DE2258646B2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser mit einem Läufer, auf dessen Läuferwelle an beiden Enden Turbinen angeordnet sind, die in einem Paar von koaxial angeordneten Gehäusepassagen drehbar sind, welche in entgegengesetzter Richtung mit einer gemeinsamen Einlaß- und Auslaßleitung kommunizieren, die den ganzen zu messenden Durchsatz führen.

Es sind Durchflußmesser bekannt bei denen die Läufer in entsprechenden Lagern gelagert sind. So ist bei einem bekannten Gegenstand in Mitte der Läuferwelle eine Stauscheibe vorgesehen, die für eine Zentrierung des Läufers sorgt, wobei jedoch die Strömung von außen nach innen fließt. In diesem Fall ist es unbedingt notwendig, daß der Läufer durch Lager gehalten wird. Es hat sich herausgestellt, daß diese bekannten Durchflußmesser nur in Bereichen enger Durchflußmengen überhaupt arbeiten und das sogar oft sehr unstabil.

Bei einem weiteren bekannten Gegenstand sind eine Turbine und ein Rückschlagventil vorgesehen, um eine Entlastung der Spurlagerung, also der axialen Lagerkräfte und nicht der radialen, zu erreichen. Auf die Spurlagerung wird verzichtet, jedoch bleibt immer noch die radiale Lagerfixierung erforderlich.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen frei schwimmend gelagerten Läufer zu schaffen, der sich sowohl radial als auch axial frei zentriert. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß mit den Turbinen Kopfstücke verbunden sind, die mit Sitzen in dem Gehäuse des Durchflußmessers derart gegeneinander wirkende Rückschlagventile bilden, daß bei meßbarer Strömungsgeschwindigkeit in der einen Richtung beide Kopfstücke von ihren Sitzen abgehoben sind und der Läufer dabei keinen mechanischen Kontakt mit einem Gehäuseteil hat und bei Umkehrung der Strömungsrichtung ein Kopfstück auf seinem Sitz aufliegt und das andere von seinem Sitz abgehoben ist

Hierdurch wird erreicht, daß der Läufer in dem Durchflußzähler bei Überschreiten einer bestimmten Mindestdurchflußmenge völlig frei in einer Bohrung schwimmt and sich dreht Durch diese lagerfreie Anordnung des sich drehenden Läufers wird ein störungsfreier Betrieb über einen weiten Meßbereich erreicht.

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 Umkehrung 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 und der Rotor sich infolge der Festkörperreibung nicht drehen kann.

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 eine 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 kegelstumpfförmigen Abschnitte der Turbinen und die Wände der Gehäusepassagen gebildet werden.

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, oder bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten sitzt ein Kopfstück auf seinem Sitz und der Spielraum zwischen dem anderen Kopfstück und dessen Sitz ist so groß, daß keine Querschnittsverengung verursacht wird.

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 statisehen Drucke, die auf die Kopfstücke wirken, sind praktisch gleich bei jeder Strömungsgeschwindigkeit Oberhalb der minimalen Betriebsgeschwindigkeit und die Anzahl der Umdrehungen des Läufers Lt 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.

Vorzugsweise ist eine magnetische Abtasteinrichtung vorgesehen die ein elektrisches Signal erzeugt, wenn sich der Läufer dreht.

Ein Durchflußmesser nach der Erfindung weist vorzugsweise ein Gehäuse auf 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 Passagen, in den die Turbinen laufen, versetzt angeordnet sind und einen Strömungsteiler, der die Strömung aus der Einlaßleitung teilt und durch die Passagen in die Auslaßleitung leitet, in der die geteilte Strömung wieder vereinigt wird.

Die Welle des Läufers kann mit Spiel in einer Bohrung eines Strömungsteilers verlaufen, der die Strömung teilt und zu den beiden Gehäusepassagen leitet

Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt die Kopfstücke, die Kopfstücksitze, die Turbinen und andere Bestandteile des Läufers so zu dimensionieren, daß bei Änderung derselben die Charakteristik des Meßgerätes dem entsprechenden Anwendungizweck angepaßt werden kann.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert

F i g. 1 zeigt einen Durchflußmesser im Schnitt;

Fig.2 zeigt eine Ansicht von der Einlaßseite des Durchflußmessers längs des Pfeiles »Λ« in F i g. 1;

F i g. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Durchflußmesser; to

Fig.4 zeigt eine Ansicht auf die Auslaßseite des Durchflußmessers in Richtung des Pfeils »ß« in F i g. 1;

F i g. 5 zeigt eine erste Ausführungsform und

Fig.6 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Läufers. b5

Der in den F i g. 1 bis 4 dargestellte Durchflußmesser weist ein Gehäuse 1 mit zwei Bohrungen 2 und 3 auf, die gegeneinander um 90° versetzt sind. Die Abschnitte 3Λ und 3B der Bohrung 3 nehmen die EinlaCleilung 4 bzw. die Auslaßleitung 5 auf. Die Enden IA und 2B der Bohrung 2 sind mit Kappen 6 bzw. 8 geschlossen. Diese Kappen haben ein Innengewinde, d^:.c auf die Gewindestutzen \A bzw. Ifldes Gehäuses 1 aufgeschraubt sind. Die Kappe 6 hat eine öffnung 6Λ, die mit einem Glasfenster 7 dicht geschlossen ist. In gleicher Weise hat die Kappe 8 eine öffnung 8/4, 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 1Ou und IOC angedeutet wird, so ausgeschnitten, daß sie eine Strömungspassage bilden, die von den Bohrungs-bschnitten 2A und 2B zu der Auslaßleitung 5 führen.

Eine exzentrische Bohrung 10Λ erstreckt sich durch die Leiteinrichtungen 10 und nimmt ein Rohr 11 auf, welches an jedem Ende ein Innengewinde hat Die Rohrenden XtA und 115 halten Abstände von den Fenstern 7 und 8 ein, so daß das Durchsatzmedium frei von dem Rohr aus in die Bohrungsabschnitte 2A und 2ß strömen kann.

Die Leiteinrichten 10 und das Rohr ti 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 HCund ist so geformt, daß er die Einlaßströmung in zwei Teilströme unterteilt, von denen einer zu dem Rohrende 11Λ und der andere zu dem Rohrende llß geleitet wird. Die zwei Teilströme strömen nach außen zu den Kappen 6 bzw. 8. Ein sich durch den Strömungsteiler 12 erstreckendes Loch 12-4 verläuft koaxial zu dem Rohr 11 und nimmt eine Läuferwelle 15 auf, die sich von einem Rohrende zu dem anderen erstreckt.

In jedem Rohrende HA bzw. üflist ein Leitunsstutzen 13 eingeschraubt, der einen kegelstumpfförmigen Sitz 13Λ 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 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 13Λ haben. Es kann ein Läufer mit einem neutralen Auftrieb oder einem leicht negativen Auftrieb oder sogar mit einem dis 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 Durchsatzmedium, das durch die Turbinen 16 strömt.

Das Durchsatzmedium, das jede der Passagen 13 über den Ringraum zwischen dem Kopfstück 17 und dem Sitz 13/4 verläßt, strömt in den entsprechenden Bohrungsabschnitt 2/4 und 2B und von hier aus nach innen zur Auslaßleitung 5, wobei dieses Durchsatzmedium durch die Leiteinrichtungen 10 turbulenzfrei geleitet ird. Die Fenster 7 und 8 ermöglichen ein Beobachten der Kopfstücke 17, auf denen sich eine Marke befinden kann, 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 auseinanderzunehmen und dessen Betriebsweise zu ändern, beispielsweise indem, wie in F i g. 5 dargestellt, ein Kopfstück 17 durch eine Scheibe 23 ersetzt wird (die an der Welle 21 mit einer Mutter 24 befestigt wird). Der Einsatz 20 und der damit eir teilig ausgebildete kegelstumpfförmige Sitz 20/4 kann die Teile 12 und 13/4 ersetzen und dabei solche Abmessungen aufweisen, daß die neuen Teile der geänderten Turbine 22 und dem neuen Kopfstück 23 angepaßt sind. Solche Veränderung 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 Fig.6 dargestellt. Hierbei hat der Gehäuseeinsatz 30, der die Strömungspassage bildet, eine glatte, parallele Bohrung 30/4 koaxial zu dem Einsatz und die Turbine 33 hat einen kegelstumpfförmigen Teil 32, der an der stromaufwärtigen Seite dieser Turbine angeordnet ist.

Sowohl die Turbine 33, als auch der Teil 32 sind mit der Welle 32 mit einer Mutter 34 verbunden. Bei dieser Ausführungsform 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 30/4 der Einsatzpassagen A etwas konisch sein.

Die Drehung des Läufers des Durchflußmessers wird

von einem magnetischen Fühler 18, in diesem Fall ζ. Β

ίο eine Induktanz, abgegriffen, der sich durch die Seite des Gehäuses !,durch die Leiteinrichtungen 10, das Rohr 11 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 vorbeigeführl 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 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.

Die Turbinenläufer können Axialblätter (anstelle von schraubenförmigen Blättern) haben. Die Turbinenläufer selbst können außerdem kegelstumpfförmig oder kugelkalottenförmiges Profil anstelle von zylindrischen Profilen haben, wobei die entsprechenden Gehäusepassagen 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Durchflußmesser mit einem Läufer, auf dessen Läuferwelle an beiden Enden Turbinen angeordnet sind, die in einem Paar von koaxial angeordneten Gehäusepassagen drehbar sind, welche in entgegengesetzter Richtung mit einer gemeinsamen Einlaö- und Auslaßleitung kommunizieren, die den ganzen zu messenden Durchsatz führen, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Turbinen (16, 22, 33) Kopfstücke (17, 23, 32) verbunden sind, die mit Sitzen in dem Gehäuse des Durchflußmessers derart gegeneinander wirkende Rückschlagventile bilden, daß bei meßbarer Strömungsgeschwindigkeit in der einen Richtung beide Kopfstücke von ihren Sitzen abgehoben sind und der Läufer dabei keinen mechanischen Kontakt mit einem Gehäuseteil hat und bei Umkehrung der Strömungsrichtung ein Kopfstück und bei Umkehrung der Strömungsrichtung ein Kopfstück auf seinem Sitz aufliegt und das andere von seinem Sitz abgehoben ist

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfstücke (17) kegelstumpfförmig ausgebildet sind.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (i3A) kegelstumpfförmig ausgebildet sind.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kopfstück eine Scheibe (23) ist

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

6. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetische Abtasteinrichtung (IS) vorgesehen ist, die ein elektrisches Signal erzeugt wenn sich der Läufer dreht *°

7. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Gehäuse (1) aufweist, mit Einlaß- und Auslaßleitungen (4,5) und den Strömungspassagen, in denen sich die Turbinen (16) befinden, wobei die Einlaß- und Auslaßleitungen koaxial zueinander und um 90° gegenüber der Achse der Passage, in der die Turbinen laufen, versetzt angeordnet sind und daß in dem Gehäuse ein Strömungsteiler (12) vorgesehen ist, der die Strömung von der Einlaßleitung (4) teilt und durch die Passagen in die Auslaßleitung (5) leitet, in der die geteilte Strömung wieder vereinigt wird.

8. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinen (16) schraubenförmig angeordnete Schaufein aufweisen.

9. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinen (16) eine Axialbeschaufelung haben, die mit schraubenförmig angeordneten Leitschaufeln am Stator zusammenarbeiten, die stromabwärts von den Turbinen angeordnet sind.