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Diese
Erfindung betrifft Durchflußaufnehmer mit
einem Turbinenrad und insbesondere Durchflußmesser, die niedrige Strömungsgeschwindigkeiten bzw.
Durchflußmengen
korrodierender Fluide, sowohl Flüssigkeiten
wie auch Gase, messen.
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Herkömmliche
Flüssigkeits-
und Gasdurchflußmesser
des Typs mit einem Strömungsrohr
nehmen die Form einer vertikal befestigten Glasröhre ein, die einen kugelförmigen oder
anders geformten Auftriebskörper
beinhaltet, der in der Glasröhre
im Verhältnis
zu der Durchflußmenge
bzw. der Geschwindigkeit der Flüssigkeit
oder des Gases, das durch die Glasröhre strömt, aufwärts bewegt. Derartige Durchflußmesser
des Typs mit einem Strömungsrohr
wurden bisher in verschiedenen Flüssigkeits- und Gasananlysatoren,
Flüssigkeits-
und Gasmeßeinrichtungen
und Durchflußmessungen
erfordernde Laborgeräte
verwendet.
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Die
meisten der instrumentenbezogenen Flüssigkeits- und Gasdurchflußmessungsanwendungen
erfordern sehr niedrige zu messende Strömungsgeschwindigkeiten bzw.
Strömungsmengen. Die
Mehrzahl all dieser Durchflußmengenerfordernisse
belief sich auf 100 bis 1000 ml, wobei fast alle in den Bereich
von 20 bis 10.000 ml/min fallen. Demgemäß wäre ein Durchflußmesser
wünschenswert,
der folgende Eigenschaften aufweist: billig zu konstruieren, einen
einfachen und zuverlässigen
Aufbau besitzt, geeignet ist zum Messen von Durchströmungsmengen
von 20 ml/min bis 10.000 ml/min, der einen sehr niedrigen Druckverlust
durch den Durchflußaufnehmer
aufweist, einen linearen 0 bis 5 Volt DC elektrischen Ausgang besitzt,
der direkt proportional den Durchflußmengen ist, und klein, einen niedrigen
Leistungsverbrauch aufweist, keine "Aufwärm"-Zeit hat.
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Ein
Durchflußaufnehmer
des Typs, der axial durchflossen wird und eine Turbine aufweist
(Norton in HANDBOOK OF TRANSDUCERS FOR ELECTRONIC MEASURING SYSTEMS,
erstmals veröffentlicht
1969) erfüllt
zumindest einige dieser Anforderungen und war ursprünglich für Durchflußmessungen
in der Raumfahrt entwickelt, hat sich aber seitdem in zahlreichen
anderen Gebieten verbreitet. Der typische Turbinenrotor ähnelt einer
innerhalb eines Rohrs aufgehängten
Propellerschaufel, so daß, sobald
ein Gasstrom durch das Rohr strömt,
sich der Turbinenrotor im Verhältnis
zur Durchflußmenge dreht.
Wenn Gasströme
unter 1.000 ml/min zu messen sind, wird die Lagerreibung ein Hauptproblem. Beim
Erhöhen
der Sensibilität
dieses Typs von Gasdurchflußmesser
mit Turbine nehmen die zum Bewältigen
der Reibungsprobleme bezüglich
der Konstruktion auch demgemäß zu, da
die Rotorschaufel-Ausgleichsprobleme durch langwierig per Hand auszuführende Verfahren
ausgeführt
wurden.
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Es
ist wünschenswert,
einen Durchflußaufnehmer
des Typs mit Turbine zu haben, der bezüglich der Durchflußmengen
genaue lineare Pulse und Gleichspannungsausgänge (0 bis 5 Volt D.C.) generiert.
Ferner sollte der Aufbau des Durchflußmessers so kompakt sein, daß er innerhalb
verschiedener Arten von Instrumenten zum Analysieren verwendet werden
kann. Der Aufbau sollte auch leicht anpaßbar sein, daß der Strömungssensor
von einem zu messenden Durchflußbereich
zu einem anderen mit unterschiedlichem Durchflußbereich umgestellt werden kann.
Wünschenswerterweise
sollte der Aufbau den 5:1 linearen Bereich bei Gasen und bei sehr
niedrigen Flüssigkeits-Durchflußmengen
zumindest einen 10:1 linearen Bereich und bei höheren Flüssigkeits-Durchflußmengen
von bis zu ungefähr
50:1 erlauben. Ferner sollte die Leistungsaufnahme bei einer einzelnen
D.C.-Leistungsquelle bei weniger als 200 Milliwatt liegen.
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Das
U.S. Patent 4,467,660 zeigt einen Durchfluß-Aufnehmer mit Turbinenrad,
der viele dieser Anforderungen erfüllt. Das Gerät des '660-Patents mißt niedrige
Durchflußmengen
von Gasen. Eine sehr dünne,
einen schmalen Durchmesser aufweisende Scheibe ist in einer Kammer
innerhalb eines Gehäuse
drehbar befestigt, durch das das zu messende Gas hindurch passiert.
Mehrere kleine Reaktions-Turbinenschaufeln oder Zähne sind
am Umfang der Scheibe zum Aufnehmen eines im wesentlichen konstanten
Aufpralls des in die Kammer eintretenden Gases ausgebildet. Ein
in dem Gehäuse
befestigtes Düseneinlaßmittel
richtet das in die Kammer eintretende Gas gegen die Zähne auf
der Scheibe, was die Drehung der Scheibe bewirkt. Ein photoelektrischer
Kreis leitet Licht auf Seitenabschnitte der Scheibe, um die Relaivbewegung
der Scheibe in Reaktion auf den gegen die Reaktions-Turbinenschaufeln
auf der Scheibe gerichteten Aufprall zu messen. Die Scheibe besitzt
an den Seitenabschnitten ausgebildete reflektierende Flächen zum
Reflektieren des vom photoelektrischen Kreises gerichteten Lichts,
so daß reflektiertes
Licht photoelektrisch detektiert werden kann und eine elektrische Messung
der Durchflußmenge
des Gases erfolgen kann.
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Die
Vorrichtung des '660-Patents
schafft ein Reaktions-Turbinenrad,
das im wesentlichen empfindlich ist auf Gasdurchflußmengen
von Luft bei niedrigen Durchflußmengen
wie beispielsweise etwa 20 ml/Minute und möglicherweise noch weniger.
Die Empfindlichkeit für
Flüssigkeiten
beträgt
10 ml/min und möglicherweise
weniger. Das auf das Turbinenrad durch das Gas oder die Flüssigkeit
ausgeübte Aufprall-Drehmoment muß das entgegengerichtete Reib-Drehmoment überschreiten,
das durch das Gewicht der auf den Achsenlagerflächen ruhenden Turbinenradanordnung
bewirkt wird, um Durchflußmengen
in dieser niedrigen Höhe
messen zu können.
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Das
Gerät nach
dem '660-Patent
ist jedoch nicht korrosionsbeständig.
Und es ist wünschenswert einen
korrosionsbeständigen
Durchflußsensor
zu entwickeln, der zum Messen sehr niedriger Durchflußmengen
von niedrigviskosen Flüssigkeiten
und Gasen geeignet ist, die sehr korrodierend sind oder die den
höchsten
Reinheitsgrad erfordern. Folglich sollten die zur Herstellung der
Vorrichtung dienenden Materialien eine Kontamination der zu messenden Fluide
verhindern. Diese Vorrichtung verbraucht auch ungefähr 320 Milliwatt.
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Während es
zahlreiche Gas- und Flüssigkeitsdurchflußsensoren
gibt, die einige der oben aufgezählten
Ziele erfüllen,
erfüllt
nach Wissen des Erfinders keiner alle der umrissenen Ziele. Beispielsweise
stellen sowohl Brooks Instruments wie auch Molytech Flüssigkeitsdurchflußsensoren
her, die auf dem Prinzip einer thermischen Detektion basieren. Die
meisten dieser Sensoren verbrauchen mehrere Watt an Leistung. Diese
Sensoren können
sehr niedrige Flüssigkeitsdurchflußmengen
messen und sind drei bis fünfmal
so teuer wie die Ausgestaltungen mit einer Turbine. Derzeitig sind
sie nur in Ausgestaltungen für
extrem niedrige Durchflußmengenbereiche (im
allgemeinen unter 100 ml/min) erhältlich. Einige andere Flüssigkeitsthermosensoren
verwenden rostfreien Stahl, der mit vielen korrodierenden Flüssigkeiten
nicht fertig werden kann. Ein europäischer Hersteller produziert
einen kleinen Turbinenradsensor aus KYNAR®-Kunststoff.
Während
dieser Durchflußsensor
bei Flüssigkeiten
eine untere Durchflußmengenmeßbegrenzung
von ungefähr
100 ml/min aufweist ist er zum Messen niedriger Durchflußmengen von
Gas ungeeignet. Überdies
ist der Sensor, während
KYNAR chemischen Angriffen einer Anzahl aggressiver Chemikalien
standhält,
anfällig
für Attacken durch
viele andere Chemikalien. Ebenso erlaubt es die Turbinenradausgestaltung
des Sensors nicht, herunterzuschalten, um sehr niedrige Flüssigkeitsdurchflußmengen
(im Bereich von 10 ml/min oder weniger) zu messen. Schließlich ist
diese Ausgestaltung nicht leicht anpaßbar, um eine große Anzahl
an Durchflußmengenbereichen
aufzuweisen. Die Bestandteile müssen
vollständig
erneuert werden, um unterschiedliche Durchflußbereiche zu messen. Eine andere
Firma, Miniflow Systems, Inc., stellt einen Flüssigkeits-Durchflußsensor
her, der keine Achse aufweist, auf der sich ein Turbinenrad dreht.
Dies wird als "lagerloser
Turbinenrad-Durchflußsensor" bezeichnet. Der
Sensor arbeitet nur mit Flüssigkeiten und
generiert nur ein Puls-Ausgangssignal. Der Durchflußsensor
weist bestimmte andere Haupteinschränkungen auf, wie die Verwendung
von für
korrodierende Flüssigkeiten
ungeeigneter Materialien (beispielsweise Ryton und Epoxy). Ebenso
müssen gespritzte
Teile größenmäßig verändert werden,
um verschiedene Durchflußmengenbereiche
abzudecken, was es somit wirtschaftlich gesehen zum Messen einer
weiten Anzahl von Durchflußmengenbereiche
unanpaßbar
macht.
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Verschiedene
andere Firmen stellen Schaufelraddurchflußsensoren (paddle wheel flow-sensors)
her, die zum Messen von Flüssigkeitsströmen aus
sehr aggressiven Chemikalien geeignet sind. Jedoch sind diese Sensoren
ziemlich groß,
arbeiten nicht bei sehr niedrigen Durchflußmengen und sind im allgemeinen
für das
Messen von gasförmigen Strömungen völlig ungeeignet.
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Bestimmte
Gasdurchflußsensoren,
im allgemeinen als Massendurchsatzsensoren bezeichnet, können sehr
niedrige Gasdurchflußmengen
mit hoher Präzision
messen. Diese Sensoren verwenden gegewärtig Durchflußrohre aus
nicht rostendem Stahl, die erwärmt
werden, so daß sie
auf die Art des Gases (das sich mit rostfreiem Stahl verträgt) beschränkt sind,
das sie messen. Desweiteren sind sie nicht an Gasmischungen anpaßbar, in
denen der Anteil von zwei oder mehr miteinander vermischten Gasen
zulässig
variiert. Dies begründet
sich darauf, daß das
Prinzip der Detektion auf der spezifischen Wärmekapazität eines jeden Gases beruht
und eine Kalibrierung für
jede besondere Art des zu messenden Gases ausgeführt werden muß. Wenn
ein Gasgemisch gemessen wird, in welchem das Verhältnis der Gase
zueinander variiert, kann der Durchfluß dann offensichtlich aufgrund
des Detektionsprinzips und da die spezifische Wärmekapazität des Gasgemisches mit der
Zusammensetzung des Gasstroms variieren wird nicht mit irgendeinem
großen
Genauigkeitsgrad gemessen werden. Desweiteren werden thermische
Gasdurchflußsensoren
keine Flüssigkeitsströme messen.
Schließlich
benutzen diese Sensoren typischerweise in der Detektionseinrichtung
eine Wheatstonebrücke-
Ausbildung, so daß sie "aufgewärmt" werden müssen und
vor der Benutzung genullt werden müssen. Dies kann eine ziemlich
lange Zeitspanne erfordern und Nullungsfehler mit sich bringen.
Somit sind diese Mengendurchflußsensoren bezüglich ihrer
Anwendung eingeschränkt
und erfordern im allgemeinen sehr saubere, partikelfreie Gase, um
Fehlfunktionen zu verhindern.
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Die
Vorrichtungen nach dem U.S. Patent 4,467,660 kommen der Erfüllung aller
Erfordernisse an einen Durchflußaufnehmer
am nächsten,
bis auf daß sie
aufgrund der verwendeten Materialien außerstande sind mit aggressiven
Gasen und Flüssigkeiten
fertig zu werden. Typischerweise benutzen kommerzielle Vorrichtungen
nach diesem Patent RYTON® R-4 (ein 40%-ige glasgefülltes Polyphenylensulfid),
was ein fester Kunststoff mit sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
ist. Dies macht die Meßeinrichtung
Temperaturbeständig.
Jedoch sind dieses Material und in der Ausgestaltung benutzte andere
Materialien nicht gegen Attacken durch Chlorgase, Hydrochlorsäure und
andere aggressive Chemikalien gefeit.
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Es
besteht jetzt ein Bedarf für
einen Durchflußsensor,
der zum Messen von Durchflußmengen chemisch
aggressiver Fluide benutzt werden kann und der dem gemessenen Fluid
zur Verhinderung einer Kontamination des Fluids inerte Oberflächen zuwendet.
Außerdem
sollte der Durchflußaufnehmer
einen niedrigen Energieverbrauch aufweisen und keine "Aufwärm"-Zeitverzögerung haben.
Zu diesem Zweck schlägt
die vorliegende Erfindung ein Gerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 vor. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet ein zum Messen eines Bereichs von
Durchflußmengen
sowohl von Flüssigkeiten
wie auch Gasen anpaßbares Gerät. Insbesondere
ist das Gerät
zum Messen von Durchflußmengen
von Fluiden nützlich,
die korrodierend sind, ohne daß diese
Fluide mit Reaktionsprodukten kontaminiert werden. Das Gerät beinhaltet eine
dünne,
einen kleinen Durchmesser aufweisende Scheibe, die in einer Kammer
in einem Gehäuse, durch
das das zu messende Fluid hindurchläuft, drehbar befestigt ist.
Mehrere kleine Reaktions-Turbinenschaufeln oder Zähne sind
am Umfang der Scheibe ausgebildet, um einen im wesentlichen konstanten
Aufprall der in die Kammer einströmenden Fluide aufzunehmen.
Mehrere kleine Löcher
sind durch die Seiten der Scheibe hindurch ausgebildet. Einschnitte sind
in dem Gehäuse
auf jeder Seite der Scheibe eingeformt, einer zum Aufnehmen einer
Lichtquelle, der andere für
ein Mittel zum Detektieren des Lichts von der Lichtquelle. Beim
Betrieb des Geräts
dreht sich die Scheibe und Licht von der Lichtquelle läuft durch dünne Abschnitte
des Gehäuses
hindurch und durch Löcher
in der Scheibe zu den Mitteln zum Detektieren des Lichts. Folglich
kann die Drehgeschwindigkeit der Scheibe gemessen werden und demzufolge
die Durchflußmenge
des Fluids durch das Gehäuse über die
Scheibe. Das Gerät
der vorliegenden Erfindung umfasst ferner eine optische Durchflußmeßschaltung zum
Bilden eines elektrischen Signals, das für einen Fluidstrom durch das
Gehäuse
bezeichnend ist, wobei die optische Durchflußmeßschaltung versehen ist mit:
einer zur Erzeugung von Lichtpulsen in Antwort auf gepulste Leistung
geeigneten, in der Aushöhlung 11, 13 in
einer der Gehäusehälften 6, 8 befestigten Lichtquelle 18 zum
Emittieren von Licht; einem in der Aushöhlung 13, 11 in
der anderen Gehäusehälfte 8, 6 befestigten
Lichtdetektor 19, der mit der Lichtquelle ausgerichtet
ist, um Licht zu erfühlen;
und einer gepulsten Leistungsquelle zum Betreiben der Lichtquelle
in einem Arbeitszyklus von ungefähr
10 Prozent, um dadurch Lichtpulse zu erzeugen und den Energieverbrauch
zu reduzieren.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Gerät, daß ausreichend empfindlich ist,
so daß sich
die Scheibe bei Gasdurchflußmengen
von 20 ml/min und möglicherweise
niedrigeren Durchflußmengen
dreht. Desweiteren kann das Gerät
zum Messen von Flüssigkeitsdurchflußmengen
von ungefähr
10 ml/min und auch weniger benutzt werden.
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Die
Scheibe dreht sich um eine Saphir-Achse, wobei die Enden der Achse
mit zwei Saphir-Lagern zusammenwirkt, wovon jedes auf gegenüberliegenden
Seiten der Scheibe gegen Kammerwände
in Position gehalten wird, in der die Scheibe befestigt ist.
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Die
Scheibe und Innenflächen
oder Wände der
Kammer sind aus einer organischen Polymerverbindung hergestellt,
die hinsichtlich Korrosion und chemischer Angriffe durch aggressive
Fluide beständig
ist. Bevorzugtermaßen
ist das organische Polymer Polytetrafluorethylen (PTFE), kommerziell
erhältlich
als TEFLON® (ein
Produkt der E.I. DuPont aus Nemours).
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Die
Erfindung schafft eine Konstruktion eines Durchflußsensors,
welche die bei der Verwendung von PTFE für eine Durchflußsensoreinrichtung
auftretenden Nachteile überwindet.
Diese Nachteile, die die Genauigkeit der Durchflußmessung
beeinflussen, beinhalten die Tendenz von PTFE unter dem Einfluß von Druck
und/oder Temperatur über
die Zeit kalt zu fliessen oder zu kriechen und der relativ hohe
Wärmeausdehnungskoeffizient
von PTFE. Ferner kompensiert die Erfindung die relativ niedrige
Zugfestigkeit von PTFE.
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Desweiteren
ist der Durchflußsensor
zum Messen von Durchflußmengen
in verschiedenen Bereichen (von 20 bis 10.000 ml/min (Flüssigkeiten
und Gase)) in der gewünschten
Genauigkeit leicht anpaßbar.
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Ein
besseres Verständnis
für die
vorliegende Erfindung kann erhalten werden, wenn die folgende detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit
den folgenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
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1 eine Querschnittsansicht
eines Durchflußaufnehmers
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, die einen Teil des Gehäuses und des Turbinenrads des
Durchflußmessers
zeigt,
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2 eine Querschnittsansicht
eines Durchflußaufnehmers
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, die das Gehäuse,
die Lager und Stützmittel
zum drehbaren Positionieren des Turbinenrads in dem Gehäuse zeigt,
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3 eine Teilansicht eines
Durchflußmeßgeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, das einen Teil des Turbinenrads zeigt,
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4 eine Teilquerschnittsansicht
einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, die das Turbinenrad, Bolzen zum Zusammenhalten des Gehäuses und
Durchströmungsröhren für das zu messende
Fluid zeigt,
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4A eine vergrößerte Ansicht
eines eingekreisten Teils nach 4 ist,
welches das Bezugszeichen 4A hat, und die Mittel zum Zusammenhalten von
Teilen des Gehäuses
einer Ausführungsform
des Durchflußmessers
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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5 ein schematisches elektrisches
Schaltungsdarstellung des Geräts
der vorliegenden Erfindung ist, und
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6 und 7 Schaubilder von Wellenformen sind,
die in der Schaltung nach 5 vorhanden sind.
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In
seiner bevorzugten Ausführungsform kann
der mit einem Turbinenrad ausgestattete Durchflußaufnehmer der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme zu den beigefügten Zeichnungen, den 1 bis 4A leichter verstanden werden. Der Durchflußaufnehmer
oder das Gerät
A weist ein Gehäuse 10 mit
einem darin befindlichen Hohlraum 2 auf zum Aufnehmen und
Befestigen eines Turbinenrads 12. Das Turbinenrad 12 besitzt
Flächen 5 (3) zum in Wirkverbindung
treten mit einem Fluid, um das Turbinenrad 12 zu drehen.
Ferner ist das Turbinenrad 12 mit einer Anzahl Löcher oder
Bohrungen 14 versehen, die sich von einer Seite des Rads durch
dieses hindurch zu der anderen Seite erstrecken. Das Rad 12 dreht
um ein Axiallager 16, das mit Mitteln 20 zum Tragen
des Lagers zusammenarbeitet, so daß das Turbinenrad 12 in
dem Hohlraum 2 in Position drehbar gehalten wird.
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Das
Gehäuse 10 umfaßt im wesentlichen zwei
Hälften 6 und 8 (4). Die Gehäusehälfte 6 weist
ein hierin teilweise eingebohrtes Sackloch 13 (2) auf zum Aufnehmen einer
Quelle oder eines Mittels zum Aussenden von Strahlung 18 durch
das Material 15 am Ende des Sacklochs hindurch, das zwischen
dem Ende des Sacklochs 13 und dem Hohlraum 2 liegt.
Ferner ist die Gehäusehälfte 6 mit einem
Sackloch 11 zum Aufnehmen eines Sensors oder eines Mittels
zum Detektieren von Strahlung 19 ausgestattet, wobei das
Sackloch 11 in einem Sacklochende 17 endet. Auf
diese Weise sind die Sacklöcher 11 und 13 derart
ausgerichtet, daß von
dem Strahlungssendemittel 18 emittierte Strahlung durch das
Sacklochende 15, einem Loch 14 in der Turbinenschaufel 12 und
durch das Sacklochende 17 zu dem Strahlungsdetektor 19 läuft. Wenn
sich jedoch das Turbinenrad 12 dreht, so daß das Loch 14 nicht mit
der Bahn zwischen dem Emitter 18 und dem Empfänger oder
Detektor 19 ausgerichtet ist, dann wird durch den Detektor 19 kein
Strahlungssignal empfangen. Folglich kann die Drehgeschwindigkeit des
Turbinenrads 12 mittels der Frequenz pro Zeiteinheit bestimmt
werden, in der ein von dem Emitter 18 emittiertes Strahlungssignal
durch den Detektor 19 empfangen wird.
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Wie
zuvor aufgezeigt wurde, schafft die Erfindung ein einzigartiges
Durchflußmeßgerät, das zum
Messen der Strömung
eines korrodierenden Fluids geeignet ist. Aufgrund dessen besteht
das bevorzugte Material zur Herstellung des Gehäuses und des Turbinenrads aus
einer korrosionsbeständigen organischen
Polymerverbindung. Bevorzugtermaßen ist diese Verbindung ein
lichtundurchlässiges oder
undurchsichtiges bzw. dunkles (opaque) Polythetrafluorethylen (PTFE).
Wie zuvor erläutert
wurde, bringt der Gebrauch von PTFE jedoch einige Gestaltungbeschränkungen
mit sich, welche die Genauigkeit der Durchflußmessungen beeinflussen. Diese Beschränkungen
beinhalten, daß PTFE
unter dem Einfluß von
Druck und/oder Temperatur über
eine gewisse Zeitspanne zu Kaltfluß oder zu Kriechen neigt und
daß PTFE
einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizient hat. Die
Erfindung kompensiert diese Nachteile und schafft einen hochgenauen,
anpaßbaren
Durchflußaufnehmer
zur Benutzung mit korrodierenden Fluiden.
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Somit
sind gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung das Gehäuse 10 mit
den Gehäusehälften 6 und 8 aus
PTFE hergestellt. Das Turbinenrad 12 wird ebenso aus einer
PTFE-Verbindung hergestellt, aber einer derartigen Verbindung, die
durch dunkelfärbende
Mittel bezüglich
infrarotem Licht undurchlässig
gemacht wurde, um einen optischen Kontrast mit den Löchern 14 zu
schaffen.
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Das
Turbinenrad 12 ist auch bevorzugtermaßen mit einer eine niedrige
Reibung aufweisenden Achse ausgestattet, wie der einer Saphir-Achse 16. Um
eine Messung von sehr niedrigen Durchflußmengen bzw. -geschwindigkeiten
zu ermöglichen
wird eine Lagerfläche 20 mit
sehr niedriger Reibung benötigt.
Dies ist durch die Saphir-Achse 16, die in Saphir-Lagerflächen 20 dreht,
geschaffen. Die Lagerflächen 20 sind
in sich auswärts
der Gehäusehälfte 6 erstreckende
Blöcke 22 befestigt.
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Während sich
das Gehäuse 10 aufgrund
von Temperaturschwankungen des zu messenden Fluids möglicherweise
ausdehnt und zusammenzieht wird zwischen dem Turbinenrad 12 und
der Achse 16 und den Lagerflächen 20 ein ausreichender
Spalt erlaubt, um durch Temperaturschwankungen verursachte Abmessungsänderungen
zu erlauben. Somit ist das Turbinenrad 12 jederzeit auf
einer in Lagerflächen 20 gehaltenen
Saphir-Achse 16 frei drehbar.
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Da
das Gehäuse
bevorzugtermaßen
aus PTFE hergestellt ist, sind die Mittel zum Emittieren von Strahlung 18 und
der Detektor 19 bevorzugtermaßen eine Infrarotlicht-Emitterdiode
bzw. ein Phototransistorempfänger.
Infrarotes Licht kann über
eine kurze Distanz durch PTFE hindurch übertragen werden, weswegen
die Dicken der Enden der Sacklöcher 15 und 17 derart
gewählt
werden müssen,
daß sie ausreichend
dünn sind,
um den Durchgang von infrarotem Licht zu erlauben, während die
Gehäusehälften 6 und 8 nicht
geschwächt
werden, so daß das Gehäuse 10 dem
Arbeitsdruck von durch den Hohlraum 2 strömender,
korrodierender Fluide standhalten kann.
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Die
Anmelder haben herausgefunden, daß Dicken im Bereich von ungefähr 0,025'' (0,635 mm) bis ungefähr 0,050'' (1,27 mm) aus herkömmlichem PTFE, das als undurchlässig angesehen
wird, diese scheinbar miteinander widersprüchlichen Gestaltungserwägungen erfüllen. Ferner
besteht keine Notwendigkeit dazu, das sehr teure optisch klare PTFE zu
verwenden, das in der Vergangenheit dort als notwendig erachtet
wurde, wo ein Lichtdurchgang durch das Material erforderlich war.
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Um
die Durchflußmenge
oder -geschwindigkeit eines Fluids zu messen, wird eine das Fluid
aufnehmende Leitung an einem Rohranschluß 30 (4) lösbar
angebracht, der mit Unterlegscheiben 31 zum Fixieren einer
entfernbaren Einlaßdüse 32 mit
dem Gehäuse 10 zusammenwirkt,
so daß das durch
die Düse 32 strömende Fluid
direkt auf Schaufeln 5 des Turbinenrads 12 auftrifft.
Die entfernbare Düse 32 ist
bevorzugtermaßen
aus PTFE hergestellt. Das Aufprallen des aus der Düse 32 austretenden Fluids
auf den Flächen 5 des
Turbinenrads bewirkt, daß sich
das Rad dreht. Diese Drehgeschwindigkeit kann durch den Detektor 19 gemessen
werden. Fluid, das über
die Turbinenschaufel 12 lief, gelangt in eine durch einen
Anschluß 40 festgehaltenes
Ausgangsrohr 36, in welchem Anschluß 40 ein Ausgangsrohranschluß 42 angebracht
ist zum Anschließen
einer Leitung zum Ausführen des
Gases aus dem Meßinstrument.
Bevorzugtermaßen
besteht das Ausgangsrohr 36 auch aus einem PTFE-Material.
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Die
Durchflußmeßeinrichtung
nach der Erfindung ist für
einen weiten Bereich von Durchströmungsgeschwindigkeiten bzw.
-mengen leicht anpaßbar,
indem einfach die entfernbare Einlaßdüse 32 entfernt wird
und diese Düse
durch eine Düse
mit anderem Durchmesser ersetzt wird (ein größerer Durchmesser für höhere Durchflußmengen,
ein kleinerer Durchmesser für
geringere Durchflußmengen), so
daß das
Aufprallen des Fluids auf den Flächen 5 der
Turbinenschaufel 12 in einem vorgegebenen Bereich beibehalten
werden kann und die Drehung der Turbine dementsprechend kalibriert
werden kann, um die Durchströmungsgeschwindigkeit
oder Durchströmungsmenge
des Fluids zu bestimmen. Es ist auf das U.S. Patent Nr. 4,467,060
des Anmelders Robert D. McMillan aufmerksam zu machen, das diesbezüglich durch
eine Verweis hierauf hierin eingeschlossen wird.
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Der
Lichttransmitter oder die Quelle 18 und der Sensor oder
Detektor 19 sind Teile des Durchflußmeßkreises C (5) der vorliegenden Erfindung. Der Strahlungstransmitter 18 ist
bevorzugtermaßen
eine Lichtemitterdiode oder LED, die Impulse infraroten Lichts mit
einer Wellenlänge
von ungefähr 0,9
bis ungefähr
1,1 μm oder
ungefähr
940 nm emittiert, bei einer geeigneten Frequenz oder Leistung (rate)
(typischerweise ungefähr
1,5 Khz) und einem Arbeitszyklus von ungefähr zehn Prozent (10%) wie es
durch eine Wellenform 61 (6)
unter Steuerung einer gepulsten Leistungsquelle 62 (5) veranschaulicht ist.
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Der
niedrige Arbeitszyklus der Quelle 18 wird durch das Durchlassen
infraroten Lichts durch das Gehäuse 10 erlaubt
da das Gehäuse
die Eigenschaft aufweist, infrarotes Licht bei einer Wellenlänge durchzulassen,
in der die Quelle arbeitet. Dies gewährt gegenüber jetzt erhältlichen Miniatur-Turbinendurchströmsensoren
eine wesentliche Verminderung des Leistungverbrauchs in dem Gerät A.
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Wie
dargelegt wurde, durchlaufen die Pulse infraroten Lichts von der
Quelle 18 die Sacklochenden 15 und 17 des
Gehäuses 2 wie
auch die Löcher 14 in
dem sich drehenden Turbinenrad 12. Die Drehgeschwindigkeit
des Rads 12 und somit die Durchströmungsgeschwindigkeit bzw. -menge
wird durch die Frequenz auftretender Löcher 14 in dem sich
drehenden Rad 12 und dem Lichtdurchgang durch die Löcher 14 erfaßt.
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Der
Detektor 19 fühlt
Licht, das durch das Rad 12 hindurchpassiert und generiert
ein elektrisches Signal, das auf die Stärke des erfaßten Lichts schließen läßt. Das
Signal wird dann einem AC-Verstärker 64 zugeführt. Der
Verstärker 64 bildet
ein Ausgangssignal in Form von Gruppen von Pulsen 66, die
in einer Wellenform 68 (7)
dargestellt sind, wenn ein Loch 14 zwischen der Quelle 18 und
dem Detektor 19 gegenwärtig
ist.
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Die
Wellenform 86 von dem Verstärker 64 wird einem
Demodulator 70 zugeführt,
der Rechteckwellenpulse 72 (7)
in einer demodulierten Ausgangs-Wellenform 74 formt. Die
Ausgangs-Wellenform 74 aus dem Demodulator 70 wird
einem Frequenz-/Spannungswandler 76 (5) übermittelt, der
in Abhängigkeit
von der Frequenz des Auftretens von Rechteckwellenpulsen 72 in
der Ausgangs-Wellenform 74 ein Gleichspannungs-Ausgangssignal von
ungefähr
0 bis 5,0 Volt DC bildet. Das Ausgangssignal aus dem Frequenz-/Spannungswandler 76 läßt, wenn
es kalibriert ist, auf die Durchflußgeschwindigkeit bzw. Durchflußmenge korrodierenden Fluids
durch das Gerät
A schließen.
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PTFE
weist die Tendenz auf, unter Spannung kalt zu fließen. Demzufolge
weist die Ausbildung gemäß der vorliegenden
Erfindung Maschinenschrauben 56 auf, die sich aufgrund
Temperaturänderungen
ausdehnendeoder zusammenziehende Gehäusehälften 6 und 8 zusammenhalte,
um Beschädigungen
an den Gehäusehälften zu
verhindern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform schafft die Erfindung
vorgespannte Maschinenschrauben 53 benutzend Belleville-Unterlegscheiben 55.
Demzufolge ist die Gehäusehälfte 6 mit
einer Bohrung 51 zum Aufnehmen eines Kopfs 53 einer
Maschinenschraube oder Bolzens 54 ausgestattet, der mit
einer Belleville-Unterlegscheibe 55 zusammenwirkt. Der
Bolzen 54 erstreckt sich durch die Gehäusehälfte 8 in eine passend
axial ausgerichtete Bohrung 52 in der Gehäusehälfte 8.
Eine Mutter 65 ist auf das Ende des Bolzens 54 aufgeschraubt,
um die Belleville-Unterlegscheibe 55 vorzuspannen und hierdurch
die Gehäusehälften 6 und 8 zusammenzuhalten.
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Wie
in der 4A gezeigt ist,
können
flache Unterlegscheiben 60 zwischen dem Kopf 53 der
Maschinenschraube oder des Bolzens 54 und der Gehäusehälfte 6,
zwischen der Gehäusehälfte 8 und
der Belleville-Unterlegscheibe 55 und zwischen der Belleville-Unterlegscheibe 55 und
der aufgeschraubten Mutter 56 eingelegt sein.
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Um
zwischen den Gehäusehälften 6 und 8 eine
dichte Abdichtung zu gewährleisten,
ist eine Nut 49 in einer der Gehäusehälften geschaffen, beispielsweise
in der Gehäusehälfte 6,
um einen O-Ring oder eine Dichtung aus TFE-Elastomerdichtung (Kalrez) 50 aufzunehmen.
Somit schafft der O-Ring und/oder die Dichtung eine sichere Abdichtung
zwischen den Gehäusehälften 6 und 8,
wenn die Maschinenbolzen und die Belleville-Unterlegscheiben angezogen werden.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme zu ihren bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde werden Fachleute beim Lesen dieser Offenbarung
möglicherweise Änderungen
und Modifikationen erkennen, die den wie nachfolgend beanspruchten
Schutzbereich der Erfindung und den wie oben beschriebenen Kern
der Erfindung nicht verlassen.