DE2139114B2

DE2139114B2 - Durchflussmesser

Info

Publication number: DE2139114B2
Application number: DE19712139114
Authority: DE
Inventors: Yoshihiko Kawasaki Kanagawa; Kato Mahiko Tokio; Gomi Kiyondo Yokohama Kanagawa; Irie (Japan)
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-04-10
Filing date: 1971-08-04
Publication date: 1976-08-05
Also published as: DE2139114A1; GB1349762A; US3748903A

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser mit einem, einen Durchlaßkanal aufweisenden Gehäuse, mit einer oberen und einer unteren, einen Fluiddurchlaß begrenzenden Seitenplatte, von denen die obere Seitenplatte und das Gehäuse eine obere Kammer und . die untere Seitenplatte und das Gehäuse eine untere Kammer begrenzen, mit senkrecht zu dem Fluiddurchlaß aneeordneten. mit Läufern versehenen Wellen, die

sich auf untere Axiallager abstützen, und die ferner ii

der oberen Seitenplatte und in der unteren Seitenplatt* angeordneten Radiallagern gelagert sind, und mi einem, auf dem Gehäuse angeordneten Zähler, desser Zählwerk snit dem Ende einer der Wellen gekuppelt ist.

Bei dem eingangs beschriebenen Durchflußmesser

der als Meßgerät dient, handelt es sich um einer Fluiddurchfluß- oder Fluidmengenmesser der Verdrän gebauan Ein solcher Durchflußmesser dient zurr

■ο Messen der Durchflußmenge eines Fluids durch Zähler oder Registrieren der Umdrehungen seiner Läufer Dabei wird ein zwischen den Läufern und der innerer Gehäusewand gebildeter Meßraum ausgenutzt Be einem derartigen, als Meßgerät verwendeten Durch

is flußmesser nimmt die zwischen den Läufern und den~ inneren Gehäuse hindurchtretende Leckmenge EinfluC auf den Gerätefehler. Wenn die Leckmenge klein ist erzielt man selbst bei kleinen Durchflüssen ein genaue:

Meßergebnis. Um bei kleinen Durchflußmengen der Gerätefehier zu verbessern, muß die Leckmenge so gering wie möglich gehalten werden. Hieraus folgt, daß auch der Dr?hwiderstand der Läufer minimal sein soll.

Es ist bereits ein Durchflußmesser der eingangs erwähnten Art bekannt (GB-PS 3 00 599), dessen mit Läufern versehene Wellen sich auf untere Axiallager abstützen. Mu einer solchen Anordnung läßt sich zwar schon auch bei kleinen Durchflüssen ein genaues Meßergebnis erreichen, jedoch wird sich bei langem Lauf auch eine Lagerabnutzung einstellen, die den Einsatz des Durchflußmessers für sehr kleine Durchflußmengen unbrauchbar macht. Darüber hinaus lassen die Reibungskräfte der Axiallager es nicht zu, daß die Durchflußmengen unter einen bestimmten Wert vermindert werden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, bei einem Durchflußmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 den Reibungswiderstand bei Drehung der Läufer zu verringern, daß kleinste Durchflußmengen mit Sicherheit bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die obere Kammer und die untere Kammer mit dem Durchflußkanal durch Durchlaßkanäle verbunden sind.

Es wird folglich der Differenzdruck zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Durchflußmessers ausgenutzt, um das Auflagegewicht der Läufer und der Wellen herabzusetzen. Dadurch wird der Drehwiderstand zwischen Läuferwellen und Lager weiter vermindert. Durch die Ableitung eines Teils des Fluids aus dem Durchflußkanal in die obere und untere Kammer werden einerseits das Getriebe und andererseits die Lager durch das Fluid geschmiert, insbesondere wenn es sich um öl handelt, so daß sich auch deshalb die Läufer leichter drehen. Bei kleinen Durchflüssen ist der Gerätefehler doch geringer als bei den bisher bekannten Anordnungen, und es ergibt sich eine höhere Lebensdauer.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß es bereits bekannt ist, (FR-PS 15 57 513) bei Ovalradzählern einen Druckausgleich zwischen der Meßkammer und dem die Wellenenden aufnehmenden Seitenkammern vorzusehen. Dieser Druckausgleich dient jedoch nicht zur Entlastung der Läuferwellen, da die Läuferwellen horizontal verlaufen.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der erste Durchlaßkanal die untere Kammer mit dem Einlaß und der zweite Durchlaßkanal die obere Kammer mit dem

Auslaß verbindet

Ferner ist es zweckmäßig, als Material für die Lager und die Läuferwellen besonders harte Legierungen zu verwenden, die korrosions- und verschleißfest sind.

Ausföhrungsformen von zum Stand der Technik gehörenden Durchflußmessern sowie Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht eines bekannten Durchflußmessers von oben,

Fig.2 eine Schnittseitenansicht längs der Linie H-Il des in Fig. 1 dargestellten bekannten Durchflußmessers,

Fig.3 eine Schnittansicht von oben auf einen nach der Erfindung ausgebildeten Durchflußmesser,

Fig.4 eine Schnittansicht von der Seite längs der Linie IV-IV des in Fig.3 dargestellten Durchflußmessers,

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Gerätefehlers in Abhängigkeit von dem Durchfluß und

Fig.6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Differenzdruck und dem Durchfluß.

Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte bekannte Durchflußmesser 10 enthält ein Gehäuse 11 und einen Zähler 12, der auf dem Gehäuse angeordnet ist An der einen Seite des Gehäuses U befindet sich ein Einlaß 13 und auf der anderen Seite ein Auslaß 14. An dem Gehäuse 11 sind eine obere innere Gehäuseplatte 15 und eine untere innere Gehäuseplatte 16 befestigt Die Platten sind in senkrechter Richtung um einen vorgegebenen Abstand voneinander entfernt angeordnet und begrenzen einen Fluiddurchlaß. Gehäuseinnenkörper 17a und 176 mit halbkreisförmigen Abschnitten 18a und 186 sind innerhalb des Gehäuses U zwischen der oberen Platte 15 und der unteren Platte 16 angeordnet. Der beschriebene Durchflußmesser 10 wird in einer solchen Stellung betrieben, daß ein durch den Einlaß 13 und den Auslaß 14 gelegter Querschnitt in einer horizontalen Ebene liegt

An Wellen 19 und 20 befestigte Läufer 21 und 22 sind innerhalb eines Raumes drehbar angeordnet, der durch die obere Platte 15, die untere Platte 16 und die ,Gehäuseinnenkörper 17a und 176 begrenz« wird. Die obere und die untere Platte IS und 16 sind mit Gleit- oder Radiallagern 23, 25 und 24, 26 aus Kohle oder einem ähnlichen Stoff ausgerüstet. Die Läuferwellen 19 • und 20 werden von den Radiallagern 23, 24 und 15, 26 bezüglich der Horizontalebene senkrecht ausgerichtet und an Transversalschwingungen gehindert.

Die unteren Enden der Wellen 19 und 20 werden von Axiallagern 29 und 30 mit Kugeln 27 und 28 untersützt. Als Material für die unteren Enden der Wellen 19 und 20, die Kugeln 27 und 28 und die Axiallager 29 und 30 kommen äußerst harte Legierungen in Frage, beispielsweise Wolframcarbid und Chromcarbid, die außerordentlich korrosionsbeständig und verschleißfest sind. Ein Stützkörper 31. dessen unteres Ende in eine öffnung des Gehäuses 11 wasserdicht eingepaßt ist, ist mit seinem oberen Ende an der unteren Oberfläche der unteren Platte 16 befestigt. Lagerbausätze 32 und 31 deren obere Abschnitte von den Axiallagern 29 und 30 gebildet werden, sind mit ihren Gewindekörpern 34 und 35 in den Stützkörper 31 eingeschraubt. Die Lagerbausätze 32 und 33 greifen wasserdicht in den Stützkörper 31 ein und können darin in senkrechter Richtung gleitend hin- und hergeschoben werden.

Durch die Zwischenräume zwischen den Wellen 19 und 20 und den Radiallagern 24 und 26 tritt ein zu messendes Fluid in eine Kammer 40 ein, die sich zwischen der unteren Platte 16 und dem Stützkörper 31 befindet Die Axiallager 29 und 30 mit den Kugeln 27 und 28 sind daher von dem Fluid umgeben, wodurch der Reibungswiderstand der Lager vermindert wird.

An den oberen Enden der Wellen 19 und 20 sind Führungszahnräder 36 und 37 befestigt Die Führungszahnräder 36 und 37 Steher, miteinander in Eingriff, so daß sich die Läufer 21 und 22 gemeinsam drehen. Ein am oberen Ende der Welle 20 befestigter, mh Zähnen versehener Körper 39 greift in ein Zahnrad 38 ein. Über den Zahnkörper 39 und das Zahnrad 38 wird die Drehbewegung der Wellen 19 und 20 zu einem Zählwerk in dem Zähler 12 übertragen. Die Führungszahnräder können entfallen, wenn man als Läufer ovale Zahnräder benutzt

Im folgenden wird die Arbeitsweise des beschriebenen Durchflußmessers 10 erläutert

Wenn das zu messende Fluid durch den Einlaß 13 in den Durchflußmesser strömt werden die Läufer 21 und 22 infolge des Differenzdrucks zwischen dem Einlaß 13 und dam Auslaß 14 gedreht. Mit jeder Umdrehung der Läufer 21 und 22 strömt eine vorgegebene Fluidmenge aus dem Auslaß. Die Drehbewegung der Läufer 21 und 22 wird über die Welle 20, den Zahnkörper 39 und das Zahnrad 38 zum Zählwerk des Zählers 12 übertragen. Auf diese Weise kann das Zählwerk die durchströmte Durchflußmenge messen.

Die Läuferwellen 19 und 20 werden von den Lagern 23,24,25 und 26 lediglich in seitlicher Richtung und von den Lagern 29 und 30 lediglich in senkrechter Richtung gehalten. Der senkrechte Auflagedruck der Wellen einschließlich des Eigengewichts der Läufer 21 oder 22 und der Wellen 19 oder 20 wird somit lediglich von einem einzigen Lager 29 oder 30 aufgenommen. Durch das Einfügen der Lagerkugeln 27 und 28 zwischen die unteren Enden der Wellen 19 und 20 und die Auflageflächen der Axiallager 29 und 30 werden die Auflageflächen der Wellen 19 und 20 auf den Axiallagern 29 und 30 so gering wie möglich gehallen. Daher ist der Reibungswiderstand der Wellen 19 und 20 äußerst gering. Die Wellenbelastung, die die Lager 23, 24, 25 und 26 aufnehmen, ist lediglich eine Querbelasiung, die infolge des Differenzdrucks des Fluids beim Drehen der Läufer 21 und 22 auftritt. Das Eigengewicht der Läufer 21 und 22 und der Wellen 19 und 20 belastet die Radiallager nicht. Aus diesem Grunde ist die Wellenbelastung schon bei dem bekannten Durchflußmesser äußerst gering.

Dadurch daß die die Axiallager 29 und 30 berührenden Flächen so klein wie möglich sind und in Verbindung damit die Belastung der Radiallager 23 bis 26 so gering wie möglich gehalten wird, tritt nur ein äußerst kleiner Drehwiderstand auf, so daß bereits ein äußerst geringer Differenzdruck in der Lage ist, die Läufer 21 und 22 mit den Wellen 19 und 20 zu drehen.

In der Fig.5 ist der Gerätefehler in Abhängigkeit von dem Durchfluß dargestellt. Wie es aus der Kurve hervorgeht, ist bei einem nach der Erfindung aufgebauten Durchflußmesser der Gerätefehler bei kleinen Durchflüssen sehr gering.

An Hand der Fig. 3 und 4 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In den F i g. 1 bis 4 sind ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf eine besondere Beschreibung dieser Teile kann im folgenden verzichtet werden.

Der in den F i e. 3 und 4 dargestellte Durchflußmesser

50 enthält ein Gehäuse 51 und eitren Zähler 12. Das Gehäuse 51 weist einen Durchlaßkanal 53 auf, der einen kleinen Durchmesser hat und den Einlaß 13 mit einer unteren Kammer 52 verbindet, die von dem Gehäuse 51 und der unteren Platte 16 begrenzt wird. In dem Gehäuse 51 ist ein weiterer Durchlaßkanal 55 vorgesehen, der ebenfalls einen kleinen Durchmesser hat und den Auslaß 14 mit einer oberen Kammer 54 verbindet, die von dem Gehäuse 51 und der oberen Platte 15 begrenzt wird.

Ein Stützkörper 56 mit einer an seiner einen Seite vorgesehenen Durchgangsöffnung 57 ist mit seinem oberen Ende an der unteren Oberfläche der unteren Platte 16 befestigt. Der untere Abschnitt des Stützkörpers 56 ist wasserdicht in eine Öffnung eingepaßt, die in dem Gehäuse 51 vorgesehen ist. Eine in dem Stützkörper 56 vorgesehene Kammer 65 steht über den Durchlaßkanal 53, die untere Kammer 52 und die Durchgangsöffnung 57 mit dem Einlaß 13 in Verbindung und wird mit dem zu messenden Fluid angefüllt Die obere Kammer 54 steht über den Durchlaßkanal 55 mit dem Auslaß 14 in Verbindung und wird ebenfalls mit dem Fluid angefüllt.

Nahe beim Austritt des Durchlaßkanals 55 zur oberen Kammer 54 ist eine Einstellschraube 58 vorgesehen, mit der die Austrittsfläche eingestellt werden kann. Zu diesem Zweck kann man die Schraube 58 von der Außenseite des Gehäuses 51 drehen. Innerhalb des Einlasses 13 ist zum Erzeugen eines Differenzdrucks eine Hilfsplatte 59 vorgesehen. Die Hilfsplatte 59 kann durch Drehen einer Einstelleinrichtung 60 eingestellt werden, die an der Hilfsplatte 59 befestigt ist An den oberen Enden der Lager 23 und 25 und an den unteren Enden der Lager 24 und 26 sind Labyrinthdichtungspakkungen 61, 63 und 62, 64 vorgesehen, die ein Durchsickern des Fluids verhindern. Die Läufer 21 und 22 und ihre Wellen 19 und 20 sind in der gleichen Weise angeordnet wie bei dem bereits beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. So sind die Läufer 2i und 22 und die Wellen 19 und 20 senkrecht ausgerichtet Die Lager 23 bis 26 nehmen auftretende Querkräfte auf. Die Auflager 29 und 30 unterstützen die Wellen in senkrechter Richtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung laufen die unteren Enden der Wellen 19 und 20 konisch zu und werden direkt von den Lagern 29 und 30 getragen. Anstelle der Spitzenlagerung kann man aber auch eine Kugellagerung verwenden, wie es bei dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt ist

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Durchflußmessers SO erläutert Wenn das zu messende Fluid über den Entlaß 13 in den Durchflußmesser einströmt, werden die Läufer 21 und 22 infolge des Differenzdrucks des Fluids zwischen dem Einlaß 13 und dem Auslaß 14 gedreht Dieser Differenzdruck ist eine Folge des Drehwiderstands der Läufer 21 und 22. Die Beziehung zwischen der Durchflußmenge und dem Differenzdruck ist in der Fi g. 6 dargestellt Dabei gibt die Kurve C einen Zustand an. bei dem sich die Hilfsptatte 59 zum Erzeugen eines Differenzdrucks in einer solchen Stellung befindet in der der Widerstand, den die Ratte 59 dem durch den Einlaß 13 strömenden Fhiid entgegensetzt mal ist

Es sei angenommen, daß zwischen dem Einlaß 13 und dem Auslaß 14 ein Differenzdrnck von A P₁ herrscht wenn der Durchfluß Oi betragt Der Druck des Fluids im Einlaß 13 wird Ober den Durchlaßkanal 53, die untere Kammer 52 und die Durchgangsöffnung 57 in die Kammer 65 im Stützkörper 56 übertragen. Der Druck des Fluids im Auslaß 14 wird über den Durchlaßkanal 55 in die obere Kammer 54 übertragen. Der Fluiddruck in der Kammer 65 stimmt somit mit dem Druck im Einlaß 13 überein. Der Fluiddruck in der Kammer 54 stimmt mit dem Druck im Auslaß 14 überein. Der Fluiddruck in der Kammer 54 ist somit um Δ P₁ geringer als der Druck in der Kammer 65.

Aus diesem Grund wird auf die waagrechten Flächen

ίο der Wellen 19 und 20 und der Labyrinthdichtungspakkungen 62 und 64 eine senkrecht nach oben gerichtete Kraft ausgeübt. Die Läufer 21 und 22 und die Wellen 19 und 20 nehmen die nach oben gerichtete Kraft auf.

Die senkrecht nach oben wirkende Kraft f\ kann durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden:

/i = a η Δ Ρ\.

Dabei ist a die effektive Fläche des Rotors 21 (22) und der Labyrinthdichtungspackung 62 (64), η der Labyrintheffekt und Δ P₁ der Differenzdruck zwischen der Kammer 65 und der Kammer 54.

Die auf das Lager 29 (30) ausgeübte Wellenbelastung IV₂ beträgt somit:

W₁-/",= VV₁ -a η Δ P₁.

Dabei ist W₁ das Gesamtgewicht des Läufers 21 (22) und der Welle 19 (20).

Die senkrechte Auflagerkraft des Lagers 29 (30) ist somit um die Kraft /i, die durch den Differenzdruck erzeugt wird, kleiner als das Gesamtgewicht W₁.

Wenn man die auf das Lager 29 (30) ausgeübte Wellenbelastung weiter vermindern will, kann man die den Differenzdruck einstellende Hilfsplatte 59 verdrehen. Wenn man die Hilfsplatte 59 mit der Einstelleinrichtung 60 um einen gewünschten Winkel dreht, nimmt der Strömungswiderstand im Einlaß 13 zu. Es ergibt sich dann die durch die Kurve Din der Fig.6 dargestellte Beziehung zwischen dem Differenzdruck und dem Durchfluß. Bei dem Durchfluß von Q₁ tritt jetzt ein Differenzdruck von Δ P₂ auf. Durch das Verstellen der Hilfsplatte 59 ist somit der Differenzdruck um einen Wert (Δ Ρ7-Δ P₁) angewachsen. Die von dem Lager 29 (30) aufgenommene Wellenbelastung W₂, ergibt sich entsprechend der Gleichung (2) wie folgt:

Durch passende Wahl der effektiven Fläche a und des Differenzdrucks Δ P₂ kann man somit für die Wellenauflagerkraft W₂- einen kleinen Wert erhalten.

Wenn die unteren Abschnitte der Wellen 19 und 20 •und die Lager 29 und 30 allmählich verschleißen und die unteren Oberflächen der Läufer 21 und 22 auf der oberen Oberfläche der unteren Platte 16 laufen, nimmt der Drehwiderstand der Läufer zu. Damit ist jedoch auch eine Zunahme des Differenzdrucks Δ Pverbunden. Der erhöhte Differenzdruck Δ P hat eine größere nach oben gerichtete Kraft zur Folge, die auf die Läufer 21 und 22 ausgeübt wird. Auf die Läufer 21 und 22 wirkt somit eine Kraft ein, die die Läufer nach oben drückt

*o Auf diese Weise werden die unteren Oberflächen der Läufer 21 und 22 von der oberen Oberfläche der unteren Platte 16 abgehoben. Die Zunahme des Drehwiderstands wird somit durch einen erhöhten Differenzdnick zum Teil ausgeglichen.

*5 Wenn die unteren Endabschnitte der Wellen 19 und 20 und die Lager 29 und 30 m einem solchen Maße abgeschliffen sind, daß der Differenzdruck den erhöhten Drehwiderstand nicht mehr ausgleichen kann, ist es

möglich, die Gewindekörper 34 und 35 von der Außenseite des Gehäuses 51 derart zu drehen, daß die Wellen 19 und 20 und die Läufer 21 und 22 um einen geeigneten Betrag angehoben werden, so daß die Lager wiederum das gesamte Auflagegewicht aufnehmen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Durchflußmesser mit einem einen Durchlaßkanai aufweisenden Gehäuse, mit einer oberen und einer unteren einen Fluiddurchlaß begrenzenden Seitenplatte, von denen die obere Seitenplatte und das Gehäuse eine obere Kammer und die untere Seitenplatte und das Gehäuse eine untere Kammer begrenzen, mit senkrecht zu dem Fluiddurchlaß angeordneten, mit Läufern versehenen Wellen, die sich auf untere Axiallager abstützen, und die ferner in in der oberen Seitenplatte und in der unteren Seitenplatte angeordneten Radiallagern gelagert sind, und mit einem auf dem Gehäuse angeordneten Zähler, dessen Zählwerk mit dem Ende einer der Wellen gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Kammer (54) und die untere Kammer (52) mit dem Durchflußkanal durch Durchlaßkanäle (53,55) verbunden sind.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1 mit horizontalem Fluiddurchlaß, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Durchlaßkanal (53) die untere Kammer (52) mit dem Einlaß (13) und der zweite Durchlaßkanal

(55) die obere Kammer (54) mit dem Auslaß (14) verbindet.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Einlaß (13) des Gehäuses (51) ein mit einer Einstelleinrichtung (60) drehbarer Strömungswiderstandskörper (59) angeordnet ist.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsfläche des in die obere Kammer (54) mündenden Durchlaßkanals (55) mit einer Einrichtung (58; einstellbar ist.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil eines in der unteren Kammer angeordneten Stützkörpers

(56) in das Gehäuse eingepaßt ist und die Axiallager trägt und daß der Stützkörper eine Durchgangsöffnung (57) aufweist, über die der Fluiddruck von der unteren Kammer (52) in eine innerhalb des Stützkörpers ausgebildete Kammer (65) gelangt.

6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den oberen und unteren Abschnitten der Wellen innerhalb der unteren und oberen Labyrinthdichtungspackungen (61, 62, 63, 64) angeordnet sind, die jeweils den Fluiddruck in der unteren und oberen Kammer aufnehmen.

7. Durchflußmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Axiallager aus einer äußerst harten Legierung bestehen, die korrosions- und verschleißfest ist.