düse austretenden Gcsamtströmung nur auf der einen Seite beaufschlagt wird, daß in .Strömungsrichtung hinter dem Turbinenrad vom Hauplkanal ein Seiicnkanal abzweigt, der /ur anderen Seite des Turbinenrades zurückgeführt ist und einen solchen düsenförmigen Auslauf am Umfang des Turbinenrades bildet, daß das Turbinenrad von dieser abgezweigten Nebenströmung nochmals mit höherer Geschwindigkeit auf seiner anderen Seite angeströmt wird, daß der .Seitenkanal danach in einen Rückführkanal mit wiederum entgegengesetzter Stro mungsrichtiing übergeht, der in den Hauplkanal hinter der Abzweigung des Seitcnkanals mündet, und daß zwischen der Abzweigung und der Einmündung des Scilcnkanals im Hauplkanal eine Stcuerklappe angeordnet ist, die von der Strömung im Hauplkanal betätigt ist und mit einer im Scitenkanal angeordneten Ventilklappe derart gekoppelt ist, daß diese bei voller

Öffnung der Stcuerklappe geschlossen und bei geschlossener Steuerklappc geöffnet ist.

Bei der Erfindung ist wesentlich, daß sich die Abzweigung und die Regclorgane hinter der Turbine befinden, so daß der Einlauf der Turbine im wescntlichen störungsfrei und druckvcrluslfrci arbeitet. Außerdem wird in jedem Fall die Turbine vom gesamten Hauptstrom angetrieben und erst hinter der Turbine vom Hauptstrom ein Nebenstrom abgezweigt, welcher

nochmals durch die Turbine geleitet wird, um insbesondere bei niedrigen Drehzahlen in gewünschter Weise auf das Turbinenrad einwirken zu können. Bei kleinen Durchflußmengen isl die Strömungsführung durch den unmittelbar hinler der Turbine befindlichen Seiten- und Rückführungskanal so kurz und strömungsgünstig gehalten, daß mit der Empfindlichkekserhöhung auch der Bereich der Linearität erweitert ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt to

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Strömungsmesser, und

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Strömungsmesser entlang der Linie A-A.

Als Ausführungsbeispiel ist ein Gasströmungsmesser für kleine Rohrdurchmesser gewählt, welcher mit einer elektronischen Abtastvorrichtung ausgerüstet ist.

Der Gasströmungsmesser setzt sich aus dem Hauptgehäuse I und dem Turbinenradgehäuse 11 zusammen. Das Hauptgehäuse I wird von einem Mittelgehäuse 1, welches einen viereckigen Querschnitt besitzt und an einer Längsseite offen ist, einem Einlaufrohr 2 und einem Auslaufrohr 3 gebildet. Der runde Durchflußquerschnitt des Einlaufrohres 2 verengt sich zu einem viereckigen Querschnitt der Venturi-Düse 4. Zwei gegenüberliegende Wandflächen dieser Venturi-Düse 4 werden einerseits durch die einstellbare Anstellfläche 5 und andererseits durch eine Seitenfläche des Venturi-Abschnittes 6 gebildet.

Dieser Venturi-Abschnitt 6 ist auswechselbar, so daß zum Beispiel der Veniuri-Abschniii 7 eingesetzt werden kann, welcher eine größere Scheitelhöhe besit/i und somit der Durchflußquerschnilt der Venluri-Düse 4 verkleinert wird. In Strömungsrichtung hinter dem engsten Durchflußquerschnill der Venturi-Düse 4 ist das Turbinenrad 8 dermaßen angeordnet, daß sich dessen Drehkreis seitlich der Symmetrielinie des Längsschnitts der Venturi-Düse 4 befindet, Eine Verliingerungslinie der Neigungslinio der Anstcllfläche 5 schneidet den Drehkreis des Turbinenrades 8. Das Turbinenrad 8 isl durch einen Drehkreis angedeulei. da der Einbau verschiedener Bauformen von Querstrom- und Tangontial-Turbinenrädcrn möglich ist.

In weiterem Abstand hinter dem Turbinenrad 8 ist im Hauptkanal die Hauptsleuerklappe 9 angeordnet. welche besonders bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten den llauptkanal an dieser Qucrschnitissielle vollständig schließen kann. Zwischen dem Turbinenrad 8 und der I lauplsicuerklappe 9 /v.'.-igt ein Seiienkanal 10 ab, in welchem die Strömung in Richtung auf das Turbinenrad 8 umgelenkt wird. Der .Seitcnkanal 10 besitzt einen düsenförmigen Auslauf 11 /tir Beschleunigung der Strömung und teilweisen Beaufschlagung des Turbinenrades 8. wobei eine Zwischenwand 12. zugleich eine Verlängerung einer Wand des düsenförmigen Auslaufs 11 bildend, dicht am Drehkreis des Turbinenrades 8 vorbeiführt. Der Seiienkanal 10 gehl nun in einen rückführenden Seiienkanal 13 über, welcher einen Eingang mil entgegengesetzter Krümmung besitzt und dessen eine Wand zugleich von der Zwischenwand 12 gebildet wird. Der Seitenkan:'! 13 läuft aus in den Hauptkanal in Strömungsricaung ninler der Abzweigung des Seitenkanals 10 und hinter der Hauptsteuerklappc 9. Im Auslauf des Scilcnkanals 13 ist eine Ventilklappe 14 eingebaut, welche besonders bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Hauptkanal den Seitenkanal an dieser Querschnittsstelle vollständig schließen kann. Der viereckige Durchflußquerschnitl des Hauptkanals, welcher noch an den Einbaustellen der Hauptsteuerklappe 9 und der Ventilklappe 14 besteht, geht allmählich in den mnden Durchfluljquerschnitt des Auslaufrohres 3 über.

Alle Steuerflächen haben Vorrichtungen, um die Einstcllgeschwindigkeit zu steuern oder diese in einer bestimmten Schwenkstellung festzuhalten. Als Beispiel ist die Stellschraube 15 für die Anstellfläche 5 gezeigt, mit der die Neigung der Anstellfläche 5 und somit der Grad der Beaufschlagung des Turbinenrades 8 einstellbar ist.

Das Turbinenradgehäuse II ist als eine auswechselbare Baueinheit ausgeführt, welche in das Mittelgehäuse 1 des Hauptgehäuses 1 eingesetzt werden kann. Dieses Turbinenradgehäuse 11 (Fig.2) besteht aus einer Grundplatte mit einer darunter angeordneten parallelen Platte, welche damit teilweise auch die Seitenwände für die Durchflußkanäle bilden. Zwischen diesen beiden Platten ist das Turbinenrad 8, der Venturi-Abschnitt 6, die Hauptsteuerklappe 9, die Ventilklappe 14 und die Anstellfläche 5 eingebaut. Die entsprechenden Wellen ragen durch Bohrungen in der Grundplatte. Die Welle 16 des Turbinenrades 8 besitzt ein Spitzenlager 17 und ein Spitzenlager 18, welches in der Lagerhalterung 19 angebracht ist. In der Grundplatte befindet sich eine größere Bohrung mit dem Verschluß-Deckel 20. welcher die <\usweehselbarkeit des Turbinenrades 8 erleichtert. In F i g. 2 ist die Achse 21 der Hauplstcuerk'appe 9 zu sehen, mit der Anordnung der Haltefeder 22. Ebenfalls ist die Rückholfeder 23 und Teil einer mechanischen Steuereinrichtung 24 an die anderen Achsen der Ventilklappe 14 und der Anstellfläche 5 zu sehen. Auf der Welle des Turbinenrades 8 ist der Geber 25 für die elektronische Abtastvorrichtung befestigt, welcher aus zwei sich gegenüberliegenden Metallteilen zusammengesetzt ist. Dicht am Drehkreis des Gebers 25 liegt der Eisenkern einer .Schwingspule 26 der elektronischen Abtastvorrichtung. Auf dem Gehäuseteil 27. welcher auf der Grundplatte des Turbinenradgchäuses Il aufgesetzt ist. befindet sich ein Abschlußcleckel 28.

Im Betrieb durchströmt das Gas das Einlaufrohr 2 und wird in der folgenden Venturi-Düse 4 beschleunigt. Die beschleunigte Strömung ist im wesentlichen über das Turbinenrad 8 hinweg gerichtet. Soinil beaufschlagt nur ein Teil der Gasströmung zu einem Teil das Turbinenrad 8, wobei durch günstige Auslegung der Venturi-Düse 4 und des Turbinenrades 8 genügend große Antriebskräfte erzeugt werden, um auch ein mechanisches Getriebe für Zählwerke anzutreiben. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten durchströmt das Gas den Bereich der Steuerflächen fast unbehindert und verläßt nach Oberleitung in das Auslaufrohr 3 den Gasslrömungsmesser.

Bei diesen Strömungsgeschwindigkeiten liegen die Hauptsleuerklappe 9 und die Ventilklappe 14 ungefähr parallel zur Strömungsrichtung im Hauptkanal. Die Drehstellung dieser Steuerflächen ist durch den Gleichgewichtszustand zwischen von der Strömung an diesen erzeugten Kräften und den Federkräften der eingestellten Rückholfeder bestimmt, wenn auch die Massen dieser Steuersysteme statisch ausgeglichen sind. Die von der Strömung auf diese Steuerflächen ausgeübten Kräfte sind bei höherer Strömungsgeschwindigkeit hauptsächlich die Folgen einer Slrömungsablenkung, während bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten hauptsächlich Staudrücke wirken. Bei geringer werdenden Durchflußmengen und kleineren auf die Hauptsteuerklappe 9 wirkenden Strömuneskräf-

ten wird diese zurückvcrsehwenkt und gibt einen kleineren Durchflußquerschnitt im Hauptkanal frei. Gleichzeitig wird bei mechanischer Anlenkung der Hauplslcuerklappe 9 mit der Ventilklappe 14, welche kleinere Abmessungen besitzt, diese ebenfalls zurückgedreht und der Durchflußquerschnitl im Auslauf des Rückführkanals vergrößert. Nun wird ein Teil der Gasströmung des Hauptkanals in den Seitenkanal 10 umgelenkt, so daß nach Durchströmung des düsenförmigen Auslaufs 11 das Turbinenrad 8 auf der anderen Radseite in derselben Drehrichtung wiederum beaufschlagt wird. Nach Arbeitsabgabe an das Turbinenrad 8 tritt das Gas in den Seilenkanal 13 ein, von dem ebenfalls die Gasströmung aufgenommen wird, welche entsteht, wenn ein Teil der Gasströmung im Hauptkanal hinler dem engsten Durchflußquerschnitt der Venluri-Düse 4 am Turbinenrad 8 sofort umgelenkt wird. Nach Durchströmung des Seitenkanals 13 tritt das Gas in den Hauptkanal wieder ein, wobei dieses, an der Ventilklappe 14 vorbeiströmend, auch eine Kraft auf diese ausübt. Diese ist gemäß der Anordnung der Ventilklappe 14 entgegengesetzt wirkend der Kraft, welche im Hauptkanal von der Gasströmung auf die Ventilklappe 14 ausgeübt wird.

Bei kleinen Durchflußmengen ist der Staudruck zu gering, um die Hauptsteuerklappe 9 zu bewegen, so daß der Hauptkanal an dieser Querschnittsstelle vollständig geschlossen ist. Die gesamte Gasströmung wird umgelenkt und durch den Seilenkanal 13 geleitet, wobei die Ventilklappe 14 weit geöffnet ist. Ein großer Anteil der kinetischen Energie der gesamten Gasströmung wird nun am Turbinenrad 8 mit einem erhöhten Wirkungsgrad umgesetzt, so daß die Drehzahl des Turbinenrades 8 gegenüber derjenigen zunimmt, welche bei einfacher Überströmung des Turbinenrades 8 ohne Umlenkung der Gasströmung und ohne Hauptsteuerklappc 9 erreicht wird. Die Empfindlichkeit des Gasslrömungsmessers kann weiterhin erhöht werden, so daß das Turbinenrad 8 bei möglichst kleinen Durchflußmengen in Drehung versetzt wird. Einerseits wird die !strömungsgeschwindigkeit in der Veniuri-Diise 4 durch Einsatz des Venluri-Abschnittes 7 erhöht, andererseits wird die Anstellfläche 5 derartig eingestellt, daß ein größerer Anteil des Turbinenrades 8 von der Gasströmung beaufschlagt wird. Die Grenzen für diese

ίο Maßnahmen sind dadurch gesetzt, daß der Druckverlust nicht zu hoch wird und im Bereich der hohen Durchflußmengen die Linearität erhalten werden kann. Die Einstellung und Eichung des Gasströmungsmessers erfolgt in zwei Stufen. Zuerst wird für kleine Durchflußniengen die Hauptsteucrklappc 9 in Zu-Stellung und die Ventilklappe 14 in Offen-Stellung gehalten und für einen annehmbaren Bereich der Durchflußmengen eine Linearität errreiehl, indem die günstigsten Einstellungsverhältnisse für die Vcnturi-Düse 4 und die Anstellfläche 5 gewählt werden. Dann werden bei höheren Durchflußmengen der Öffnungsbeginn der Hauptsteuerklappe 9, der Schließungsbeginn der Ventilklappe 14 und deren voneinander abhängigen weiteren Drehbewegungen festgelegt, indem die entsprechenden Rückholfederkräfte eingestellt werden und das günstigste Ablenkungsverhältnis zwischen den beiden Steuerflächen und somit der lineare Meßbereich erweitert wird.

Um die Drehbewegung des Turbinenroiors 8 nicht durch zusätzliche mechanische oder magnetische Kräfte zu belasten, wird in der Abtastvorrichtung ein hochfrequentes Feld der Schwingspule 26 durch den Geber 25 im Takt der Umdrehungen gedämpft, um einen modulierten hochfrequenten Wechselstrom zu erzeugen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gasströmungsmesser zur Bestimmung der Durchfluß-Menge durch ein Rohr, mit einem Turbinenrad, mit einer Einrichtung zum Übertragen der Turbinendrehzahl auf eine Anzeigevorrichtung und mit einer Aufteilung der Strömung in zwei Teilslröme in einem Hauptkanal und einem Seitenkanal mit unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit, deren Verteilung mittels eines von der Strömung beaufschlagten Ventils erfolgt und die beide auf das gleiche tangential angeströmte Turbinenrad einwirken, dadurch ^kennzeichnet, daß das Turbinenrad (8) am Ende eines sich in Strömungsrichtung verengenden, eine Düse (4) mit im wesentlichen viereckigen Düsenaustrittsquerschnitt bildenden Einlaufrohres (2) angeordnet ist und von der aus der Düse (4) austretenden Gesamtslrömung nur auf der einen Seite beaufschlagt wird, daß in Strömungsrichtung hinter dem Turbinenrad (8) vom Hauptkanal ein Seilenkanal (10) abzweigt, der zur anderen Seite des Turbinenrades (8) zurückgeführt ist und einen solchen düsenförmigen Auslauf (II) am Umfang des Turbinenrades (8) bildet, daß das Turbinenrad (8) von dieser abgezweigten Nebenströmung nochmals mit höherer Geschwindigkeit auf seiner anderen Seite angeströmt wird, daß der Seilcnkana! (10) danach in einen Rückfiihrkanal (13) mil wiederum entgegengesetzter Strömungsrichtung übergehl, der in den Hauptkanal hinter der Abzweigung des Scilcnkanals (10) mündet, und daß /wischen der Abzweigung und der Einmündung des Seitcnkanals (10, 13) im Hauptkanal eine Slcuerklappe (9) angeordnet ist, die von der Strömung im I lauptkanal betätigt ist und mit einer im Seiicnkanal (10, 13) angeordneten Ventil.klappe (14) derart gekoppelt ist, daß diese bei voller Öffnung der Sicucrklappe geschlossen und bei geschlossener Sleucrklappe geöffnet ist.

2.Gasslrömungsmesscr nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß die Venlilklappc (14) derart im Übergangsbereich zwischen dem Scitcnkan.il (10) und dem 1 lauptkanal angeordnet ist, daß sic im geschlossenen Zusland oarallcl zur 1 laupisiro mungsrichlung ausgerichtet ist.

3. Gasströmungsmesscr nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicucrklappe (9), die Vcntilklappe (14) und eine im Ilaupikanal in Slrömungsrichtung vor dem Turbinenrad (8) befindliche, den Düsenquerschnitt verengende Anstcllflächc (5) durch eine mechanische Steuereinrichtung (24) zumindest teilweise miteinander gekoppelt sind.

4. Gasströmungsmesscr nach einem der Ansprü ehe 1 bis 3, dadurch gekcnnzcichncl, daß der Seitenkanal (10) in .Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Turbinendrchkreis des Turbinenrades (8) beginnt.