DE2254482B2

DE2254482B2 - Durchflussmesser fuer fluide

Info

Publication number: DE2254482B2
Application number: DE19722254482
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Gnverus, Tor Lennart Bernt, Taby (Schweden)
Priority date: 1971-11-10
Filing date: 1972-11-07
Publication date: 1977-10-27
Also published as: NL7214695A; SE367249B; GB1406040A; NO137028B; HU166706B; DE2254482A1; FR2161956B1; DK139048C; NO137736B; CH573589A5; NO137736C; AU4828172A; NL7214693A; DE2254482C3; DE2254481B2; AU469462B2; NL157105B; CA970592A; DE2254481C3; NL167242B

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser für Fluide mit einem ringförmigen Gehäuse, in das das Fluid durch wenigstens eine tangentiale Einströmöffnung eintritt und aus dem es durch eine zentrale axiale Ausströmöffnung ausstritt und mit einem von dem Fluid angetriebenen Meßelement, das von einer sich von der Einströmöffnung aus in Umfangsrichtung des Gehäuses im Querschnitt verjüngenden, ringförmigen Strömungszone umgeben ist, von der aus das Ftuid zur Ausströmöffnung strömt, die außen von einer Umfangswand und zwei sich gegenüberliegenden, scheibenförmigen Stirnflächen begrenzt ist.

Bekannte Durchflußmesser, die normalerweise zur Messung kleinerer Mengenströme dienen, weisen eine Anzahl Nachteile auf, die hauptsächlich mit der Konstruktion des ringförmigen Gehäuses bzw. seiner Strömungszone und der erzwungenen Bewegung des Meßelements zwischen den Stirnwänden des Gehäuses in Zusammenhang stehen. Bei Durchflußmessern der

,enannten Art, die mit einer kreisrunden Durchflußneßkarnmer versehen sind, welche eine oder mehrere Einströmöffnungen aufweisen, die sich ins Kammerinnere erstrecken, wird das Meßelemcnt da/u gezwungen. jedesmal dann, wenn es auf seiner Kreisbahn einen Umlauf vollendet hat, die durch die Einströmöffnung eintretenden Fluidstrahlen zu passieren. Falls das Meßelement eine Kugel ist, dann muß diese das einströmende Fluid durchqueren, wobei sie starken, unregelmäßigen Beschleunigungskräften ausgesetzt wird, die zu starken Stoßen zwischen der Gehäusewandung und der Kugel führen. Dies hat zu,- Folge, daß die Kugel und die Gehäusewandung rasch verschleißen, und der Durchflußmesser mit einem hohen Geräuschpegel arbeitet sowie mit einem hohen Druckverlust und auch mit einer nichtlinearen Abhängigkeit zwischen den Strömungsparametern und der Umlauf- oder Kreisbahngeschwindigkeit der Kugel. Des weiteren macht es die kreisrunde Form der Kammer bzw. die Ringform des Gehäuses unmöglich, in der Kammer eine symmetrische Strömung aufrechtzuhaiten, das heißt ein Strömungsbild zu erhalten, bei dem das Fluid in gleichmäßigen, spiralförmigen Strömungslinien sich durch den Durchflußmesser hindurchbewegt. Das Fluid wird vielmehr in Strömungswege gedrängt, die von der gewünschten spiralförmigen Bahn an den verschiedenen Stellen rund um den Umfang der Kammerwandung in unterschiedlichem Maße abweichen. Dadurch wird bewirkt, daß auch die Geschwindigkeit der Kugel auf der Kreisbahn variiert, wodurch nicht nur ein ungleichmäßiger Verschleiß verursacht wird, sondern auch die Meßgenauigkeit erheblich beeinträchtigt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, den Durchflußmesser der obigen Art so zu gestalten, daß über den Umfang gesehen eine möglichst konstante radiale Einströmung zum Zentrum der Meßkammer hin erfolgt, um dadurch das Meßgerät gegen äußere Beschleunigungskräfte weitgehend unabhängig zu machen, eine verhältnismäßig geräuschlose Arbeitsweise zu erreichen und einen geringen Druckabfall sowie ein hohes Maß an Linearität und Reproduzierbarkeit der Meßwerte und schließlich auch einen breiteren Arbeitsbereich als er bisher verwirklicht werden konnte.

Bei einem bekannten Durchflußmesser der obigen Art(GB-PS 5 29 615) sind diese Bedingungen nicht oder nur zum Teil schon deshalb nicht erfüllt, weil das Gerät mit einem mit gekrümmten Schaufeln versehenen, um eine feststehende Achse rotierenden Meßrad als Meßelement arbeitet.

Zur Lösung der obigen Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Umfangswv.nd über ihre ganze Höhe zwischen den Stirnwänden ihren Abstand zu einer gedachten, die inneren Ränder der Einströmöffnung tangierenden, zur Ausströmöffnung koaxialen, kreisförmigen, zylindrischen Grenzfläche zur Bildung einer spiralförmigen Strömungszone kontinuierlich vermindert, und daß das Meßelement aus einem zwischen dieser gedachten Grenzfläche und der Ausströmöffnung auf einer Kreisbahn umlaufenden, von den Stirnwänden frei geführten Meßkörper besteht.

Die Ausbildung einer spiralförmigen Strömungszone in Verbindung mit einem frei geführten Meßkörper bringt im wesentlichen den Vorteil, daß sich der Meßkörper innerhalb der Strömung frei einstellen kann und dadurch einen geringeren Druckabfall verursacht als ein zwangsläufig geführter Meßkörper. Darüber hinaus wird das Strömungsfeld bei Verwendung eines relativ kleinen Meßkörpers, der vorteilhafterweisc die

form einer Kugel haben kann, praktisch nicht gestört, insbesondere dann nicht, wenn es nicht selbst vom Fluid durchströmt wird, wie dies beispielsweise bei Durchflußmessern mit angetriebenen Meßelementen, beispielsweise 1 urbinenrändern oder .Schaufelgittern oder -iiügeln der Fall ist, auf die der Fluidstrom Impulse überträgt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung läßt sich die tangential Einströmöffnung oder Einströmöffnungen mit einem rechteckigen Querschnitt versehen, bei dem ein Paar gegenüberliegende Seiten sich mit ihren Rändern im wesentlichen auf derselben Höhe befinden wie die gegenüberliegenden Stirnwände, so daß beim Eintritt des Fluids in das ringförmige Gehäuse an den Eintrittsöffnungen keine oder nur geringfügige Wirbel entstehen.

Wird das Meßelement als Kugel ausgebildet, so werden in den Stirnwänden flache Führungsnuten vorgesehen, in denen die Kugel abrollt.

Als Form für die spiralförmige Strömungszone haben sich sowohl logarithmische als auch archimedische Spiralen bewährt.

Bei einem gleichartigen Durchflußmesser für Fluide wird von einem Gehäuse mit zylindrischer Umfangswand ausgegangen, das eine kreisförmige Eintrittszone aufweist, in die das Fluid eintritt, darin zirkuliert und von dort aus etwa tangential in eine innere Fühlzone übertritt, wobei durch das in der Fühlzone zirkulierende Fluid ein Meßkörper auf einer Kreisbahn vorwärtstreiboar ist.

Bei einem solchen Durchflußmesser werden die eingangs genannten Nachteile in annähernd gleichwertiger Weise durch eine Konstruktion beseitigt, die sich dadurch kennzeichnet, daß das Gehäuse von gegenüberliegenden oberen und unteren Stirnwänden gebildet ist, die die Eintrittszone A und die Fühlzone B oben und unten abschließen, von denen eine Stirnwand eine zentrale axiale Ausströmöffnung aufweist, daß zwischen der Eintrittszone A und der Fühlzone Sein kreisrundes, festes Führungsflügelsystem angeordnet ist, das die Fühlzone B konzentrisch umgibt und sie begrenzt und meh.ere gleichmäßig verteilte Führungsflügel hat, die über den ganzen Umfang in demselben Winkel in bezug auf den Radius engestellt sind, und daß der Meßkörper frei umläuft und durch die Stirnwände des Gehäuses geführt ist.

Auch in diesem Fall hat sich als Meßkörper eine Kugel bewährt, weil diese das Strömungsverhältnis nur geringfügig stört, wenn sie von der Fluidströmung umströmt wird und dabei vom Strömungswiderstand vorwärtsgetrieben wird.

Das eingangs genannte Problem besteht auch bei einem Durchflußmesser für Fluide mit einem ringförmigen Gehäuse, in das das Fluid durch wenigstens eine tangential Einströmöffnung eintritt und aus dem es durch eine zentrale, axiale Ausströmöffnung austritt, mit einem von dem Fluid angetriebenen, drehbar gelagerten Meßrad, das von einer sich von der Einströmöffnung aus in UmfangsrichUing des Gehäuses im Querschnitt verjüngenden Eintrittszone für die Strömung umgeben ist, von der aus das Fluid zur Ausströmöffnung strömt, und die innen bis zu einer gedachten, die inneren Ränder der Einslrömöfl'nung tangierenden, zur Ausströmöllnung koaxialen, kreisförmigen, zylindrischen Grenzflache reicht, wobei das Meßrad mit wenigstens radial gerichteten Flügeln ausgestattet ist, die in den Bereich innerhalb der gedachten Grenzfläche hineinragen und auf der der Ausströmöffnung gegenüberliegenden Seite

mit Armen an der Drehachse befestigt sind.

Bei dem bekannten Durchflußmesser dieser Art (DT-PS 41 017) ist der Strömungsverlauf deshalb nicht optimal, weil die Querschnittsform des sich spiralförmig verjüngenden Einströmungskanals sich in Umfangsrich- > tung verändert. Dies bewirkt eine Änderung der in radialer Richtung übertretenden Fluidmenge längs des Umfangs. Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird deshalb bei diesem Durchflußmessertyp erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Eintrittszone auf den beiden Stirnseiten von zwei Stirnwänden des Gehäuses eingeschlossen und nach außen von in einer in axialer Richtung geraden Umfangswand begrenzt ist, die über ihre ganze Höhe zwischen den Stirnwänden parallel zur gedachten Grenzfläche verläuft, und deren is Abstand zu der gedachten Grenzfläche sich in Umfangsrichtung kontinuierlich vermindert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der oben angegebenen drei nebengeordneten Lösungen der bezeichneten Aufgabe sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung mit Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine waagerechte Schnittansicht einer Meßkammer mit einer schematischen Darstellung des inneren geometrischen Aufbaus der Kammer,

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie 11-11 in Fig. 1.

Fig.3 das Strömungsfeld innerhalb eines Teils der Kammer,

Fig.4 und 5 Diagramme, die den Verlauf der Strömung innerhalb eines Teils der Kammer verdeutlichen,

Fig.6 eine waagerechte Schnittansicht eines Durch- is flußmessers, der mit der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Kammer versehen ist, und zwar längs der Linie VI-V! in Fig. 7.

Fig. 7 eine Querschnittsansicht längs der Linie VII-VII in Fig.6,

Fig. 7a eine Querschnittsansicht ähnlich der von Fig. 7, die jedoch eine andere Ausführungsform der Meßkammer darstellt,

F i g. 8 eine schematische waagerechte Schnittansicht eines Durchflußmessers, der mit der Strömungskammer 4s nach der zweiten Ausführungsform verschen ist, und zwar längs der Linie VIII-VIII in Fig. 9,

Fig. 9 eine Querschnittsansicht längs der Linie IX-IX in F ig. 8,

Fig. 10 einen Durehflußmesser mit einer Meßkam- so mer, die jedoch mit einem modifizierten Fiihlcrclcmcnt ausgestattet ist.

Fig. 10a eine Ansicht derselben Meßkammer wie in Fig. 10, jedoch wiederum mit einem anderen Fühlerclcmcnt, ss

F ig. 10b und I Oc Einzelheiten des in den F i g. 10 bzw. 10a gezeigten Fühlcrclcnients,

F i g. 11 eine Querschnittsarsicht längs der Linie Xl-Xl in Fig. 10,

Fig. 12 eine Querschnittsansicht ähnlich der von do Fig. 11, die jedoch eine andere Ausführiingsform der Anzeigevorrichtung aufweist, und

I" ig. 1.3 einen Doppelflußmesser mit einer Meßkammer mit doppelter Eintrittsöffnung.

In den I" ig. I und 2 isl schematise!! die innere (>s geometrische Form der als ringförmiges Gehäuse ausgebildeten Diirchflußmeükammer des Durchflußmessers dargestellt. In Draufsicht wird die Kammer außen von einer Wand 10 begrenzt, die von der Außenseite 12 der Mündung eines Eintrittskanals ausgeht und spiralförmig rund um die Kammer läuft, deren Mittelpunkt bei O liegt, und auf der Innenseite 14 der Eintrittsöffnung endet, wobei die Spiralform logarithmisch ist. Betrachtet man die Kammer im Querschnitt, wie in F i g. 2 gezeigt, so wird sie von oberen und unteren ebenen Wänden 16 und 18 begrenzt. Der Mittelteil der Kammer steht mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden Austrittsöffnung 20 in Verbindung, die konzentrisch zur Kammer liegt und bei der dargestellten Ausführungsform mit der unteren Wand 18 verbunden ist. Was die: Eigenschaften des in der Kammer vorhandenen Strömungsfeldes anbelangt, so ist das Innere der Kammer so gebaut, daß es in eine Eintrittszone A, eine Fühlzone ßund eine Austrittszone C unterteilt ist. Die Eintrittszone und die Fühlzone sind durch eine imaginäre zylindrische Oberfläche getrennt, die sich konzentrisch zur Eintrittsöffnung erstreckt und im wesentlichen tangential zum Eintrittskanal an der Innenseite 14 der Mündung des Kanals angeordnet ist. Diese Grenze oder Strömungsmittelgrenzfläche ist bei 22 gezeigt. In ähnlicher Weise sind die Fühl- und Austrittszonen B bzw. C durch eine imaginäre zylindrische Oberfläche oder Strömungsmittelgrenzfläche getrennt, die eine imaginäre Verlängerung der zylindrischen Austrittsöffnung 20 bildet, welche sich in die Kammer hineinerstreckt, wie dies durch das Bezugszeichen 24 dargestellt ist. Bei dieser Kammerkonstruktion bewegt sich das Strömungsmittel, das in der sich verjüngenden Eintrittszone A fließt, die eine logarilhmische Spirale aufweist, schräg so in die Fühlzone S hinein, daß in dem ganzen Strömungsmittelfluß bei dessen Durchgang durch die Grenzfläche 22 zwischen diesen Zonen dieselben Strömungsbedingungen herrschen, d. h. das Strömungsmittel passiert die Grenzfläche in einer Richtung, die so gewählt ist, daß die ganze Strömung in die Fühlzone unter demselben Winkel zu einem Radius eintritt, der zum Mittelpunkt O der Ausströmöffnung führt, sowie mit einer Geschwindigkeit gleicher Größe, und zwar an jeder beliebigen Stelle längs der Grenzfläche 22. Des weiteren weist der Strömungsmittelfluß durch die Kammer, die aus ebenen, beidseitig parallelen Wänden besteht, praktisch überhaupt keine Axialkomponenien auf. Zur Messung der Strömungsparameter kann die Fühlzone Sein Meßkörper aufnehmen. Bei dem im folgenden beschriebenen Ausführungsformen ist in der Fühlzonc R ein beweglicher Körper angeordnet, der veranlaßt wird, sich unter der Wirkung des durchfließenden Mediums längs einer kreisrunden Bahn zu bewegen, die konzentrisch zur Kammer verläuft. Das erwähnte gleichförmige Einströmen des Mediums mit der sich daran anschließenden symmetrischen Strömung in der Fühlzone bildet die Grundlage, auf der die erwünschte Linearität in den mit dem Durchflußmesser erhaltenen Meßwerten, die die bisher bekannten Durchflußmesser nicht bieten, erreicht wird, das heißt, die von dem Meßkörper innerhalb aller praktisch möglichen Grenzen gelieferten Anzeigewerksind in einem hohen Maße direkt proportional der Geschwindigkeit oder dem Volumenstrom des durchströmenden Mediums. Dieser Zusammenhang /wischen der Strömung in der Fühlzone /Mind der Linearität der Meßwerte wird im einzelnen anhand eier I■" i ρ. J — 5 erläutert.

So zeigt F i;;. .3, wie ein Fhiidtcilchen des .Strömimgsmittcls, das in die Fühi/one B an einem willkürlich gewählten Punkt 26 in einer Rii-hlimr einiriti dir mit

dem Radius den Winkel α bildet, sich der Austrittszone C auf einer spiralförmigen Bahn nähert, wobei das Fluidteilchen mehrere Male rund um die Fühlzone B umläuft, bevor es die Ausströmöffnung erreicht. Die Geschwindigkeit des Teilchens bei seinem Eintritt in die Fühlzone ist mit Co bezeichnet und läßt sich in eine Tangentialkomponente Vo und eine Radialkomponente Uo aufteilen. An einem anderen willkürlich gewählten Punkt 28 des Radius r auf der Bewegungsbahn des Teilchens beträgt die Geschwindigkeit des Teilchens C mit den Tangential- und Radialkomponenten V und U. Letztere Komponenten sind verantwortlich für den Transport des Strömungsmittels durch die Meßkammer, und wenn man einen bestimmten Durchflußmesser mit bestimmten Abmessungen betrachtet, also mit einer Kammer der Höhe h und bei einem Radius der Fühlzone ro, dann ergibt sich für das Durchflußvolumen q, d. h. also das Volumen des durch die Kammer strömenden Strömungsmittels pro Zeiteinheit, der folgende Zusammenhang, und zwar aufgrund der Kontinuität und der Symmetrie, die in der Eintrittszone vorhanden sind,

q = 2nr₀ -/J-IZ₀.

Unter Berücksichtigung der Strömungsmechanik weist der radiale Einlauf des Strömungsmittels in die Fühlzone eine Reynoldszahl

Re =

U₀ r₀

auf, wobei ε die auftretende Viskosität des Strömungsmittels bei laminarer oder turbulenter Strömung innerhalb der Fühlzone ist. Die herkömmlichen Strömungsgleichungen lassen sich zur Bestimmung der Strömung innerhalb der Fühl- und Austrittszonen .vs benutzen, und Fig.4 zeigt graphisch die eine Lösung dieser Gleichungen für eine Anzahl Werte von Re in Form von Kurven, die die Tangentialgeschwindigkeit V als Funktion des Kammerradius r beschreiben, wobei die Relativwerte V/Vo und r/rn angegeben sind, um dimensionslose Bezugspunkte zu erhalten. Es wird darauf hingewiesen, daß die unterschiedlichen Kurven auch unterschiedliche q-Werte darstellen, da der obige Ausdruck für ς wie folgt geschrieben werden kann:

q = 2.7i-„ · h ■ U₀ = 2.τ/ί · R₁. ■ c = konsl. Re .

Daraus ist ersichtlich, daß zwischen den Teilen der Kurven, die im allgemeinen im Bereich r/r« = 0 bis r/r» = 0,3 — 0,4, also im allgemeinen innerhalb der Austrittszone C liegen, Abweichungen auftreten. Die Grenzlinie 24 zwischen der Fühlzonc B und der Austrittszonc Cist in dem Diagramm dargestellt.

Wenn die Strömung bei einem willkürlich gewählten Radius η innerhalb der Fühlzonc betrachtet wird, der \s durch die Linie 30 in F i g. 4 bei dem Wert n/r» angezeigt wird und die Tangentialgeschwindigkeit Vi bei diesem Radius als Funktion von Re und damit von q ermittelt wird, also in Form der Rclativgcschwindigkcit V₁/ V». so ergibt sich die in Fig. 5 dargestellte Kurve. Wenn Re <«' sehr kleine Werte aufweist, so steigt VV V₁₁ mit wachsendem Re bis zu einem konstanten Wert an, der für Rc größer als etwa 6 anwendbar ist. Dieser Re-Wert entspricht einem minimalen Durchflußvolumen q_im„, und für alle größeren (/-Werte isl das Verhältnis V\/ V₁, somit (<s konstant, d. h. Vi = konst. V». |edoch ist V₁, aufgrund der gleichmäßigen Verteilung des Strömungsmittels, die durch die Eintriltszone bewirkt wird, direkt proportional dem Durchflußvolumen q, wobei V₁ ebenfalls direkt proportional gist, d. h. Vi = konst. q.

Da r\ ein willkürlich gewählter Radius innerhalb der Fühlzone gewesen ist, ist die obige Diskussion für jeden beliebigen Radius innerhalb dieser Zone anwendbar, d. h. die gewünschte lineare Abhängigkeit zwischen V und q gilt für die ganze Fühlzone. Alternativ dazu läßt sich die Linearität auch so ausdrücken, daß dann, wenn q großer ist als q_mm das Winkeldrehmoment

π = ν,Γ,/Voro

konstant und unabhängig von dem Durchflußvolumen q in der Fühlzone ist, da das relative Winkeldrehmoment für den Radius r\ nur eine mit Vi/Vo multiplizierte Konstante ist.

Praktische Versuche haben gezeigt, daß ein Durchflußmesser mit einer gemäß den hier gemachten Vorschlägen gebauten Strömungskammer in einem hohen Maße innerhalb des ganzen in Frage kommenden Strömungsbereiches linear ist. Ein interessanter Umstand ist in dieser Hinsicht der Einfluß, den in der Praxis die Wandreibung ausübt. Diese Reibung hat eine geringe Verschiebung der in F i g. 4 gezeigten Kurven nach unten zu zur Folge, und dementsprechend verlagert sich die Kurve von F i g. 5 etwas nach unten, wie dies durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, obgleich es kennzeichnend und charakteristisch für die Strömungskammer ist, daß die Linearität nicht als Folge der Wandreibung verlorengeht. Praktische Versuche haben ferner gezeigt, daß sich, falls dies gewünscht wird, die Fühlzone bis zu einem Radius erweitern läßt, der geringfügig kleiner ist als der Radius der Austrittsöffnung, ohne daß dadurch Nachteile entstehen.

Schließlich wird bezüglich des in F i g. 5 dargestellten Zusammenhanges darauf hingewiesen, daß der konstante Wert, der für die Relativgeschwindigkeit V|/V_o angenommen wird, in der ganzen Fühlzone größer 1 ist. Daraus läßt sich schließen, daß eine vorteilhafte strömungsmechansiche Verstärkung des Durchflusses erhalten wird, d. h., daß ein Fühlelement beispielsweise in Form einer freibeweglichen Kugel od. dgl., die sich in der Fühlzone befindet, rund um die Zone mit einer Geschwindigkeit vorwärtsgetrieben wird, die beträchtlich höher ist als die Durchschnittsgeschwindigkeit des Strömungsmittels, bei dessen Hineinströmen in den Durchflußmesser und Herausströmen. Dies ist auch in F i g. 3 dargestellt, wo gezeigt ist, wie sich ein Fluidteilchen über eine Anzahl Umläufe, und zwar im dargestellten Fall annähernd drei Umläufe, mit wachsender Geschwindigkeit innerhalb der Fühlzonc bewegt, bevor es sie Ausströmöffnung erreicht. Des weiteren braucht bei der hier beschriebenen Anordnung sich der Meßkörper niemals durch irgendeinen der eintretenden Strömungsmittclstralilcn hindurchziibcwegen oder von einem solchen Strahl berührt zu werden und dadurch verschleißenden Stößen etc. ausgesetzt zu werden. Aufgrund der Tatsache, daß das Strömungsmittel frei fließt, ohne auf Hindernisse in Form von Geschwindigkeit reduzierenden Taschen oder Elementen aufziitreffcn, die eine abrupte Änderung der Slrömungsrichumg bewirken, sind die Verluste in den einzelnen Zonen klein.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Sirömungskammcr kann in der Praxis in einem DiirchflulJmcsscr des in den Fig. 6 und 7 schematisch dargestellten Typs Verwendung finden. Der Durchflußmcsser der in den F i j;. b und 7 gezeigten Aiisführungsform ist allgemein mit 40 bezeichnet und weist ein Gehäuse 42 auf. das eine innere

und obere Stirnwand 44 und 46 besitzt, die parallel zueinander angeordnet sind und mit Hilfe der Umfangswand 48 in einem bestimmten Abstand zueinander gehalten werden. Die Stirnwände und die Umfangswand bilden gemeinsam eine Kammer 50, die eine tangential gerichtete Einströmöffnung 52 und eine zentral angeordnete Ausströmöffnung 54 aufweist, die in der unteren Stirnwand 44 angeordnet sein kann. Die Einströmöffnung 52 kann einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben und ist an die Wände der spiralförmigen Kammer angebracht, so daß abrupte Querschnittsänderungen vermieden werden, wodurch das Strömungsmittel ohne störende Verluste oder Axialströme in die Kammer eingeleitet werden kann.

Gemäß den obigen Ausführungen läßt sich die Kammer 50 in eine Eintrittszone A, eine Fühlzone Sund eine Austrittszone C unterteilen, die bei O einen gemeinsamen Mittelpunkt haben, wobei die Grenze zwischen den beiden erstgenannten Zonen von einer zylindrischen Oberfläche 46 gebildet wird, die konzentrisch zu den Zonen angeordnet ist und einen Radius aufweist, der dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt O und der radialen Innenkante 52'" der Einströmöffnung entspricht. Die Grenze, die die Fühlzone B und die Austrittszone Clrennt, hat die Form einer zylindrischen Oberfläche 58, die eine imaginäre Verlängerung der Ausströmöffnung 54 in die Kammer hinein bildet. Die äußere Begrenzungswand der Eintrittszone wird von der spiralförmigen Umfangswand 48 gebildet, die längs einer vorzugsweise logarilhmischen Spirale erstreckt und von der radialen Außenkante 52' der Einströmöffnung wegführt, sich über 360° rund um die Kammer erstreckt und an der radialen Innenkante 52" der Einströmöffnung endet. Die Steigung der Spirale fällt somit mit der Breite der Einströmöffnung zusammen. Aus praktischen Gründen kann die Innenkante der Einströmöffnung unter Berücksichtigung der Dicke des Materials, aus dem der Durchflußmesser gebaut ist, wicin F i g. 6 bei 52'" gezeigt, etwas verschoben werden, so daß sich die Spirale nicht über volle 360° rund um die Kammer erstreckt.

Wie bereits oben erwähnt, ermöglicht es die logarithmische Spiralform der Kammer, daß die wesentliche Betriebsbedingung für die Eintriltszoiie erfüllt werden kann, nämlich daß die Geschwindigkeit, mit der das Strömungsmittel in die Fühlzonc B hineinströmt, überall gleich ist und eine Richtung hat, die mit einem zum Mittelpunkt O gezogenen Radius im wesentlichen überall den gleichen Winkel einschließt. Ks wird jedoch darauf hingewiesen, daß diese Bedingung in der Praxis auch mit anderen als logarillimischen Spiralen erfüllt werden kann, so beispielsweise mit einer archimedischen Spirale oder mit /wischen diesen beiden Spiraltypen liegenden Spiralformcn. Des weiteren wird die Fühlzone von den beiden Stirnwänden 44 und 46 begrenzt, die in parallelen Ebenen liegen, und /war so, daß das Strömungsmittel wählend seiner Kreisbahnbewegung in Richtung auf die Ausströmöffnung so geführt wird, daß keine Axialbewcgiing stattfindet. Die Bedingung, daß die Stirnwände in parallelen Ebenen liegen, kann jedoch außer acht gelassen werden, wenn vorausgesetzt wird, daß die Axialgeseliwmdigkeiten im Hinblick auf die übrigen Gcschwindigkeiiskomponen ten innerhalb der l'ühl/one Ii klein sind, wie dies im folgenden unter Bezugnahme auf I' ig. 7a beschrieben ist.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Ansfuhningslonii hat der Meßkörper die Form einer Kugel 60, die durch

kreisrunde, flache Führungsnuten 62 und 64 geführt wird, welche in den Stirnwänden 44,46 der Kammer 50 angeordnet sind.

Die Kugel steht mit. den Führungsnuten in Berührung und folgt ihnen auf einer kreisförmigen Bahn in der Fühlzone S der Kammer 50, während sie von dem in dieser Zone zirkulierenden Strömungsmittel angetrieben wird, ohne jedoch mit dem Strahl des aus der Einströmöffnung 52 kommenden Strömungsmittels zusammenzutreffen. Die Geschwindigkeit der Kugel oder ihre Kreisbahngeschwindigkeit bildet somit für die Strömungsparameter des die Fühlzone passierender Strömungsmittels ein sehr hohes Maß an reproduzierbarer Linearität. Wie schon erwähnt, haben praktische Versuche gezeigt, daß ein mit einer Strömungskamme! der hier beschriebenen Art versehener Durchflußmesser über den ganzen in Frage kommenden Arbeitsbereich linear ist, der aufgrund des geringen Druckverlustes, der in der Kammer entsteht, sehr viel weitet ausgedehnt werden kann, als dies normalerweise be: Durchflußmessern herkömmlicher Bauart der Fall ist.

Es sind einige Verfahren bekannt, mit denen die Bewegung der Kugel angezeigt werden kann, d.h. im wesentlichen die Anzahl der Umdrehungen der Kugel pro Zeiteinheit oder ihre Kreisbahngeschwindigkek. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens stellt die schematised in F i g. 7 gezeigte photoelektrische Anordnung 70 dar die eine Lichtquelle 72, eine Photozelle 74, einer elektronischen Wandler 76 und einen Anzeiger 7f aufweist.

Da, wie bereits erwähnt, die Stirnwände der Kammei nicht unbedingt parallel angeordnet sein müssen, is auch eine Konstruktion der in Fig. 7a gezeigten Ar möglich. Die bei der Ausführungsform nach Fig. 7; verwendete Kammer entspricht im allgemeinen der ir Fig. 7 dargestellten. Auch in diesem Fall wird eint Kugel 60' als Meßkörper benutzt, die in Führungsnutcr 62' und 64' geführt wird. Wie aus Fig. 7a jedoer hervorgeht, sind die Stirnwände 44' und 46' geringfügi{ schalenförmig gewölbt, und zwar so, daß ihre äußerer Teile einen Winkel zueinander bilden, wie aus de; Zeichnung hervorgeht. Durch eine solche Konsiruktiot wird es möglich, die Querschnittsflächc der Einströmöff niing in bezug auf die Kugel kleiner zu machen um damit ein Merkmal zu verwirklichen, das für gewiss« Fälle Vorteile bietet.

In F i g. 7a ist außerdem in scheinalischer Weise nocl eine andere Anordnung 70' dargestellt, mit der di« Bewegung der Kugel angezeigt werden kann. Hi« photoeleklrische Vorrichtung 70 ist hier durch ein mi Induktion arbeilendes System ersetzt, bei dein eil induktiver Meßwertwandler 74' von der passierende! Kugel 60' betätigt wird, die bei jedem Durchgang in den Meßwertwandler 74' einen Impuls erzeugt. Her Imp"¹ wird zu einem elektronischen Umformer 76' und einen Anzeiger 78' geleitet, der beispielsweise ein /eigerin Mnimeni ist.

¹Ii den Fig. 8 und ^l) isl scheiiiatisch eine zweit« Ausiührungslorni eines Diirchflußmessers mil -^¹'⁰ inungskammer dargestellt. Dieser Durchflußniesser 81 stimuli mil dem Diirchfliißmesser der I'ig. 6 "ml ^: insofern übeiein, als die Fühl- und Ausirills/oneii de neiden Kammern identisch sind, während die Lininlts /one verhältnismäßig willkürlich gebaut sein kann um im dargestellten Fall eine ringförmige Konstruktion isl ^Dci '^"vhriiißmcsscr 80 weist ein Gehäuse 82 auf, da untere und obere Stirnwände 84 bzw. 86 besitzt sowi« eine im wesentlichen kreisrunde oder zylindrisch«

Umfangswand 88, die die Meßkammer 90 umgibt. Das Gehäuse hat eine Einströmöffnung 92, die im dargestellten Fall nicht tangential gerichtet ist, sondern radial oder, wie durch die strichpunktierte Linienführung bei 92' angedeutet, axial angeordnet sein kann und sich in der unteren Stirnwand 84 des Gehäuses 82 befindet. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform so ist auch hier der Durchflußmesser mit einer axialen Ausströmöffnung 94 versehen, die sich in der bodenseitigen bzw. unteren Stirnwand des Gehäuses befindet.

Um das Strömungsmittel in die Fühlzone des in den Fig.8 und 9 gezeigten Durchflußmessers hineinzuführen und eine vollständige Symmetrie der Strömung nach dem oben beschriebenen Prinzip sicherzustellen, d. h. zu bewirken, daß das Strömungsmittel von der Eintrittszone unter einem konstanten Winkel und mit konstanter Geschwindigkeit wegströmt, ist ein Führungsflügelsystem 100 in Form eines Führungsflügelrings in der Kammer 90 konzentrisch zum Gehäuse und zum Mittelpunkt O angeordnet. Der Führungsflügelring besteht aus einer Anzahl dünner, gerade gerichteter oder gekrümmter Führungsflügel 102, die beispielsweise zwischen einem unteren Ring 104 und einem oberen Ring 106 befestigt sind, wobei die Ringe in die Stirnwände 84 und 86 des Gehäuses so eingelassen sind, daß die Führungsflügel sich zwischen den Wandteilen erstrecken. Alle Führungsflügel sind gleichmäßig rund um den Umfang angeordnet und sind beiderseits ähnlich gebaut und angeordnet, so daß die von der Mitte O von der Ausströmöffnung zu identischen Punkten auf den Führungsflügeln verlaufenden Radien diese unter demselben Winkel schneiden.

Wie bei der oben beschriebenen Ausführtingsform, so ist auch hier die Meßkammer 90 in eine Eintrittszone, eine_Fühlzone und eine Austrittszone unterteilt, die mit A, B und C bezeichnet sind. Die Grenze, die die Einirittszone von der Fühlzone trennt, ist in Form einer zylindrischen Oberfläche 108 ausgebildet, die in radialer Richtung unmittelbar innerhalb des Führungsflügclrings liegt, während die zwischen der Fühlzone B und der Austrittszonc C befindliche Grenze von einer zylindrischen Oberfläche 110 gebildet wird, die eine Verlängerung des Austritts darstellt. Die Eintrittszonc A ist nach außen von einer Seitenwand 88 des Gehäuses begrenzt, die bei der gezeigten Ausfiihrungsform im wesentlichen zylindrisch geformt ist. Aus dem obigen ergibt sich, daß die grundlegende Bedingung für den Strömungsmittelfluß in die Meßkammer hinein mit Hilfe des Führungsflügelsystems 100 erfüllt wird, das das Medium gleichmäßig in der gewünschten Richtung und mit der gewünschten gleichförmigen Geschwindigkeit führt. Der Teil der Kintritis/.one A, tier mit der Außenseite ties Führungsflügelrings in Verbindung steht, bildet eine Druckausgleichskammer für tlas durch die l'.iuströmöfl· nung 92 eintretende Medium, wodurch ein erheblicher Spielraum hei tier Konstruktion tier äußeren Begren-/ungswändc tier Kammer und tier sich daran anschließenden FiiitrittsverbiiuUingcn gegeben ist. Wie bei der Ausführungsform nach den Fig. ti und 7 so weist auch hier tier dargestellte Füllkörper tue Form einer Kugel 118 auf, die in Fühmngsnuien 112, 114 geführt wird, welche in den Stirnwänden 84 und 86 ties Durchfliißnies sers ungeordnet sind, und die da/u gebracht wird, tlas durch die Fülil/.one ß strömende Medium linear und mil großer Präzision zu begleiten. Die Geschwindigkeit oder Kreisbahngeschwindigkeit der Kugel 118 wird in geeigneter Weise, beispielsweise mit Hilfe einer nhoioclektrischcn Anordnung 70, die der in F i g. 7

dargestellten Anordnung entsprich', ermittelt.

In Fig. 10 ist ein Durchflußmesser gezeigt, der eine Meßkammer 120 enthält, deren Seitenwand eine logarithmische Spirale bildet. In diesem Fall erkennt man, daß die Einströmöffnung 122 und die Ausströmöffnung 124 koaxial angeordnet sind und sich von der Einströmöffnting 122 längs eines Teils der Meßkammer 120 auf deren Außenseite ein Einströmkanal 125 erstreckt, der sich tangential in die Kammer hinein öffnet, und zwar in der gleichen Weise wie dies bei der Ausführungsform nach F i g. b beschrieben wurde. Die vor der Ausströmöffnung 124 befindliche Austrittsöffnung 126 liegt koaxial zur Kammer und mündet in einen gekrümmten Ausflußkanal 128 (Fig. 11), der zur Ausströmöffnung 124 führt und koaxial zur Einströmöffnung 122 angeordnet ist. In diesem Fall besteht der Meßkörper aus einem Meßrad 130, das in Zentrallagern getragen wird und eine leichte Drehkreuzkonstruktion bildet, deren Material vorzugsweise dieselbe Dichte wie das zu messende Medium hat.

Die Konstruktion besteht aus drei Armen 132, die an einer zentralen Nabe befestigt sind und jeder an seinem äußeren Ende eine kleine Schaufel oder einen kleinen Flügel 134 trägt, der veranlaßt wird, der Strömung bzw. dem Durchfluß in derselben Weise zu folgen wie die Kugel bei den obigen Ausführungsformen. Das in Fi g. 10 gezeigte Meßrad 130 weist drei Flügel 134 auf, während die in F i g. 10a dargestellte leichtere Meßradkonstruktion 130' nur zwei Flügel 134' besitzt. In den Fig. 10b und 10c sind zwei Beispiele für Meßradschaufelformen dargestellt, die sich von der flachen Schaufel unterscheiden. So zeigt Fig. 10b eine leicht gebogene Schaufel 136, während in Fig. 10c eine tasscnförmige oder tcilkugelförmigc Schaufel 138 dargestellt ist. Die Schaufelform läßt sich entsprechend dem herrschenden Drehmoment, dem das Meßrad 130 oder 130' als Ganzes ausgesetzt ist. wählen.

Wie aus Fig. 11 hervorgeht, ist das Meßrad 130 in zentralen Lagern in der Kammer 120 frei drehbar gelagert, wobei seine Bewegung und insbesondere seine absolute Drehzahl in analoger Weise mit der Anordnuivi nach Fig. 7a angezeigt werden können, also mit einem induktiven System 140, zu dem ein Meßwertwandlcr 172 gehört. Der Wandler ermittelt jeden FKigcldurehgang und erzeugt einen Impuls, der auf einen Uniformer 144 übertragen wird, welcher ein digitales oder analoges Ausgangssignal liefert, wobei crsleres einem Integrator oder Addiermechanismus 145 und letzteres einem Zeigerinstrument 146 und Schreiber 148 zugeführt werden.

Alternativ da/u läßt sich tlas An/eigen und Aufschreiben der Bewegungen ties MeUrades mit Hilfe eine» mechanischen Zählers durchführen, wie er schematise!' in Fig. 12 gezeigt ist. In diesem I-alle ist die Welle IiI ties Meßi'iides 130.7 verlängert und läuft durch ein 1 .agc: 133 im Deckel ties Gehäuses des Durchlliißmessers. Ai ihrem freien l-.tulc ist die Welle mit einem kW-inei Zahnrad 13¹S versehen, tlas einen /iihlernicchan· mn 141 antreibt.

Mit Fig. Ii schließlich sullen die strukturellei Möglichkeiten und die Anpaßbarkeit eines Durchfluß messers gezeigt werden, der mit einer Mel.lkammer IS versehen ist, die gleich/eilig als wirksame Rühr ode Mischkammer dient. In diesem lalle isi der DiirehHul.¹ messer mil zwei F.inströmöflnungeu 152;/ und 152 versehen, die mit F.inlaulkaniilen 155;/ und 155/) 1 Verbindung stehen, welche sich in tangentialer Richiim in die Meßkammer 150 hinein öffnen, und /w.ir i

. , _Γ· , γ ι ος ir. Ti tr 10 entsprechenden Einstromoffnunpen 132;. crselben Weise wie der hmlaufKiinal 125 π I ι fc. IU- ' _ende Strömungsmittel wird in der l·

)ie Wand der Meßkammer .50 is, ebenfalls m, H„m ^™_ermisclUi JLufhin die vermisch

iner logarithmischen Spiral- ausgebildet, jedoch in ^rKs ^ _t

wei Abschnitte 151a und 151 ft unterteil«, so daß /we, ™ ,_{56 ver}|_assen

iametral gegenübe,'legende Eintriitsöffnungen 154a . ^nu^ _d _zeig, _{die Kuge}, _{160 d|c} , %4b entstehen, wie dies in Fig. 13 zu sehen ist. Uli _munes. bzw. Durchflußvoluminaan.

itrömungsfluß in der Meßkammer 150 wird in diesem Stromungs all mit einer Kugel 160 abgetastet, und das durch die

Hier/u (' Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Durchflußmesser für Fluide mit einem ringförmigen Gehäuse, in das das Fluid durch wenigstens s eine tangentiale Einströmöffnung eintritt und aus dem es durch eine zentrale axiale Ausströmöffnung austritt und mit einem von dem Fluid angetriebenen Messelement, das von einer sich von der Einströmöffnung aus in Umfangsrichtung des Gehäuses im m Querschnitt verjüngenden, ringförmigen Strömungszone umgeben ist, von der aus das Fluid zur Ausströmöffnung strömt, die außen von einer Umfangswand und zwei sich gegenüberliegenden, scheibenförmigen Stirnflächen begrenzt ist, da- is durch gekennzeichnet, daß die Umfangswand (48) über ihre ganze Höhe zwischen den Stirnwänden (44, 46) ihren Abstand zu einer gedachten, die inneren Ränder der Einströmöffnung tangentierenden, zur Ausströmöffnung (54) koaxia- :o len, kreisförmigen, zylindrischen Grenzfläche (56) zur Bildung einer spiralförmigen Strömungszone kontinuierlich vermindert, und daß das Meßelement (60) aus einem zwischen dieser gedachten Grenzfläche und der Ausströmöffnung auf einer Kreisbahn as umlaufenden, von den Stirnwänden (44, 46) frei geführten Meßkörper besteht (F i g. 6 und 7).

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Einströmöffnung (52) oder Öffnungen (152a, 152/)) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, bei dem ein Paar gegenüberliegende Seiten sich mit ihren Rändern im wesentlichen auf derselben Höhe befinden wie die gegenüberliegenden Stirnwände (44,46). xs

3. Durchflußmesser nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zwei tangentiale Eintrittsöffnungen (152a, 1526) aufweist, die einander gegenüberliegen.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Radius der Ausströmöffnung C zum Radius der Fühlzone B nicht kleiner als 0,25 ist.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche

1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige 4s Strömungszone einer logarithmischen Spirale entspricht.

6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige Strömungszone einer archimedischen Spirale ent- so spricht.

7. Durchflußmesser für Fluide mit einem Gehäuse mit zylindrischer Umfangswand, das eine kreisförmige Eintrittszone aufweist, in die das Fluid eintritt, darin zirkuliert und von dort aus etwa tangential in ss eine innere Fühlzone übertritt, wobei durch das in der Fühlzone zirkulierende Fluid ein Meßkörper auf einer Kreisbahn vorwärtstreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (82) von gegenüberliegenden oberen und unteren Stirnwänden (84, (m 86) gebildet ist, die die Eintrittszone A und die Fühlzone ßoben und unten abschließen, von denen eine Stirnwand (84) eine zentrale axiale Ausströmöffnung (94) aufweist, daß zwischen der Rinirittszone A und der Fühlzone B ein kreisrundes, festes <>s Führungsflügelsystem (100) angeordnet ist, das die Fühlzonc B konzentrisch umgibt und sie begrenzt und mehrere gleichmäßig verteilte Führungsflügcl

(102) hat, die über den ganzen Umfang in demselben Winkel in bezug auf den Radius eingestellt sind, und daß der Meßkörper (118) frei umläuft und durch die Stirnwände des Gehäuses geführt ist (Fi g. 8,9).

8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stirnwänden (44,46,84,86) flache Führungsnuten (62,64,112, 114) für den Meßkörper (60,118) vorgesehen sind.

9. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1—8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (60,118) eine Kugel ist.

10. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1—9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswand in axialer Richtung des Gehäuses gerade ist.

11. Durchflußmesser für Fluide mit einem ringförmigen Gehäuse, in das das Fluid durch wenigstens eine tangentiale Einströmöffnung eintritt und aus dem es durch eine zentrale, axiale Ausströmöffnung austritt, mit einem von dem Fluid angetriebenen, drehbar gelagerten Meßrad, das von einer sich von der Einströmöffnung aus in Umfangsrirrhtung des Gehäuses im Querschnitt verjüngenden Eintrittszone für die Strömung umgeben ist, von der aus das Fluid zur Ausströmöffnung strömt, und die innen bis zu einer gedachten, die inneren Ränder der Einströmöffnung tangierenden, zur Ausströmöffnung koaxialen, kreisförmigen, zylindrischen Grenzfläche reicht, wobei das Meßrad mit wenigstens radial gerichteten Flügeln ausgestattet ist, die in den Bereich innerhalb der gedachten Grenzfläche hineinragen und auf der der Ausströmöffnung gegenüberliegenden Seite mit Armen an der Drehachse befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittszone A auf den beiden Stirnseiten von zwei Stirnwänden des Gehäuses eingeschlossen und nach außen von einer in axialer Richtung geraden Umfangswand begrenzt ist, die über ihre ganze Höhe zwischen den Stirnwänden parallel zur gedachten Grenzfläche verläuft, und deren Abstand zu der gedachten Grenzfläche sich in Umfangsrichtung kontinuierlich vermindert (Fi g. 10—12).

12. Durchflußmesser nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Radius der Ausströmöffnung C zum Radius der Fühlzone ß nicht kleiner ist als 0,25.