DE19546214C2 - Vorrichtung zur Massendurchflußmessung - Google Patents
Vorrichtung zur MassendurchflußmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Massendurchflußmessung von gasförmigen oder
flüssigen Medien in einer vom Medium durchströmten, geschlossenen Strömungsleitung, wie
z. B. ein Ströhmungsrohr, wobei in der Strömungsleitung oder in einem der Strömungsleitung
zwischengeschalteten, vom Medienstrom durchströmten Gehäuse ein mit einer konstanten
Drehgeschwindigkeit rotierendes Drehelement angeordnet ist, wobei das Medium auf eine auf
dem Drehelement ausgebildeten, rotierenden Drehfläche stromaufwärts des Drehelements
zuströmt und stromabwärts von dieser abströmt, sodaß der Medienstrom zwischen der
stromaufwärts und der stromabwärts gelegenen Seite des Drehelements sich in einen ersten
und einen zweiten Stromanteil aufteilt und danach wieder zu einem einzigen Strom vereinigt,
wobei der erste Stromanteil in einem ersten Strömungskanal zwischen Drehfläche und Wand
der Strömungsleitung bzw. des Gehäuses strömt, in dem die Drehgeschwindigkeit vz der
Drehfläche zur Stromgeschwindigkeit vs gleich gerichtet ist und wobei der zweite
Stromanteil in einem zweiten Strömungskanal zwischen Drehfläche und Wand der
Strömungsleitung bzw. des Gehäuses strömt, in dem die Drehgeschwindigkeit vz der
Drehfläche zur Stromgeschwindigkeit vs entgegengesetzt gerichtet ist, und daß im ersten und
im zweiten Strömungskanal je eine Druckmeßstelle zum Ermitteln des Strömungsdruckes
vorgesehen ist.
Bekannte Vorrichtungen dieser Art bestehen üblicherweise aus schaufelradgetriebenen
Umdrehungszählern, die aufgrund ihrer mechanischen Trägheit relativ unempfindlich sind
und daher nur für sehr langsame Änderungen des Massendurchflusses aussagekräftige
Ergebnisse liefern. Ein weiterer Nachteil liegt in der relativ hohen Energieschwelle, die
überwunden werden muß, um die Rotorschaufeln in Gang zu setzen, sodaß diese
Vorrichtungen für niedrige Massenströme ungeeignet sind.
Die JP-A-4-22823 (Patent Abstracts of Japan P-1346, April 30, 1992 Vol. 16/No. 182)
offenbart ein Massendurchfluß-Meßgerät, welches den an einem in einer bewegten
Flüssigkeit rotierenden Zylinder auftretenden Magnus-Effekt ausnutzt. Die dabei am Zylinder
auftretende Querkraft wird mittels einer Dehnungsmeßvorrichtung gemessen, woraus bei
konstanter Zylinderdrehzahl die Durchflußgeschwindigkeit und die Dichte bestimmbar ist.
In Bergmann-Schaefer-Experimentalphysik Band I, ist auf Seite 355 bis 356 dazu das
strömungstechnische Prinzip und die Kutta-Joukowskische Formel für eine Anordnung eines
in einer bewegten Flüssigkeit rotierenden Zylinders erläutert. Die Geschwindigkeit der
Medienströmung wird durch die vom rotierenden Zylinder hervorgerufene
Zirkulationsströmung verändert. Sie wird auf der einen Seite vergrößert und auf der anderen
Seite verkleinert. Durch den dabei auftretenden Druckunterschied resultiert eine Querkraft
auf jede Längeneinheit des Zylinders senkrecht zur Parallelströmung, die umso größer ist, je
größer die Geschwindigkeit der ursprünglichen Parallelströmung ist.
Aus GB 2 254 145 A ist ein Durchflußmesser nach dem Magnus-Prinzip mit
einem Einlaßrohr und einem Auslaßrohr sowie einem in einer dazwischen liegen
den Erweiterung befindlichen angetriebenen Rotor bekannt, durch den ein erster
und ein zweiter Strömungskanal für den Durchfluß in und gegen die Drehrichtung
des Rotors gebildet werden. Ein erster und ein zweiter Druckwandler stehen mit
dem ersten bzw. zweiten Kanal in Verbindung und messen den Druckunterschied
in den beiden Kanälen. Die Rotordrehfläche weist äußere Pertubations-Rippen
auf, die die Strömung in den Strömungskanälen stören. Neben dem relativ großen
Raumbedarf für das im Strömungskanal auszubildende Gehäuse des Drehelemen
tes treten bei viskosen Medien und bei starken Schwankungen im Massendurch
fluß und bei geringem Massedurchfluß erhebliche Meßfehler auf, die den Einsatz
dieser Meßeinrichtungen einschränken.
Weitere Meßeinrichtungen zur Durchflußmessung eines strömenden Fluids unter
Verwendung eines rotierenden Drehelementes, durch das ein erster und ein
zweiter Strömungskanal in und gegen die Drehrichtung des Drehelementes gebil
det werden, sind aus DE 44 11 738 A1, GB 1 186 378 und US 4,565,092
bekannt. Auch bei diesen Lösungen wird der Massendurchfluß volumetrisch über
die in den Strömungskanälen entstehende Druckdifferenz gemessen. Die vorge
schlagenen Meßeinrichtungen besitzen daher die gleichen Nachteile wie vorste
hend beschrieben.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art anzugeben, mit der eine Massendurchflußmessung mit hoher Empfindlichkeit
und geringer Trägheit erreicht werden kann.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen sehr geringen Strömungswiderstand
und eine mechanisch stabile Form der Vorrichtung zu ermöglichen, um den
Medienstrom möglichst wenig zu beeinflussen bzw. Messungen auch unter
schwierigen äußeren Bedingungen durchzuführen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Abhängigkeit der Massen
durchflußmessung von der Viskosität des Medienstromes zu verringern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Massendurchfluß
messung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 25.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung macht sich das Magnus-Prinzip zunutze,
indem das rotierende Drehelement im Medienstrom so angeordnet ist, daß es von
diesem umspült wird. Auf diese Weise findet eine Messung des Massendurchflus
ses primär nicht volumetrisch, sondern gravimetrisch über eine Druckdifferenz
statt, die sehr empfindlich und genau gemessen werden kann. Änderungen
können dabei auch sehr rasch erfaßt werden. Das Ausgangssignal ist linear vom
Massenstrom und von der Rotationsgeschwindigkeit des Drehelements abhängig,
wobei durch die Anordnung ein geringer Strömungswiderstand im Medium selbst
erreichbar ist.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das rotierende
Drehelement als Drehzylinder mit einer Drehachse normal zur Strömungsleitungs
längsachse ausgebildet ist und daß die Drehfläche durch die Mantelfläche des
Drehzylinders gebildet ist.
Eine solche Ausbildung des Drehelements ist einfach herstellbar und erzeugt die
für die Messung erforderliche Druckifferenz in zuverlässiger Weise auch bei star
ken Schwankungen des Massendurchflusses oder geringem Massendurchfluß.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die
Strömungsleitung im Bereich des Drehelements um dieses symmetrisch erweitert
ist, so daß der erste und der zweite Strömungskanal gleiche Abmessungen aufwei
sen.
Dadurch kann je ein Kanal mit einer Drehbewegung des Drehelements in und gegen die
Strömungsrichtung geschaffen werden, wobei beide Kanäle die gleichen Bedingungen und
die gleiche Angriffsfläche des Medienstromes auf dem Drehelement aufweisen. Die
Erweiterung der Strömungsleitung und somit die Aufteilung und Umleitung des
Medienstromes hat den Vorteil, daß die Rotation des Drehelements in effizienter Weise auf
die Strömungsgeschwindigkeit der Strömung einwirken kann, da die Strömungskanäle um
das Drehelement herum angeordnet sind.
Weiters kann vorgesehen sein, daß die Druckmeßstellen einander gegenüberliegen und die
Verbindungslinie zwischen diesen senkrecht zur Strömungsleitungslängsachse verläuft.
Dadurch ist eine symmetrische Ausrichtung dieser Druckmeßstellen gegenüber der
Strömungsrichtung gegeben, sodaß der Meßfehler gering gehalten werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß die Zuleitung des
Mediums auf die Drehfläche in einem ersten, stromaufwärts angeordneten Sektor des
rotierenden Drehelements und die Ableitung des Mediums von der Drehfläche in einem
zweiten, stromabwärts angeordneten Sektor des rotierenden Drehelements erfolgt.
Dadurch kann ein gleichverteiltes Umspülen des Drehelements erreicht werden, ohne daß
Asymmetrien in der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung auf das Ergebnis verfälschend
wirken.
Gemäß einer anderen Variante der Erfindung kann die Drehfläche des Drehelements mit quer
zur Strömungsrichtung verlaufenden Rippen versehen sein.
Durch diese Rippen kann eine verbesserte Mitnahme des Medienstromes bewirkt werden,
sodaß eine möglicherweise auftretende Schichtung des Mediums und eine damit verbundene
Meßverfälschung verhindert werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß im ersten bzw. im
zweiten Strömungskanal das Verhältnis von Drehfläche des Drehelements zur Fläche der der
Drehfläche gegenüberliegenden Wand der Strömungsleitung bzw. des Gehäuses im
Strömungskanal größer als zehn ist.
Da das Strömungsprofil der Rotationsströmung in erster Linie vom Grenzschichtverhalten am
Drehelement bestimmt wird, hat die Viskosität des Mediums einen sehr großen Einfluß. Die
Geschwindigkeit der Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe des Drehelements wird durch dessen
Rotationsgeschwindigkeit bestimmt, während diese an der gegenüberliegenden Wand
praktisch keine Wirkung auf die Medienströmung ausübt. Wird daher der Anteil der sich
drehenden Fläche in diesem Verhältnis gewählt, ergibt sich nur ein geringer Anteil an
unbeeinflußter Strömung.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Drehelement als
Drehzylinder mit einer um die Drehachse symmetrischen, ringförmigen Nut, deren offene
Stirnfläche auf einer der beiden Deckflächen des Drehzylinders verläuft, ausgebildet ist und
die Drehfläche durch die Innenfläche der symmetrischen Nut gebildet ist und daß die offene
Stirnfläche der Nut der Gehäusewand gegenüberliegt, wobei die Strömungskanäle im
wesentlichen in dem Teil des Raumes zwischen Nutinnenfläche und der Gehäusewand
verlaufen, der nicht der Zu- bzw. Ableitung von Medium dient.
Dadurch läßt sich die Größe der Drehfläche gegenüber der feststehenden Gehäusewand stark
erhöhen, sodaß der Medienstrom in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu einem sehr
großen Anteil nur mit der rotierenden Drehfläche in Berührung kommt und damit besser von
dieser mitgenommen werden kann. Es ergibt sich eine höhere Durchschnittsgeschwindigkeit
und demzufolge ein höheres Meßsignal. Die Meßgenauigkeit wird dabei erhöht und der
Einfluß der Medienviskosität stark herabgesetzt.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, daß die Nut
parallel zur Drehachse verläuft und das Verhältnis der Tiefe der Nut zur Breite der Nut im
Bereich von fünf bis zehn ist.
Durch eine solche Dimensioniserung einer relativ schmalen Nut gelingt es, eine große
Drehfläche bei sehr geringem Strömungskanalvolumen zu erreichen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es sein, daß das Strömungsmedium
stirnseitig und in Richtung parallel zur Drehachse des Drehzylinders stromaufwärts in die Nut
einströmt und in entgegengesetzter Richtung stromabwärts aus dieser wieder ausströmt, und
daß zwischen Zu- und Ableitung der Medienstrom sich in zwei gleich große Stromanteile auf
die Strömungskanäle aufteilt und danach wieder vereinigt.
Durch die stirnseitige Zu- und Ableitung des Medienstromes kann sich dieser in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einfache Weise symmetrisch aufteilen, sodaß für die
Mit- und die Gegenbewegung des Drehelements gleiche Stromanteile zur Verfügung stehen
und damit die Voraussetzung für eine Messung mit geringem Meßfehler gegeben ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann sein, daß die Seitenwände der ringförmigen Nut
Rippen aufweisen.
Durch die Verrippung der Seitenwände kann eine wesentliche Verbesserung des
Geschwindigkeitsschlupfes zwischen sich bewegender Drehfläche und feststehender
Gehäusewand erzielt werden.
Weiters können die Rippen durch parallel zu den Seitenwänden der Nut verlaufende
Erweiterungsbohrungen gebildet sein, die entlang der Umfangslinie der ringförmigen Nut
aneinandergereiht sind.
Auf diese Weise kann die durch die Verrippung erwünschte Durchmischung des Mediums
sehr wirkungsvoll erreicht werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das vom Medienstrom
durchströmte Gehäuse einen Deckel aufweist und dosenförmig ausgebildet ist, daß in der
durch den Deckel verlaufenden Symmetrieachse des Gehäuses die Drehwelle des
Drehzylinders mit der symmetrischen, ringförmigen Nut angeordnet ist, daß über eine parallel
zur Drehwelle durch den Gehäusedeckel verlaufende Zuleitung das Medium an einer Stelle
des Nutumfangs stirnseitig in die Nut des rotierenden Drehzylinders einströmt und einer am
Nutumfang gegenüberliegenden Stelle über eine Ableitung stirnseitig aus der Nut ausströmt.
Dadurch kann das Drehelement mit einer sehr großen Drehfläche ausgestattet werden, ohne
daß die Vorrichtung dabei sehr viel Platz beansprucht. Auch die einfache
fertigungstechnische Gestaltung dieser Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung bietet sehr viel Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Meßvorrichtung. So
können die meisten benötigten Teile als einfache Drehteile ausgeführt werden.
Dabei kann weiters vorgesehen sein, daß die ringförmige Nut im Drehzylinder durch einen
mit einer Labyrinthdichtung versehenen Ring des Gehäusedeckels, der in einen Ansatz des
Drehzylinders eingreift, gegenüber der Außenseite des im Gehäuse rotierenden Drehzylinders
gedichtet ist.
Dadurch ist eine Dichtung zwischen bewegten und feststehenden Teilen der Vorrichtung
möglich, die eine Drehbewegung des Drehelements zuläßt.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der verbleibende Raum
zwischen Außenseite des Drehzylinders und Gehäuse als strömungstoter Raum geflutet ist.
Durch die Flutung des Totvolumens können auftretende Dichtungsprobleme umgangen
werden und die Wärmeübertragung der Reibungswärme, die zwangläufig durch den Antrieb
des Zylinders entsteht, verbessert werden.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn an der Außenseite des Drehzylinders ringförmige
symmetrische Absätze ausgenommen sind, die vom Strömungsmedium geflutet sind.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß die Zuleitung und die
Ableitung für den Medienstrom über kreissegmentartige Schlitze im Gehäusedeckel erfolgt,
die längssymmetrisch angeordnet sind.
Diese Schlitze sind dem Querschnitt des zylindrischen Drehelements angepaßt und sind daher
strömungstechnisch sehr günstig angeordnet, sodaß eine starke Wirbelbildung bei der Zu- und
Ableitung verhindert werden kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann sein, daß Druckmeßstellen im Gehäusedeckel
vorgesehen sind, die in direkter Verbindung mit dem ersten und zweiten Strömungskanal
stehen und deren Verbindungslinie auf der Symmetrieebene der kreissegmentartigen Schlitze
liegen.
Eine solche Anordnung gestattet eine strömungstechnisch günstige Messung des auftretenden
Druckunterschieds, wodurch Meßbeeinflussungen beispielsweise durch Unsymmetrien oder
Wirbelbildungen herabgesetzt werden können.
Weiters kann vorgesehen sein, daß die Ableitung und die Zuleitung für den Medienstrom
durch einen Quader mit zylindrischem Ansatz und eine durch diesen verlaufende
Sackbohrung sowie mit einer die Sackbohrung durchdringenden, den Schlitzen
entsprechenden segmentförmigen Ausfräsung gebildet ist.
Auf diese Weise kann eine strömungstechnisch vorteilhafte Ein- bzw. Ableitung des
Medienstromes aus bzw. in eine Rohrleitung vorgenommen werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Antrieb des
rotierenden Drehelements durch eine zentrale Welle erfolgen.
Auf diese Weise kann der Antrieb des Drehelements mit einfach realisierbaren mechanischen
Mitteln durchgeführt werden. Für eine drehdichte Verbindung durch das Gehäuse der
erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dabei gesorgt sein, indem die Antriebswelle über eine
Drehdichtung aus der Strömungsleitung bzw. aus dem Gehäuse geführt ist, sodaß kein
Medium austreten kann und Druckdichtheit gewährleistet ist.
Weiters kann es für eine möglichst störungsfreie Ankoppelung des Antriebes vorteilhaft sein,
wenn der Antrieb des rotierenden Drehelements durch eine auf dem Drehelement und auf der
Außenseite der Strömungsleitung bzw. des Gehäuses angeordneten Magnetkupplung erfolgt.
Dadurch ist ein Dichtungsabschluß für das Medium gegenüber der Antriebswelle nicht
erforderlich, sodaß auch gefährliche Medien einer Messung unterzogen werden können.
Nach einer anderen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Antrieb des
rotierenden Drehelements durch einen im Drehelement integrierten Motor erfolgt, wobei auf
dem um eine zentrale Welle rotierenden Drehelement ein dauermagnetischer Ring als
Permanentfeld symmetrisch zur Drehachse des Drehelements angeordnet ist und die
Motorwicklung außerhalb des Gehäuses symmetrisch um den dauermagnetischen Ring
angebracht ist.
Dadurch ist eine sehr genaue Drehzahlregelung möglich, ohne daß es einer mechanischen
Zuleitung bedarf. Eine besonders genaue Umdrehungszahlfestlegung kann erreicht werden,
indem der Motor ein Schrittmotor ist.
Weiters kann eine Ausgestaltung der Erfindung darin bestehen, daß die Drehfläche einen
Hohlraum im rotierenden Drehelement begrenzt, welcher Hohlraum an zumindest einer Seite
gegenüber der Wand der Strömungsleitung bzw. des Gehäuses geöffnet ist.
Dadurch ist es möglich, den Medienstrom in den Hohlraum zu- und abzuleiten und dabei
entsprechend der Wahl des Verhältnisses von Hohlrauminnenfläche und Fläche der offenen
Seite, den Einfluß der Viskosität des Medienstromes auf das Meßergebnis zu minimieren, da
aufgrund der großen Drehfläche der Medienstrom sehr gut mitgenommen werden kann.
Durch den inneren Hohlraum ist eine sehr gute Nutzung des zur Verfügung stehenden
Raumes für eine möglichst große Ausbildung der Drehfläche möglich.
Dabei ist eine mechanisch besonders stabile Vorrichtung erzielbar, wenn die Drehachse des
rotierenden Drehelements normal zu der durch die offene Seite des Hohlraumes gebildeten
Ebene verläuft.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann darin bestehen, daß die Strömungszu- bzw.
-ableitung an gegenüberliegenden Punkten bezüglich der Drehachse des rotierenden
Drehelements angeordnet sind und die Strömungszuleitung bzw. die Strömungsableitung in
Richtung parallel zur Drehachse erfolgt.
Dies ergibt eine Zu- und Ableitung in strömungstechnisch günstiger Weise, da dadurch der
Strömungswiderstand klein gehalten wird.
Als weitere Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Druckmeßstellen jeweils
an gegenüberliegenden Punkten bezüglich der Drehachse und um jeweils 90° zu der
Strömungszu- bzw. -ableitung angeordnet sind. Dadurch wird die Druckdifferenzmessung
jeweils in der Mitte zwischen Zu- und Ableitung durchgeführt und ist daher am wenigsten
von entstehenden Strömungswirbeln beeinflußt.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Seitenwände der Nut an
einer oder mehreren Stellen mit einem den Nutquerschnitt zum Teil bedeckenden Steg
verbunden sind, wobei zwischen der Stirnseite der Nut und dem Steg ein Spalt und im
Bereich des Nutgrundes ein größerer Querschnittsteil freigestellt ist.
Dies ergibt eine mechanisch besonders stabile Art einer Verrippung. Diese hat den Vorteil,
daß das Medium im Strömungskanal auch an der Stirnseite annähernd die volle
Drehgeschwindigkeit aufweist und somit insgesamt eine durchschnittliche
Strömungsgeschwindigkeit von fast der Drehgeschwindigkeit über den gesamten Querschnitt
des Strömungskanals erreicht wird, obwohl der Steg diesen nur zum Teil abdeckt. Neben
einem größeren Meßsignal hat dies auch den Vorteil, daß der Einfluß der Viskosität des
Mediums wesentlich verringert wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung des
Massendurchflusses eines Mediums anzugeben, welches für Medienströme mit niedriger
Bewegungsenergie durchführbar ist und mit dem eine hohe Meßgenauigkeit und eine hohe
Meßempfindlichkeit erzielbar ist.
Dies wird bei einem vorstehend genannten Verfahren unter Anwendung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der Medienstrom in zwei gleich große Stromanteile
aufgeteilt wird und gleichzeitig ein Stromanteil über ein Drehelement mit der
Drehgeschwindigkeit vz beschleunigt und der andere Stromanteil über ein Drehelement mit
der Drehgeschwindigkeit -vz verzögert wird und die beiden Stromanteile wieder vereint
werden, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Druckdifferenz Δp zwischen dem
beschleunigten und dem verzögerten Stromanteil gemessen wird und der Massendurchfluß
ρvS über die Beziehung
ρvs = Δp/Kvz
ρvs = Δp/Kvz
errechnet wird, wobei K eine Kalibrierkonstante ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen eingehend erläutert. Es zeigt dabei:
Fig. 1, 2a und 2b Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt;
Fig. 2c eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 2b
Fig. 3a ein Detail eines erfindungsgemäßen Drehelements;
Fig. 3b und 3c ein Detail eines weiteren erfindungsgemäßen Drehelements im Auf- und
Seitenriß;
Fig. 4 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 6 eine Seitenansicht eines Ansatzstückes für eine erfindungsgemäße Vorichtung und
Fig. 7 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Massendurchflußmessung ist für gasförmige oder
flüssige Medien in einer von einem solchen Medium durchströmten, geschlossenen
Strömungsleitung 1, wie z. B. einem Strömungsrohr geeignet. Erfindungsgemäß ist in der
Strömungsleitung 1 ein mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit rotierendes Drehelement 2
angeordnet, wobei das Medium auf eine auf dem Drehelement 2 ausgebildeten, rotierenden
Drehfläche 3 stromaufwärts des Drehelements 2 zuströmt und stromabwärts von dieser
abströmt, sodaß der Medienstrom zwischen der stromaufwärts und der stromabwärts
gelegenen Seite des Drehelements 2 sich in einen ersten und einen zweiten Stromanteil
aufteilt und danach wieder zu einem einzigen Strom vereinigt, wobei der erste Stromanteil in
einem ersten Strömungskanal 4 zwischen Drehfläche 3 und Wand der Strömungsleitung 1
strömt, in dem die Drehgeschwindigkeit vz der Drehfläche 3 zur Stromgeschwindigkeit vs
gleich gerichtet ist und wobei der zweite Stromanteil in einem zweiten Strömungskanal 5
zwischen Drehfläche 3 und Wand der Strömungsleitung strömt, in dem die
Drehgeschwindigkeit vz der Drehfläche 3 zur Stromgeschwindigkeit vs entgegengesetzt
gerichtet ist. Im ersten 4 und im zweiten Strömungskanal 5 ist je eine Druckmeßstelle 6 bzw.
7 zum Ermitteln des Strömungsdruckes vorgesehen.
Das rotierende Drehelement ist in Fig. 1 als Drehzylinder 2 mit einer Drehachse normal zur
Strömungsleitungslängsachse ausgebildet, sodaß die Drehfläche 3 durch die Mantelfläche des
Drehzylinders 2 gebildet ist. Das Drehelement kann aber auch in jeder beliebigen anderen
geometrischen Form ausgeführt sein. Zur Aufnahme des rotierenden Drehelements ist die
Strömungsleitung 1 im Bereich des Drehelements 2 um dieses symmetrisch erweitert, sodaß
der erste und der zweite Strömungskanal 4, 5 jeweils gleiche Abmessungen aufweisen. Es
liegt aber innerhalb des Rahmens der Erfindung die Abmessungen auch verschieden groß
festzulegen. Die Druckmeßstellen 6, 7 liegen einander gegenüber und die Verbindungslinie
zwischen diesen verläuft senkrecht zur Strömungsleitungslängsachse. Die Zuleitung des
Mediums auf die Drehfläche 3 erfolgt in einem ersten, stromaufwärts angeordneten Sektor
des rotierenden Drehelements 2 und die Ableitung des Mediums von der Drehfläche 3 in
einem zweiten, stromabwärts angeordneten Sektor des rotierenden Drehelements 2. Zur
besseren Mitnahme des Mediums durch das rotierende Drehelement kann die Drehfläche 3
des Drehelements 2 mit quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Rippen versehen sein.
Der erfindungsgemäße Vorrichtung bildet einen Durchflußsensor für flüssige und gasförmige
Medien, liefert ein lineares Ausgangssignal und mißt primär nicht volumetrisch sondern
gravimetrisch, was bei vielen Meßaufgaben gewünscht wird. Die Mechanik für diesen Sensor
stellt eine kleine kompakte Einheit dar und ist daher beispielsweise für den Einbau in ein
Fahrzeug geeignet. Der Meßbereich kann gesteuert werden, es ist somit ein sehr großer
Meßbereich erreichbar. Weiters kann eine hohe Meßfrequenz und ein geringer
Strömungswiderstand erreicht werden. Die Massenstrommessung wird auf eine
Druckmessung zurückgeführt. Das in der Erfindung verwendete Grundprinzip beruht auf dem
Magnus-Effekt, welches zur Veranschaulichung im folgenden unter Zuhilfenahme von Fig. 1
erklärt wird.
Ein Drehzylinder rotiert in der Strömung vs mit der Geschwindigkeit vz und erzeugt in den
Kanälen 4 und 5 zwischen Drehzylinder 2 und Gehäuse- bzw. Leitungswand die
Geschwindigkeiten
v1 = vz* + vs*
v1 = vz* - vs*
vs . . . . zu messende Strömungsgeschwindigkeit
vs* . . . Strömungsgeschwindigkeit an der Meßstelle
vz . . . Oberflächendrehgeschwindigkeit des Drehzylinders
vZ* . . . Rotationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
vs* . . . Strömungsgeschwindigkeit an der Meßstelle
vz . . . Oberflächendrehgeschwindigkeit des Drehzylinders
vZ* . . . Rotationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
Nach Bernoulli gilt:
p1 + ρgh1 + 1/2ρv1 2 = p2 + ρgh2 + 1/2ρv2 2
wobei p der Druck, g die Erdbeschleunigung, h die Höhe und ρ die Dichte des Mediums sind.
Da hier h1 = h2 gilt, ergibt sich
p1 + 1/2ρv1 2 = p2 + 1/2ρv2 2
Der Druckunterschied ist
Δp = p1 - p2 = 1/2ρ(v1 2 - v2 2) =
= 1/2ρ[(vz* + vs*)2 - (vz* - vs*)2] =
= 2ρvs*vz*
wobei ρvs der Massenstrom ist.
Das Ergebnis zeigt, daß das Meßsignal proportional zum Massenstrom und zur
Rotationsgeschwindigkeit ist, da
vs* proportional zu vs und vz* proportional zu vz ist. Daraus folgt, daß das Meßergebnis proportional zum Massenstrom und zur Rotationsgeschwindigkeit ist.
vs* proportional zu vs und vz* proportional zu vz ist. Daraus folgt, daß das Meßergebnis proportional zum Massenstrom und zur Rotationsgeschwindigkeit ist.
Die Strömungsgeschwindigkeit vs* wird durch das Verhältnis der Querschnitte bestimmt:
vs* = A/A* vs
Eine Querschnittsverengung um z. B. den Faktor 2 bringt eine Vergrößerung des Meßsignals
um den gleichen Wert.
Die Rotationsgeschwindigkeit vr stellt die punktuelle, vz* die mittlere
Rotationsgeschwindigkeit im Kanal zwischen Gehäusewand und Drehzylinder an der Stelle
p1 bzw. p2 dar.
Oberfläche des Drehzylinders:
vr = vz
Oberfläche Strömungskanal:
vr = 0
Das einfache Grundprinzip ist daher indirekt von der Viskosität des Mediums abhängig. Das
Strömungsprofil der Rotationsströmung wird in erster Linie vom Grenzschichtverhalten am
Drehzylinder bestimmt. Eine dickere Grenzschicht, bedingt durch ein zäheres Medium, hat
eine höhere mittlere Rotationsgeschwindigkeit zur Folge. Dies bedeutet, daß bei diesem
einfachen Grundmodell die Viskosität der Flüssigkeit einen sehr großen Einfluß hat.
Außerdem muß noch negativ vermerkt werden, daß vz* um ein Vielfaches kleiner ist als vz
und dadurch die Empfindlichkeit des Meßsignals um den gleichen Faktor verringert wird.
Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Prinzips kann erreicht werden, indem
versucht wird, den Schlupf vz-vz* zu minimieren. Unter der Annahme, die Gehäusewand
bewege sich mit, ergibt sich:
Oberfläche Drehzylinder:
Oberfläche Drehzylinder:
vr = vz
Oberfläche Gehäusewand:
vr ≈ vz
Aufgrund des größeren Radius an der Gehäusewand wird hier sogar eine geringfügig größere
Oberflächengeschwindigkeit als auf der Zylindertrommel erreicht. Eine sich bewegende
Gehäusewand ist tatsächlich realisierbar, wenn der Drehzylinder mit einer Nut 13 ausgeführt
wird und Zufluß, Abfluß sowie die beiden Druckentnahmestellen achsial in diese Nut geführt
werden (Fig. 2a, 2b, 2c). Die Geometrie eines solchen rotierenden Strömungskanals erlaubt es
nun, daß dieser auf drei Seiten, der Innen- und Außenseite, sowie der Rückseite, die fast
gleiche Geschwindigkeit wie das mitrotierende Medium aufweist. Es hat nur mehr die
restliche Stirnseite die Oberflächengeschwindigkeit Null, da sich hier die Abdichtung
befindet. Um auch diesen Einfluß möglichst klein zu halten, wird das Verhältnis von Länge
zu Breite des Nutquerschnitts relativ groß gewählt, vorzugsweise 5 bis 10 : 1. Die
Mindestbreite ergibt sich dabei aus dem notwendigen Querschnitt des Zu- und Abflusses
(Fig. 2a, 2b, 2c).
Allgemein ausgedrückt läßt sich eine Verbesserung der Viskositätsbeeinflussung erreichen,
wenn im ersten 4 bzw. im zweiten 5 Strömungskanal das Verhältnis von Drehfläche 3 des
Drehelements 2 zur Fläche der der Drehfläche 3 gegenüberliegenden Wand der
Strömungsleitung 1 im Strömungskanal 4, 5 sehr groß, vorzugsweise größer als zehn ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche in Fig. 2b und 2c
dargestellt ist, ist das Drehelement als Drehzylinder 20 mit einer um die Drehachse
symmetrischen, ringförmigen Nut 13, deren offene Stirnfläche auf einer der beiden
Deckflächen des Drehzylinders 20 verläuft, ausgebildet und die Drehfläche durch die
Innenfläche der symmetrischen Nut 13 gebildet. Die offene Stirnfläche der Nut 13 liegt dabei
der Gehäusewand 10 gegenüber, wobei die Strömungskanäle 4, 5 im wesentlichen in dem
Teil des Raumes zwischen Nutinnenfläche und der Gehäusewand 10 verlaufen, der nicht der
Zu- bzw. Ableitung von Medium dient. Die Nut 13 verläuft parallel zur Drehachse und das
Verhältnis der Tiefe der Nut zur Breite der Nut ist dabei vorzugsweise im Bereich von fünf
bis zehn gewählt.
Das Strömungsmedium strömt stirnseitig und in Richtung parallel zur Drehachse des
Drehzylinders 20 stromaufwärts in die Nut 13 ein und in entgegengesetzter Richtung
stromabwärts aus dieser wieder aus, wobei zwischen Zu- und Ableitung der Medienstrom
sich in zwei gleich große Stromanteile auf die Strömungskanäle 4, 5 aufteilt und danach
wieder vereinigt.
Die Drehfläche 3 begrenzt dabei einen Hohlraum im rotierenden Drehelement, welcher
Hohlraum an zumindest einer Seite gegenüber der Wand 10 der Strömungsleitung bzw. des
Gehäuses 11 geöffnet ist. Dieser Hohlraum ist in diesem Ausführungsbeispiel als Nut 13
ausgeführt, er kann jedoch in einer beliebigen geometrischen Form vorliegen. Vorzugsweise
sollte naturgemäß Rotationssymmetrie gegeben sein. Die Drehachse 22 des rotierenden
Drehelements 2 verläuft normal zu der durch die offene Seite des Hohlraumes gebildeten
Ebene. Die Strömungszu- bzw. -ableitung 8, 9 ist an gegenüberliegenden Punkten bezüglich
der Drehachse des rotierenden Drehelements 20 angeordnet und die Strömungszuleitung bzw.
die Strömungsableitung 8, 9 erfolgt in Richtung parallel zur Drehachse.
Die Druckmeßstellen 6, 7 sind jeweils an gegenüberliegenden Punkten bezüglich der
Drehachse und um jeweils 90° zu der Strömungszu- bzw. -ableitung 8, 9 angeordnet.
Fig. 2a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Drehzylinder und einer Nut 13 in
einem Gehäuse 11. Die Meßanordnung 150 mit Differenzdrucksensoren kann durch die sehr
vorteilhaft benachbarte Anordnung der Drucksensoren 6, 7 gemäß Fig. 2c sehr nahe der
erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgebaut werden, sodaß sich sehr kurze Zuleitungen
ergeben, die für die empfindliche Druckmessung von großem Vorteil sind.
In Fig. 3b und 3c ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
in der die Seitenwände der Nut 13 an einer oder mehreren Stellen mit einem den
Nutquerschnitt zum Teil bedeckenden Steg 14 verbunden sind, wobei zwischen der Stirnseite
der Nut und dem Steg ein Spalt und im Bereich des Nutgrundes ein größerer Querschnittsteil
freigestellt ist. Dadurch kann eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit auch im
stirnseitigen Bereich der Nut 13 erreicht werden, was ein höheres Meßsignal zur Folge hat.
Es wird auch eine wesentliche Verringerung des Schlupfs vz-vz* dadurch erreicht, indem
die Längsseiten des rotierenden Strömungskanals durch Verrippung einen viel größeren
Strömungswiderstand als die glatten Breitseiten aufweisen. In Fig. 3a ist dazu eine
Ausführungsform des Drehelements gemäß Fig. 2a, b und c dargestellt, in der die
Seitenwände der ringförmigen Nut 13 Rippen 12 aufweisen. Die Rippen 12 sind durch
parallel zu den Seitenwänden der Nut 13 verlaufende Erweiterungsbohrungen 12 gebildet, die
entlang der Umfangslinie der ringförmigen Nut 13 aneinandergereiht sind.
In Fig. 4 ist anstelle der aufgeweiteten Strömungsleitung von Fig. 1 ein Gehäuse 110
vorgesehen, welches mit Zu- und Ableitungen versehen ist. Das vom Medienstrom
durchströmte Gehäuse 110 weist einen Deckel 100 auf und ist dosenförmig ausgebildet. In
der durch den Deckel 100 verlaufenden Symmetrieachse des Gehäuses 110 ist die Drehwelle
22 des Drehzylinders 200 mit der symmetrischen, ringförmigen Nut 13 angeordnet. Über eine
parallel zur Drehwelle 22 durch den Gehäusedeckel 100 verlaufende Zuleitung 23 strömt das
Medium an einer Stelle des Nutumfangs stirnseitig in die Nut 13 des rotierenden
Drehzylinders 200 ein und strömt an einer am Nutumfang gegenüberliegenden Stelle über
eine Ableitung 21 stirnseitig aus der Nut 13 aus.
Die ringförmige Nut 13 im Drehzylinder 200 ist durch einen mit einer Labyrinthdichtung
versehenen Ring 25 des Gehäusedeckels 100, der in einen Ansatz 26 des Drehzylinders 200
eingreift, gegenüber der Außenseite des im Gehäuse rotierenden Drehzylinders 200 gedichtet.
Der Innenraum des Gehäuses ist geflutet, die Labyrinthdichtung soll in erster Linie eine
Vermischung der rotierenden Strömung mit der restlichen Flüssigkeit des Totvolumens
verhindern, da dies einen Empfindlichkeitsverlust bedeuten würde. Durch die Flutung muß
aber keine absolute Dichtheit gegenüber dem Strömungskanal bestehen.
Der ursprüngliche einfache Drehzylinder ist mit weiteren Ausnehmungen versehen, um
Gewicht einzusparen. Der verbleibende Raum zwischen Außenseite des Drehzylinders 200
und Gehäuse 110 ist dabei als strömungstoter Raum geflutet. Das rotierende Innenteil hat
einen relativ großen Abstand zum Gehäuse, damit die Antriebsreibung, verursacht durch die
Viskosität der Flüssigkeit, niedrig bleibt. Durch die Flutung des Totvolumens umgeht man
einerseits Dichtungsprobleme und hat andererseits den Vorteil einer sehr guten
Wärmeübertragung der Reibungswärme, die zwangsläufig durch den Antrieb des Zylinders
entsteht. Die erforderliche Antriebsleistung bei Medien wie Benzin und auch noch Diesel ist
sehr gering. Ein weiterer Vorteil der Flutung ist die dabei entstehende hydraulische
Dämpfung für Vibrationen und Schockbeanspruchungen. Weiters sind an der Außenseite des
Drehzylinders 200 ringförmige symmetrische Absätze 27, 28 ausgenommen, die vom
Strömungsmedium geflutet sind. Die Zuleitung und die Ableitung für den Medienstrom
erfolgt über kreissegmentartige Schlitze 8, 9 im Gehäusedeckel 100, die in Fig. 5 im Detail
gezeigt sind. Die Druckmeßstellen 6, 7 sind im Gehäusedeckel 100 vorgesehen, die in
direkter Verbindung mit dem ersten und zweiten Strömungskanal 4, 5 stehen und deren
Verbindungslinie auf der Symmetrieebene der kreissegmentartigen Schlitze 8, 9 liegen. Um
Verwirbelungen zu verringern sind die Ecken abgerundet. Es ist wichtig, daß der Ein- und
Ausströmkanal längssymmetrisch ist. Bei Assymetrien heben sich die quadratischen Glieder
der Strömungsgleichung nicht mehr auf und verschlechtern dementsprechend die Linearität.
Da der erfindungsgemäße Sensor üblicherweise an eine Rohrleitung bzw. an einen flexiblen
Schlauch angeschlossen wird, ist ein Übergangsstück auf einen kreisförmigen Querschnitt
notwendig. Dazu ist die Ableitung und die Zuleitung für den Medienstrom durch einen
Quader 81 mit zylindrischem Ansatz 83 und eine durch diesen verlaufende Sackbohrung 82
sowie mit einer die Sackbohrung 82 durchdringenden, den Schlitzen 8, 9 entsprechenden
segmentförmigen Ausfräsung 84 gebildet (Fig. 5, 6). Ein solches Übergangsstück ermöglicht
eine sehr kompakte Bauweise des Sensors.
Der Antrieb des rotierenden Drehelements erfolgt in allen gezeigten Ausführungsbeispielen
durch eine zentrale Welle. Es kann dies aber auch in anderer Form über ein Getriebe oder
sonstige mechanische Antriebsmittel geschehen. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist die
Antriebswelle über eine Drehdichtung, z. B. einen SIMA-Ring, aus der Strömungsleitung aus
dem Gehäuse 110 geführt.
Der Antrieb des rotierenden Drehelements kann dabei in direkter Weise über eine
Antriebswelle und einen passenden Motor, vorzugsweise einen Schrittmotor, oder
beipielsweise durch eine auf dem Drehelement und auf der Außenseite des Gehäuses 110
angeordnete Magnetkupplung verwirklicht sein. Der Motor kann auch ein integrierter
bürstenloser Motor, wie z. B. ein Schrittmotor, sein. Eine weitere Möglichkeit des Antriebes
ist in Fig. 7 gezeigt, gemäß der der Antrieb des rotierenden Drehelements 200 durch einen im
Drehelement integrierten Motor 90, 91 erfolgt, wobei auf dem um eine zentrale Welle
rotierenden Drehelement ein dauermagnetischer Ring 91 als Permanentfeld symmetrisch zur
Drehachse des Drehelements 200 angeordnet und die Motorwicklung 90 außerhalb des
Gehäuses symmetrisch um den dauermagnetischen Ring angebracht ist. Der Motor ist
vorzugsweise ein Schrittmotor, da bei einem solchen die gewünschte Drehzahl exakt
vorgegeben werden kann und dieser keinen Kollektor hat. Die benötigte Antriebsleistung ist
für dünnflüssige Medien und nicht sehr hohe Drehzahlen sehr gering. Es ist zu beachten, daß
die benötigte Antriebsleistung proportional zum Quadrat der Drehzahl ist.
Als geeignete Drucksensoren zur Druckmessung sind besonders Sensoren mit einem Bereich
von kleiner als +/-100 mbar vorteilhaft. Der jeweils verwendete Drucksensor muß in Kontakt
mit dem Medium sein und gegen dieses beständig sein. Besonders bei Anwendung in der
Kraftfahrzeugtechnik, dem bevorzugten Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, ist naturgemäß auf die Eigenschaften beispielsweise von brennbaren
Treibstoffen bei der Wahl der Drucksensoren entsprechend Rücksicht zu nehmen. Die
weiteren Parameter, wie Auflösung, Linearität, Frequenzgang und Temperaturstabilität
hängen von der gewünschten Meßgenauigkeit ab. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde
für die Messung des Kraftstoffverbrauches eines Motors entworfen und kann sowohl am
Prüfstand als auch im Fahrzeug selbst verwendet werden. Dadurch ist aber die Anwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung keineswegs beschränkt. Sie kann auch für beliebig
andere dick- oder dünnflüssige, aggressive oder nicht aggressive, flüssige und/oder
gasförmige Medien, z. B. bei automatischen Abfüll- oder Mischanlagen, verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Massendurchflusses eines Mediums
unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß der Medienstrom
in zwei gleich große Stromanteile aufgeteilt wird und gleichzeitig ein Stromanteil über ein
Drehelement mit der Drehgeschwindigkeit vz beschleunigt und der andere Stromanteil über
ein Drehelement mit der Drehgeschwindigkeit -vz verzögert wird und die beiden
Stromanteile wieder vereint werden, daß die Druckdifferenz Δp zwischen dem beschleunigten
und dem verzögerten Stromanteil gemessen wird und der Massendurchfluß ρvs über die
Beziehung
ρvs = Δp/Kvz
errechnet wird, wobei K eine Kalbrierkonstante ist.
Claims (25)
1. Vorrichtung zur Massendurchflußmessung von gasförmigen oder flüssigen Medien in
einer vom Medium durchströmten, geschlossenen Strömungsleitung (1), wie z. B. ein
Ströhmungsrohr, wobei in der Strömungsleitung (1) oder in einem der Strömungsleitung (1)
zwischengeschalteten, vom Medienstrom durchströmten Gehäuse (11, 110) ein mit einer
konstanten Drehgeschwindigkeit rotierendes Drehelement (2) angeordnet ist, wobei das
Medium auf eine auf dem Drehelement (2) ausgebildeten, rotierenden Drehfläche (3)
stromaufwärts des Drehelements (2) zuströmt und stromabwärts von dieser abströmt, sodaß
der Medienstrom zwischen der stromaufwärts und der stromabwärts gelegenen Seite des
Drehelements (2) sich in einen ersten und einen zweiten Stromanteil aufteilt und danach
wieder zu einem einzigen Strom vereinigt, wobei der erste Stromanteil in einem ersten
Strömungskanal (4) zwischen Drehfläche (3) und Wand der Strömungsleitung (1) bzw. des
Gehäuses (11, 110) strömt, in dem die Drehgeschwindigkeit vZ der Drehfläche (3) zur
Stromgeschwindigkeit vS gleich gerichtet ist und wobei der zweite Stromanteil in einem
zweiten Strömungskanal (5) zwischen Drehfläche (3) und Wand der Strömungsleitung (1)
bzw. des Gehäuses (11, 110) strömt, in dem die Drehgeschwindigkeit vZ der Drehfläche (3)
zur Stromgeschwindigkeit vS entgegengesetzt gerichtet ist, und daß im ersten (4) und im
zweiten Strömungskanal (5) je eine Druckmeßstelle (6 bzw. 7) zum Ermitteln des
Strömungsdruckes vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfläche (3) einen
Hohlraum im rotierenden Drehelement (2) begrenzt, wobei der Hohlraum an zumindest einer
Seite gegenüber der Wand (100) der Strömungsleitung bzw. des Gehäuses (11, 110) geöffnet
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (22) des
rotierenden Drehelements (2) normal zu der durch die offene Seite des Hohlraumes
gebildeten Ebene verläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strömungszu- bzw. -ableitung (8, 9) an gegenüberliegenden Punkten bezüglich der Drehachse
(22) des rotierenden Drehelements (2) angeordnet sind und die Strömungszuleitung bzw. die
Strömungsableitung (8, 9) in Richtung parallel zur Drehachse (22) erfolgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Druckmeßstellen (6, 7) jeweils an gegenüberliegenden Punkten bezüglich der Drehachse (22)
und um jeweils 90° zu der Strömungszu- bzw. -ableitung (8, 9) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zuleitung des Mediums auf die Drehfläche (3) in einem ersten, stromaufwärts angeordneten
Sektor (8) des rotierenden Drehelements (20) und die Ableitung des Mediums von der
Drehfläche (3) in einem zweiten, stromabwärts angeordneten Sektor (9) des rotierenden
Drehelements (20) erfolgt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Drehfläche (3) des Drehelements (2) mit quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Rippen
versehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im
ersten (4) bzw. im zweiten (5) Strömungskanal das Verhältnis von Drehfläche (3) des
Drehelements (20) zur Fläche der der Drehfläche (3) gegenüberliegenden Wand (100) der
Strömungsleitung (1) bzw. des Gehäuses (11, 110) im Strömungskanal (4, 5) größer als zehn
ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende
Drehelement ein Drehzylinder (20) mit einer durch die Längssymmetrieachse verlaufenden
Drehachse (22) ist, und daß der Hohlraum des rotierenden Drehzylinders (20) durch eine um
die Drehachse (22) symmetrisch angeordnete ringförmige Nut (13) gebildet ist, deren offene
Stirnfläche auf einer der beiden Deckflächen des Drehzylinders (20) verläuft, wobei die
Drehfläche (3) durch die Innenfläche der symmetrischen Nut (13) gebildet ist, und daß die
offene Stirnfläche der Nut (13) der Gehäusewand (100) gegenüberliegt, wobei die
Strömungskanäle (4, 5) im wesentlichen in dem Teil des Raumes zwischen Nutinnenfläche
und der Gehäusewand (10) verlaufen, der nicht der Zu- bzw. Ableitung von Medium dient.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (13) parallel
zur Drehachse (22) verläuft und das Verhältnis der Tiefe der Nut zur Breite der Nut im
Bereich von fünf bis zehn ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
Strömungsmedium stirnseitig und in Richtung parallel zur Drehachse des Drehzylinders (20,
200) stromaufwärts in die Nut (13) einströmt und in entgegengesetzter Richtung
stromabwärts aus dieser wieder ausströmt, und daß zwischen Zu- und Ableitung der
Medienstrom sich in zwei gleich große Stromanteile auf die Strömungskanäle (4, 5) aufteilt
und danach wieder vereinigt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Seitenwände der ringförmigen Nut (13) Rippen aufweisen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen durch
parallel zu den Seitenwänden der Nut (13) verlaufende Erweiterungsbohrungen (12) gebildet
sind, die entlang der Umfangslinie der ringförmigen Nut (13) aneinandergereiht sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Seitenwände der Nut (13) an einer oder mehreren Stellen mit einem den Nutquerschnitt zum
Teil bedeckenden Steg (14) verbunden sind, wobei zwischen der Stirnseite der Nut und dem
Steg ein Spalt und im Bereich des Nutgrundes ein größerer Querschnittsteil freigestellt ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß das vom Medienstrom durchströmte Gehäuse (100) einen Deckel (100) aufweist und
dosenförmig ausgebildet ist, daß in der durch den Deckel (100) verlaufenden Symmetrieachse
des Gehäuses (110) die Drehwelle (22) des Drehzylinders (200) mit der symmetrischen,
ringförmigen Nut (13) angeordnet ist, daß über eine parallel zur Drehwelle (22) durch den
Gehäusedeckel (100) verlaufende Zuleitung (23) das Medium an einer Stelle des Nutumfangs
stirnseitig in die Nut (13) des rotierenden Drehzylinders (200) einströmt und einer am
Nutumfang gegenüberliegenden Stelle über eine Ableitung (21) stirnseitig aus der Nut (13)
ausströmt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Nut
(13) im Drehzylinder (200) durch einen mit einer Labyrinthdichtung versehenen Ring (25)
des Gehäusedeckels (100), der in einen Ansatz (26) des Drehzylinders (200) eingreift,
gegenüber der Außenseite des im Gehäuse rotierenden Drehzylinders (200) gedichtet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der
verbleibende Raum zwischen Außenseite des Drehzylinders (200) und Gehäuse (110) als
strömungstoter Raum geflutet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß an der
Außenseite des Drehzylinders (200) ringförmige symmetrische Absätze (27, 28)
ausgenommen sind, die vom Strömungsmedium geflutet sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zuleitung und die Ableitung für den Medienstrom über kreissegmentartige Schlitze (8, 9) im
Gehäusedeckel (100) erfolgt, die längssymmetrisch angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß
Druckmeßstellen (6, 7) im Gehäusedeckel (100) vorgesehen sind, die in direkter Verbindung
mit dem ersten und zweiten Strömungskanal (4, 5) stehen und deren Verbindungslinie auf der
Symmetrieebene der kreissegmentartigen Schlitze (8, 9) liegen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung
und die Zuleitung für den Medienstrom durch einen Quader (81) mit zylindrischem Ansatz
(83) und eine durch diesen verlaufende Sackbohrung (82) sowie mit einer die Sackbohrung
(82) durchdringenden, den Schlitzen (8, 9) entsprechenden segmentförmigen Ausfräsung (84)
gebildet ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Antrieb des rotierenden Drehelements (2, 20, 200) durch eine zentrale Welle erfolgt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle über
eine Drehdichtung aus der Strömungsleitung (1) bzw. aus dem Gehäuse (11, 110) geführt ist.
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Antrieb des rotierenden Drehelements (2, 20, 200) durch eine auf dem Drehelement
und auf der Außenseite der Strömungsleitung (1) bzw. des Gehäuses (11, 110) angeordneten
Magnetkupplung erfolgt.
24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Antrieb des rotierenden Drehelements (2, 20, 200) durch einen im Drehelement
integrierten Motor (90, 91) erfolgt, wobei auf dem um eine zentrale Welle rotierenden
Drehelement ein dauermagnetischer Ring (91) als Permanentfeld symmetrisch zur Drehachse
des Drehelements (2, 20, 200) angeordnet ist und die Motorwicklung (90) außerhalb des
Gehäuses symmetrisch um den dauermagnetischen Ring angebracht ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein
Schrittmotor ist.
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Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10035998A1 (de) * | 2000-07-25 | 2002-02-07 | Kraeutler Ges M B H & Co | Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten |
DE102019206813A1 (de) * | 2019-05-10 | 2020-11-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Durchflussmessvorrichtung, Messelement und Verfahren zum Messen eines Durchflusses |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3430489A (en) * | 1967-01-30 | 1969-03-04 | Exxon Research Engineering Co | Modified turbine mass flow meter |
GB1186378A (en) * | 1966-07-21 | 1970-04-02 | Rosemount Eng Co Ltd | Improvements in or relating to Fluid Flow Measuring Apparatus |
US4565092A (en) * | 1984-09-25 | 1986-01-21 | Honeywell Inc. | Flow sensor with adjustable sensitivity |
DE3816623C1 (en) * | 1988-05-16 | 1989-11-23 | Fischer & Porter Gmbh, 3400 Goettingen, De | Vortex flowmeter |
JPH0422823A (ja) * | 1990-05-17 | 1992-01-27 | Oval Corp | 質量流量計 |
GB2254148A (en) * | 1991-03-28 | 1992-09-30 | John Andrew Bushman | Flowmeter |
DE4411738A1 (de) * | 1994-04-06 | 1995-10-12 | Elster Produktion Gmbh | Verfahren und Turbinenradzähler zur Durchflußmessung eines strömenden Fluids |
-
1994
- 1994-12-02 AT AT223594A patent/AT402236B/de not_active IP Right Cessation
-
1995
- 1995-12-01 DE DE1995146214 patent/DE19546214C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1186378A (en) * | 1966-07-21 | 1970-04-02 | Rosemount Eng Co Ltd | Improvements in or relating to Fluid Flow Measuring Apparatus |
US3430489A (en) * | 1967-01-30 | 1969-03-04 | Exxon Research Engineering Co | Modified turbine mass flow meter |
US4565092A (en) * | 1984-09-25 | 1986-01-21 | Honeywell Inc. | Flow sensor with adjustable sensitivity |
DE3816623C1 (en) * | 1988-05-16 | 1989-11-23 | Fischer & Porter Gmbh, 3400 Goettingen, De | Vortex flowmeter |
JPH0422823A (ja) * | 1990-05-17 | 1992-01-27 | Oval Corp | 質量流量計 |
GB2254148A (en) * | 1991-03-28 | 1992-09-30 | John Andrew Bushman | Flowmeter |
DE4411738A1 (de) * | 1994-04-06 | 1995-10-12 | Elster Produktion Gmbh | Verfahren und Turbinenradzähler zur Durchflußmessung eines strömenden Fluids |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
BERGMANN-SCHAEFER: Lehrbuch der Experimental- physik, Bd. I, de Gruyter-Verlag, Berlin, New York 1990, S. 351-377 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19546214A1 (de) | 1996-06-13 |
ATA223594A (de) | 1996-07-15 |
AT402236B (de) | 1997-03-25 |
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