DE2258646A1

DE2258646A1 - Durchflussmesser

Info

Publication number: DE2258646A1
Application number: DE19722258646
Authority: DE
Inventors: Wemyss Anthony Charles; William Alexander Wemyss
Original assignee: WEMYSS ANTHONY CHARLES; WEMYSS WILLIAM ALEXANDER
Current assignee: Delta Engineering Holdings Ltd
Priority date: 1971-11-30
Filing date: 1972-11-30
Publication date: 1973-06-07
Also published as: GB1398274A; FR2162099B1; JPS4864958A; US3815415A; IT973767B; DE2258646B2; JPS54103241U; DE2258646C3; FR2162099A1; CA975579A; JPS5542267Y2

Description

Dr W

PATENTANWALT

8 MÖNCHEN 40 4811 fiM^PBEftSTR-. 25

TELEfOK 333626

William Alexander Wemyss,und Anthony Charles Wemyss Great Missenden, Buckinghamshire, England

Durchflußmesser

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser mit einer Turbine, die sich in einer fitrömungspassage befindet und von dem Strömungsdurchsatz, der in Achsenrichtung des Turbinenläufers durch die Passage fließt, angetrieben wird. Die Drehungen des Läufers werden dabei gezählt und zeigen die Menge des Durchflusses an. Die Erfindung betrifft weiter einen Strömungsmesser, der über einen weiten Durchflußbereich genau anzeigt und beträchtliche Unterschiede der Einstellung ermöglicht. Außerdem läßt* er eine Rückflußströmung zu. Der Strömungsmesser nach der Erfindung weist einen Turbinenläufer auf und ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die bei Durchströmung eine achsiale Verschiebung des Läufers in der Art bewirken, daß eine mechanische Reibung ausgeschlossen wird.

Bei einem Durchflußmesser nach der Erfindung ist ein Läufer vorgesehen, der eine Welle und zwei an den Enden dieser Welle angeordnete Turbinen aufweist, die frei in einem Paar von koaxial angeordneten Gehäusepassagen drehbar angeordnet sind, welche in entgegengesetzten Richtungen von einer gemeinsamen Einlaß-

309823/03 6 2

leitung wegführen und über weitere Passagen in einen gemeinsamen Auslaß münden, wobei die Einlaßleitung und die Auslaßleitung den ganzen zu messenden' Durchsatz führen und wobei der Durchflußmesser eine Einrichtung aufweist, die die Drehung des Läufers abtastet.

Wenn jede Turbine einen praktisch kegelstumpfförmigen Abschnitt aufweist, der von dem Ende der Turbinenbeschaufelung bis zu deren Spitze reicht, die mit der Welle abschneidet und stromaufwärts von der Turbine liegt, wird der Läufer nahezu reibungslos in den Gehäusepassagen durch die Durchsatzströmung dann gehalten, wenn eirte minimale Durchsatzströmung diesen minimalen Meßdurchsatz übersteigt. Bei Zunahme dieser Strömung bewegt sich der Läufer in eine Stellung, in der die Turbinen einen gleichen Abstand von dem Bereich haben, in dem die Einlaßleitung in die Gehäusepassagen führt. Der Läufer wird in dieser koaxialen Stellung zu den Gehäusepassagen durch die Wirkung der Durchsatzströmung gehalten, die durch die beiden Ringräume strömt, die durch einen kegelsturapfförmigen Abschnitte der Turbinen und die Wände der Gehäusepassagen gebildet werden. Jede solche Gehäusepassage kann eine parallelzylindrische Bohrung sein. In einigen Fällen v/erden leicht konische Bohrungen bevorzugt, um die selbstzentrierende Wirkung des Läufers zu vergrößern.

Vorzugsweise hat ein Durchflußmesser nach der Erfindung zwei Turbinen an einer in achsialer Richtung verschieblich angeordneten Läuferwelle und wenigstens zwei Kopfstücke auf derselben Welle, die in komplementäre Sitze

309823/0362

passen, welche in entgegengesetzte Richtungen weisen. Die Kopfstücke können von den Sitzen durch die Strömung abgehoben werden, welche durch die Turbinen fließt. Jede Turbine und jedes dazugehörige Kopfstück befindet sich in einer von zwei Strömungspassagen, die koaxiale Zweigleitungen der Quelle des Durchsatzmediums sind und die sich stromabwärts von den Turbinen und den Kopfstücken wieder vereinigen. Bei einer solchen Anordnung ist jeweils ein Kopfstück von seinem Sitz abgehoben (so daß das System für eine Strömungsumkehr in jedem Fall geöffnet ist). Der Strömungsmesser arbeitet unabhängig von den Unterschieden des öffnungsbereichs zwischen den Kopfstücken und den dazugehörigen Sitzen, die für den Strömungsdurchsatz zur Verfügung steht. Die zusammenarbeitenden Flächen der Kopfstücke und der Sitze können einfach kegelstumpfförmige Flächen sein oder die Kopfstücke können Scheiben sein, die mit kegelstumpfförmigen Sitzflächen zusammenarbeiten. In Ruhestellung, d.h., wenn ein Kopfstück sich auf seinem Sitz befindet, ist der Spielraum zwischen dem anderen Kopfstück und dessen Sitz so groß, daß, wenn der Läufer achsial verschoben wird, um die erste Passage zu Öffnen oder wenn beide Passagen gleich geöffnet sind, keine Durchsatzverengung durch die öffnungen verursacht wird.

Der Läufer befindet sich in Passagen, in die die Strömung, die zum Einlaß des Durchfluß nessers einströmt, aufgeteilt wird. Diese Passagen sind zwei im rechten Winkel zur Einlaßleitung angeordnete

309823/0362

koaxiale Turbinenräume, welche in Kanäle münden, die sich in der Auslaßleitung wieder vereinen. In den beiden Turbinenräumen befinden sich die Turbinenläufer, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und als gegenläufige Turbinen ausgebildet sind, d.h., die Steigung der Turbinenschaufeln dreht sich in einem Fall nach links und im anderen Fall nach rechts, so daß beide Turbinenläufer die Welle in der selben Umfangsrichtung drehen. Fest mit der Welle sind zwei Kopfstücke verbunden, von denen jedes mit einem kegelstumpfförmigen Sitz zusammenarbeitet, der sich in dem Gehäuse befindet. Die Kopfstücke haben dabei einen solchen Abstand voneinander, daß jeweils ein Kopfstück von seinem Sitz abgehoben sein muß. Die Turbinenwelle läuft vorzugsweise mit einem Spiel in einer Bohrung des Gehäuses, das die zwei Kanalsysteme voneinander trennt. Bei sehr geringen Durchflußgeschwindigkeiten sitzt ein Kopfstück auf seinem Sitz auf und es besteht zwischen diesem Kopfstück und dem Sitz ein mechanischer Reibungsschluß. Das andere Kopfstück ist maximal weit von seinem Sitz abgehoben, so daß dieser geringe Durchfluß in irgendeiner Richtung das Gehäuse durchströmt. Wenn jedoch eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird, wird das bisher auf seinem Sitz aufsitzende Kopfstück von diesem abgehoben und der gesamte Läufer ist frei von mechanischer Reibung und wird durch die Durchsatzströmung, die die Turbinen durchsetzen, angetrieben. Die dynamischen und statischen Drucke, die auf die Kopfstücke wirken,

3 0 9823/0362

sind praktisch gleich bei jeder Strömungsgeschwindigkeit überhalb der minimalen Betriebsgeschwindigkeit und die Anzahl der Umdrehungen des Läufers ist ein Maß für die Menge der den Durchflußmesser durchsetzenden Durchsatzmenge. Bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten, bei denen keine Messung stattfindet, muß ein'Druckabfall an dem von seinem Sitz abgehobenen Kopfstück vorhanden sein und durch die entsprechende Turbine und diesen Druckabfall wird auf die stromabwärtige Seite des anderen auf seinem Sitz aufsitzenden Kopfstückes ein Druck ausgeübt. Wenn deshalb eine bestimmte Strömungsmenge überschritten wird, wird das bisher auf seinem Sitz aufsitzende Kopfstück angehoben und dies ist der Punkt; an dem der Läufer sich reibungsfrei drehen kann. Der Läufer hat ein magnetisches Element, das so angeordnet ist, daß es einen magnetischen Fühler bei der Drehung des Läufers überstreicht und dadurch Impulse in einem elektrischen Schaltkreis erzeugt, die mit entsprechenden bekannten Schalteinrichtungen abgetastet werden.

Ein Durchflußmesser nach der Erfindung weist vorzugsweise ein Gehäuse auf mit Einlaß- und Auslaßleitungen und den Strömungspassagen, in denen sieh die Turbinen befinden/ .wobei die Einlaß- und Auslaßleitungen koaxial zueinander und um 90 gegenüber der Achse der Passagen, in den die Turbinen laufen, versetzt angeordnet sind. In dem Gehäuse ist ein Strömungsteiler vorgesehen, der die Strömung aus der Einläßleitümj teilt und durch die Passagen

309823/036 2

in die Auslaßleitung leitet, in der die geteilte Strömung wieder vereinigt wird.

Der Strömungsteiler kann in einer Bohrung, die sich durch diesen erstreckt, vorgesehen sein, durch welche Bohrung die Läuferwelle frei hindurchgeführt sein kann*

Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, die Kopfstücke, die Kopf-stücksitze, die Turbinen und andere _: Bestandteile des Läufers so zu dimensionieren, daß bei Änderung derselben die Charakteristik des Meßgeräts dem entsprechenden Anwendungszweck angepaßt werden kann.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert.

Figur 1 zeigt einen Durchflußmesser nach der Erfindung im Schnitt.

Figur 2 zeigt eine Ansicht von der Einlaßseite des Durchflußmessers längs des Pfeiles ¹A¹ in Figur 1.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf den Durchflußmesser nach der Erfindung. ·

Figur 4 zeigt eine Ansicht auf die Auslaßseite des Durchflußmessers in Richtung des Pfeiles ¹B' in Figur 1,

309823/0362

"■ 7 ■■"

Figur 5 zeigt eine erste Ausführungsform eines Läufers für einen Durchflußzettel nach der Erfindung und

Figur 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Läufers.

Der in den. Figuren 1 bis 4 dargestellte Durchflußmesser weist ein Gehäuse 1 mit zwei Bohrungen 2 und 3 auf, die gegeneinander um 90 versetzt sind. Die Abschnitte 3A und 3B der Bohrung 3 nehmen die Einlaßleitung 4 bzw. die Auslaßleitung 5 auf. Die Enden 2A und 2B der Bohrung 2 sind mit Kappen 6 bzw. 8 geschlossen. Diese Kappen haben ein Innengewinde, die auf die Gewindestutzen IA bzw. IB des Gehäuses 1 aufgeschraubt sind. Die Kappe 6 hat eine öffnung 6A, die mit einem Glasfenster 7 dicht geschlossen ist. In gleicher Weise hat die Kappe 8 eine öffnung 8A, die mit einem Fenster 9 verschlossen ist.

Leiteinrichtungen 10, die einen zylindrischen Querschnitt und einen solchen Durchmesser aufweisen, daß sie im Paßsitz in der Bohrung 2 sitzen, sind wie durch die Linien 1OB und IOC angedeutet wird, so ausgeschnitten, daß sie eine Strömungspassage bilden, die von den Bohrungsabschnitten 2A und 2B zu der Auslaßleifcung 5 führen.

Eine exzentrische Bohrung 1OA erstreckt sich durch die Leiteinrichtungen 10 und nimmt ein Rohr 11 auf, welches an·jedem Ende ein Innengewinde hat. Die Rohrenden HA und HB halten Abstände von den Fenstern 7 und 8 ein>

^s° daß das Durchsatzmedium frei von dem Rohr aus in die Bohrungsab_wschnitte 2A und 2B strömen kann.

309823/0362

Die Leiteinrichten 10 und das Rohr 11 sind im zusammengesetzten Zustand beide mit öffnungen IOD bzw. IOC versehen, welche miteinander fluchten und mit der Einlaßleitung 4 kommunizieren. Ein Strömungsteiler 12 befindet sich in dem Rohr 11 im Bereich der öffnung HC und ist so geformt, daß er die Einlaßströmung in zwei Teilströme unterteilt, von denen einer zu dem Rohrende 11Λ und der andere zu dem Rohrende HB geleitet wird. Die zwei Teilströme strömen nach außen zu den Kappen 6 bzw. 8. Ein sich durch den Strömungsteiler 12 erstreckendes Loch 12A verläuft koaxial zu dem Rohr 11 und nimmt eine Läuferwelle 15 auf, die sich von einem Rohrende zu dem anderen erstreckt.

In jedem Rohrende 11Λ bzw. HB ist ein Leitungsstutzen 13 eingeschraubt, der einen kegelstumpfförmigen Sitz 13A aufweist. In jedem Stutzen 13 dreht sich eine Turbine 16 und ein Kopfstück 17, die jeweils an einem Ende der gemeinsamen Welle 15 befestigt sind. Die Steigungen der Turbinenbeschaufelung verlaufen in beiden Turbinen in entgegengesetzten Richtungen, so daß beide Turbinen die Welle 15 in der gleichen Richtung drehen. Die Kopfstücke 17 haben einen solchen Abstand voneinander, daß, wenn ein Kopfstück 17 auf seinem Sitz sitzt, das andere von seinem Sitz abgehoben ist, so daß jederzeit eine Rückströmung durch den Durchflußmesser möglich ist, da beide Kopfstücke 17 nicht gleichzeitig in ihrem Sitz sitzen können.

Wenn im Betrieb eine bestimmte minimale Einlaßströmung

309823/0 3 82

überschritten wird, wobei das Kopfstück 17, das bis zu diesem Zeitpunkt auf seinem Sitz sitzt, durch das Durchsatzmedium angehoben wird, nimmt der Läufer, der aus der Welle 15,den Turbinen 16 und den Kopfstücken 17 besteht, eine Stellung an, die sich in die Richtung verschiebt, in der beide Kopfstücke 17 einen gleichen Abstand von den entsprechenden Sitzen 13A haben. Es kann ein Läufer mit einem neutralen Auftrieb oder einem leicht negativen Auftrieb oder sogar mit einem bis zu einem bestimmten Maß positiven Auftrieb, wenn dies gewünscht wird, vorgesehen sein, was den minimal meßbaren Durchsatzstrom verringert, d.h., den Strom, der gerade den Rotor trägt,ohne daß dieser einen mechanischen Kontakt mit den festen Teilen des Gehäuses hat.

Wenn der Läufer vom Durchsatz getragen wird, existiert keine Reibung durch mechanischen Kontakt und er kann sich frei drehen infolge des Antriebs über das Durchsat zmedium, das durch die Turbinen 16 strömt.

Das Durchsatzmedium, das jede der Passagen 13 über den Ririgraum zwischen dem Kopfstück 17 und dem Sitz 13A verläßt, strömt in den entsprechenden Bohrungsabschnitt 2A und 2B und von hier aus nach innen zur Auslaßleitung 5, wobei dieses Durchsatzmedium durch die Leitr einrichtungen 10 turbulenzfrei geleitet wird. Die Fenster 7 und 8 ermöglichen ein Beobachten der Kopfstücke 17, auf denen sich eine Marke befinden kann,

309823/0362

- ίο -

welche es ermöglicht, die Drehung des Läufers zu beobachten. Wenn gewünscht, können die Kappen 6 und 8 und die Fenster 7 und 9 kuppeiförmig oder sonstwie geformt sein, um die Turbulenz in diesen Bereichen zu verringern.

Indem man die Kopfstücke 17 und die Turbinen 16 leicht von der Welle 15 abnehmbar ausbildet, ist es möglich, das Durchflußzählgerät schnell auseinander zu nehmen und dessen Betriebsweise zu ändern, beispielsweise indem, wie in Figur 5 dargestellt, ein Kopfstück 17 durch eine Scheibe 23 ersetzt wird (die an der Welle 21 mit einer Mu£ter 24 befestigt wird). Der Einsatz und der damit einteilig ausgebildete kegelstumpfförmige Sitz 20A kann die Teile 12 und 13A ersetzen und dabei solche Abmessungen aufweisen, daß die neuen Teile der geänderten Turbine 22 und dem neuen Kopfstück 23 angepaßt sind. Solche Veränderungen können vorgenommen werden, um den Bereich des Durchflußmeßgeräts zu vergrößern oder um brauchbare Meßergebnisse für Flüssigkeiten mit verschiedenen Viskositäten zu erhalten.

Eine weitere Ausführungsform ist in Figur 6 dargestellt. Hierbei hat der Gehäuseeinsatz 30, der die Strömungspassage bildet, eine glatte, parallele'Bohrung 3OA koaxial zu dem Einsatz und die Turbine 33 hat einen kegelstumpfförmigen Teil 32, der an der dtromaufwärtigen Seite dieser Turbine angeordnet ist.

309823/0362

Sowohl die Turbine 33, als auch der Teil 32 sind mit der Welle 32 mit einer Mutter 34 verbunden. Bei dieser Ausfuhrungsform ist weder ein Kopfstück noch ein Sitz für dieses vorgesehen. Die geteilten Durchsatzströme wirken auf jede Turbine 33 und den Teil 32 so, daß. der Läufer, der diese Elemente enthält,in der Weise eingestellt wird, daß eine koaxiale Stellung in dem Rohr 11 einnimmt. Die Turbinen 33 haben etwa gleiche Abstände von der Achse der Einlaßleitung 4. Um den selbstzentrierenden Effekt zu vergrößern, kann die Bohrung 3OA der Einsatzpassagen A etwas konisch sein.

Die Drehung des Läufers des Durchflußmessers wird von einem magnetischen Fühler 18, in diesem Fall z.B* eine Induktanz, abgegriffen, der sich durch die Seite des Gehäuses 1,durch die Leiteinrichtungen 10,das Rohr und den Strömungsteiler 12 erstreckt. Alle diese Teile sind entsprechend durchbohrt, so daß die Induktanz in die Nähe, jedoch etwas im Abstand von der Welle ,15 (oder 21 oder 31) zu liegen kommt, in die ein Ferritstück (nicht dargestellt) oder ein Stück aus irgendeinem anderen geeigneten magnetischen Material exzentrisch eingebettet ist. Wenn sich die Welle 15 dreht, modifiziert das Ferritstück die Induktanz des Fühlers jedesmal, wenn es an dieser Induktanz vorbeigeführt wird. Die zyklische Änderung der Induktanz kann mit einem Oszillator wahrgenommen werden, dessen Frequenz veränderlich gemacht werden kann, wenn sich die Induktanz verändert. Die Frequenzänderungen werden durch eine geeignete Schaltung in eine Serie von Impulsen

0 9 8 2 3/0362

225864R

umgewandelt, deren Frequenz der Drehgeschwindigkeit des Läufers entspricht. Die Impulse können verwendet werden, um einen Zähler zu betätigen, der die Gesamtdurchströmung in Abhängigkeit von der Zeit anzeigt. Alternativ können die Impulse integriert werden, um die momentanen Strömungsgeschwindigkeiten anzuzeigen.

Mit einem Durchflußmesser nach der Erfindung wird eine stabile Rotation des Läufers erhalten, der nur bei Durchströmung in einer Richtung in einem Sinne gedreht wird. Bei einer Reversierung der Strömung kann das Strömungsmittel frei durchströmen, da ein Kopfstück immer von seinem Sitz abgehoben wird. Bei dieser reversierenden Strömung erfolgt keine Messung, da das andere Kopfstück fest auf seinem Sitz sitzt und der Rotor sich infolge der Pestkörperreibung nicht drehen kann.

Die Turbinenläufer können AchsialblMtter (anstelle von schraubenförmigen Blättern) haben. Die Turbinenläufer selbst können außerdem kegelstumpfförmig oder kugelkalottenförmiges Profil anstelle von zylindrischen Profilen haben, wobei die entsprechenden GehMusepassagen natürlich entsprechend geformt sein müssen. Im Falle ein Durchflußmesser auf eine hohe Strömungsgeschwindigkeit ausgelegt werden soll, kann ein Leitschaufelkranz oder eine andere Schaufelanordnung am Stator vorgesehen sein, um einen Druckverlust oder unnötige Turbulenzen zu vermeiden.

ORIGINAL INSPECTED 309823/0362

Claims

Patentansprüche

1.) Durchflußmesser, gekennzeichnet durch einen Läufer, der eine Welle (15, 21, 31) und zwei an den Enden dieser Welle angeordnete Turbinen (16, 22, 33) aufweist, die frei in einem Paar von koaxial angeordneten Gehäusepassagen (13, 20) drehbar angeordnet sind, welche in entgegengesetzten Richtungen von einer gemeinsamen Einlaßleitung (4) wegführen und über weitere Passagen (2A, 2B) in einen gemeinsamen Auslaß (5) münden, wobei die Einlaßleitung und die Auslaßleitung den ganzen zu messenden Durchsatz führen und wobei der Durchflußmesser eine Einrichtung (18) aufweist, die die Drehung des Läufers abtastet.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer außer den Turbinen (16, 22, 23) koaxial angeordnete Kopfstücke (17, 23, 32) aufweist, die mit Sitzen (13A, 2OA, 30A) ventilartig zusammenarbeiten, so daß jedes Kopfstück mit seinem Sitz ein Rückschlagventil bildet und daß die Kopfstücke mit den koaxialen Sitzen so zusammenarbeiten, daß sie entweder beide von ihren Sitzen abgehoben sind oder, wenn eines sich auf seinem Sitz befindet, das andere von seinem Sitz abgehoben ist.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfstücke (17) kegelstumpfförmig ausgebildet sind,

4. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitze (13A) kegelstumpfförmig ausgebildet sind.

309 8 23/038 2

225BBAB

5. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kopfstück eine Scheiben (23) ist und jeder Sitz (20A) kegeistumpfförmig ausgebildet ist.

6. Durchflußmosser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle des Läufers mit Spiel in einer Bohrung eines Strömungstellers (12) verläuft, der die Strömung teilt und zu den beiden Gehäusepassagen (13) leitet.

7. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer von dem Durchsatz getragen wird, wenn eine meßb are Strömungsgeschwindigkeit vorhanden ist und dabei keinen mechanischen Kontakt mit einem Gehäuseteil hat.

8. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung eine magnetische Einrichtung (10) ist, die ein elektrisches Signal erzeugt, wenn sich der Läufer dreht.

9. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Gehäuse aufweist mit Einlaß- und Auslaßleitungen und den Strömungspassagen, in denen sich die Turbinen befinden, wobei die Einlaß- und Auslaßleitungen koaxial zueinander und um 90 gegenüber der Achse der Passage, in der die Turbinen laufen _f versetzt angeordnet sind und daß in dem Gehäuse ein Strömungsteiler vorgesehen ist, der die Strömung von der Einlaßleitung teilt und durch die Passagen in die Auslaßleitung leitet, in der die geteilte Strömung wieder vereinigt wird.

:j ο η Q 2 31 ο 3 6 2

22SSSiB

10. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinen schraubenförmig angeordnete Schaufeln aufweisen.

11. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinen eine Achsialbeschaufelung haben, die mit schraubenförmig angeordneten Leitschaufeln am Stator zusammenarbeiten, die stromabwärts von den Turbinen angeordnet sind.

309823/0362

L e e r s e ί 1 e