DE2442100A1

DE2442100A1 - Durchflusszaehler fuer fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2442100A1
Application number: DE2442100A
Authority: DE
Inventors: Robert Althaus
Original assignee: Aquametro AG
Current assignee: Aquametro AG
Priority date: 1974-07-24
Filing date: 1974-09-03
Publication date: 1976-02-12
Also published as: CH583410A5; IT1040112B; FR2280060A1; GB1479081A; JPS5115456A; FR2280060B1; ES439638A1; BR7504747A; DE2442100B2; ATA559075A; AT362945B; US4023410A; BE831624A

Description

. 3. Sep.

Aquaraetro AG, Basel (Schweiz)

Durchflusszähler für Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft einen Durchflusszäh_;ler für Flüssigkeiten, mit einer Messkammer, einem in dieser drehbar gelagerten Messorgan und einem Zählwerk, das mit dem Messorgan über eine Magnetkupplung verbunden ist, die zwei um eine gemeinsame Drehachse drehbare Drehelemente aufweist, von denen das eine mit dem Messorgan und das andere mit dem Zählwerk verbunden ist und die durch eine dichte, unmagnetische Wand voneinander getrennt sind.

Aus der schweizerischen Patentschrift 336 989 ist ein Durchflusszähler bekannt, der ein aus Messing bestehendes, hohlzylindrisches Aussengehäuse aufweist, in dessen unterem Raumbereich das Laufrad eingesetzt ist. Im oberen bereich des Aussengehäuses ist ein weiteres hohlzylindrisches, aus Messing bestehendes, als Zählwerkgehäuse dienendes Metallgehäuse angeordnet, in welchem das Zählwerk untergebracht ist. Das Zählwerkgehäuse ist derart in das Aussengehäuse eingesetzt, dass sein Boden dem Laufrad zugewandt ist. Der Boden des Zählwerkgehäuses weist im Zentrum eine öffnung auf, die durch eine in den vom Zählwerk eingenom-

5 U 9 H H 7 / U 3 ü 5

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menen Innenraum hineinragende, axialsymmetrische Hülse dicht abgeschlossen wird. Das Laufrad ist drehfest mit einen in diese Hülse hineinragenden Zapfen verbunden. In diesem ist ein Permanentmagnet mit einer radial verlaufenden, magnetischen Achse angeordnet. Die im Zählwerkgehäuse gelagerte, mit der Turbinendrehachse fluchtende Antriebswelle des Zählwerkes weist einen ungefähr U-förmigen, aus magnetischem Material bestehenden Bügel auf. Der Bügel ist derart angeordnet und ausgebildet, dass seine Schenkelenden bis in den Bereich der beiden Endflächen des Permanentmagneten ragen. Auf diese V/eise kann das Laufrad durch den dichten Boden des Zählwerkgehäuses hindurch mit dem Zählwerk verkuppelt werden.

Da bei dieser Ausbildung der Magnetkupplung der Boden des Zählwerkgehäuses mit einer Gewindebohrung versehen und in diese dann eine dicht abschliessende Hülse eingeschraubt werden muss, wird die Herstellung des Zählwerkgehäuses und dadurch der ganze Durchflusszähler relativ teuer. Da es zudem in der Praxis nie möglich ist, die Magnetkupplung vollkommen symmetrisch auszubilden, erzeugt diese zusätzliche Radialkräfte, die die Lagerreibung vergrössern und die Messgenauigkeit verschlechtern.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Magnetkupplung zu schaffen, die ermöglicht, das Laufrad mit dem Zählwerk durch eine Trennwand hindurch zu verkoppeln, die keine in den vom Zählwerk eingenommenen Raumbereich hineinragende Hülse aufweist.

Dies kann an sich dadurch erreicht werden, dass das Laufrad und die Antriebswelle des Zählwerkes drehfest mit je einem von zwei miteinander fluchtenden Zapfen verbunden werden, in die je zwei paarweise entgegengesetzt gepolte Permanentmagnete mit zur Drehachse parallelen magnetischen Achsen eingesetzt sind.

Versuche haben nun gezeigt, dass eine derart ausgebildete Magnetkupplung nur unzuverlässig arbeitet, falls sie mit relativ kleinen, einteiligen, im Querschnitt runden oder rechteckigen Per-

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manentmagneten bestückt wird. Eine derart ausgebildete.Magnetkupplung versagt vorallem dann, wenn ruckartige Drehzahländerungen auftreten. Dies wirkt sich besonders deshalb nachteilig aus, weil die Antriebswelle des Zählwerkes, falls die Kupplung einmal unterbrochen ist, auch dann nicht mehr mitgenommen wird, wenn sich die entgegengesetzt gepolten Magnete wieder gegenüberstehen.

Dieser Nachteil könnte nun an sich dadurch behoben werden, dass die Zapfen mit relativ grossen und starken Magneten bestückt werden. Dies ist jedoch deshalb unzweckmässig, weil dabei relativ grosse Axialkräfte entstehen, die entsprechend grosse Reibungskräfte in den Lagern verursachen, wodurch die Genauigkeit des Durchflusszählers herabgesetzt wird.

Es wurde nun gefunden, dass die Zuverlässigkeit der Kupplung auch bei der Verwendung schwacher Magnete erheblich verbessert werden kann, wenn jeder Magnet aus zwei gleichgepolten Teilmagneten gebildet wird, die mit einer zur Drehachse parallelen, ebenen Fläche aneinander anliegen.

Die gestellte Aufgabe wird daher durch einen Durchflusszähler der eingangs genannten Art gelöst, der erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass jedes Drehelement mit zwei bezüglich der Drehachse symmetrisch zueinander angeordneten, entgegengesetzte Polarität aufweisenden Permanentmagneten versehen ist, deren magnetische Achsen parallel zur Drehachse verlaufen, die paarweise miteinander fluchten und von denen jeder aus zwei Teilmagneten besteht, die mit einer zur Drehachse parallelen, ebenen Fläche aneinander liegen.

Das Messorgan kann etwa als Turbinenlaufrad ausgebildet sein, das in einer als Messkammer dienenden Turbinenkammer gelagert ist. Derartig ausgebildete Durchflusszähler werden vor allem zur Messung des Wasserverbrauches verwendet.

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Für Anwendungen, die eine höhere Messgenauigkeit erfordern, beispielsweise bei der Auslieferung von Heizöl und Benzinnengen oder etwa in der chemischen Industrie, bei der Messung und Dosierung von flüssigen Chemikalien, können auch Messorgane eingesetzt werden, die direkt das Volumen messen* Beispielsweise kann als Messorgan ein sogenannter Volumenzähler-Kolben verwendet werden. Ein derartiger Kolben besteht im wesentlichen aus einer hohlzylindrisch:« auf einer Stirnseite dicht abgeschlossenen Hülse, die in einer hohlzylindrischen, in Zentrum einen Zapfen aufweisenden Messkammer angeordnet ist. Der Zapfen ragt in den Innenraum der Hülse, deren Innendurchmesser grosser ist als der Aussendurchmesser des Zapfens und deren Aussendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Messkammer. Des weitern sind an geeigneten Stellen der Messkammer eine Eintritts- sowie eine Austrittsöffnung angebracht. Die das Messorgan bildende Hülse, der Zapfen und die Innenwände der Kammer sind derart ausgebildet, dass die Hülse beim Betrieb des Durchflusszählers entlang der Messkammer-Innenwand abrollt, wobei jeder volle Umlauf einer genau bestimmten, von der Strömungsgeschwindigkeit unabhängigen Volumenmenge entspricht.

Ferner können als Messorgane ohne weiteres auch Taumelscheiben, Zahnräder oder Wankel-Drehkolben verwendet werden.

Der Erfindungsgegenstand soll nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

die Fig. 1 eine Ansicht eines Durchflusszählers mit Blickrichtung auf den Zuleitungsanschluss-Stutzen,

die Fig. 2 einen Schnitt durch den Durchflusszähler entlang der Linie II-II der Figur 1

die Fig. 3 eine Draufsicht in grösserem Massstab auf den mit

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Zählwerkantriebswelle verbundenen Teil der Magnetkupplung in der in der Figur 4 durch die Pfeile III bezeichneten Blickrichtung,

die Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch die Magnetkupplung und

die Fig. 5 eine Draufsicht auf das Turbinenlaufrad in der in der Figur H durch die Pfeile V bezeichneten Blickrichtung.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Durchflusszähler weist einen aus einem unmagnetischen Material, vorzugsweise Gussmessing, bestehenden Turbinen-Gehäuseteil 1 mit einem runden, die Deckplatte Ik bildenden Abschnitt und mit einem hohlzylindrischen, den Mantel Ii bildenden Abschnitt auf. Der letztere ist an seinem freien Ende mit einem Innengewinde, la versehen. In dieses ist ein ein entsprechendes Aussengewinde 5a aufweisender, vorzugsweise aus Kunststoff, jedenfalls aber aus einem nichtmagnetischen Material bestehender Turbinen-Bodenteil 5 eingeschraubt. Die Verbindung zwischen dem Turbinen-Gehäuseteil 1 und der Turbinen-Bodenteil 5 wird durch einen O-Ring 6 gegen aussen dicht abgeschlossen. Der Turbinen-Gehäuseteil 1 und der Turbinen-Bodenteil 5 bilden zusammen die Turbinenkammer, in der ein aus Kunststoff bestehendes Freistrahl-Turbinenlaufrad 3 mit mehreren Flügeln 3a frei drehbar auf einem Lagerzapfen 4 gelagert ist. Der letztere ist im Zentrum der Turbinenkammer 1,5 angeordnet und fest mit dem Bodenteil 5 verbunden.

Der Turbinen-Gehäuseteil 1 weist einen Zuleitungsanschluss-Stutzen Ib und einen Ableitungsanschluss-Stutzen Ic auf. Die beiden Stutzen Ib und Ic sind mit einer abgestuften, in die Turbinenkammer 1,5 mündenden Bohrung ld, Ie, beziehungsweise If versehen. Die Bohrung ld, Ie weist einen äusseren Abschnitt Id und einen inneren Abschnitt Ie auf, wobei der äussere Abschnitt Id

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elnen grösseren Durchmesser aufweist als der innere Abschnitt Ie. Im übrigen weisen die Bohrungen ld, -Ie, beziehungsweise If eine gemeinsame Achse 7 auf und sind derart angeordnet, dass die letztere senkrecht zur Turbinenlaufrad-Drehachse 8 verläuft diese jedoch nicht schneidet.

In der durch die abgestufte Bohrung ld, Ic gebildeten Öffnung des Zuleitungsanschluss-Stutzens Ib ist eine Düse 9 angeordnet. Des weitern ist im Zuleitungsanschluss-Stutzen Ib ein Kunststoffsieb 10 vorhanden, das beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in die Düse 9 eingesetzt ist. Die öffnung der Düse 9 weist einen sich leicht konisch verjüngenden Öffnungs-Abschnitt auf, von dem in der B'igur 2 nur der Anfang sichtbar ist und dessen Ende die Austrittsmündung der Düse 9 bildet. Dieser Öffnungsabschnitt ist bezüglich der Achse 7» die die Symmetrieachse der Bohrung ld, Ie des Stutzens Ib und gleichzeitif die Symmetrieachse der Aussenflache der Düse 9 bildet, unter einem Winkel von etwa 4 bis 5 geneigt, so dass die Austrittsmündung der Düse 9 gegen die Achse 7 versetzt ist. Die Düse 9 sitzt derart in der Bohrung, ld, Ie des Stutzens Ib, dass sie mit einer Hilfsvorrichtung verdreht werden kann, ihre Lage jedoch nicht von selbst ändert. Durch Verdrehen der Düse 9 um die Achse 7 kann die Richtung des Flüssigkeitsstrahls und die Lage des Punktes, in welchem der letztere auf die Laufrad-Flügel 3a auftrifft, verändert werden. Dies ermöglicht, den Durchflusszähler in einfacher Weise zu eichen.

In der Turbinenkammer 1, 5 ist ferner ein aus Kunststoff bestehendes Stauorgan 11 angeordnet, das einen Abschnitt aufweist, der eine runde Platte Ha bildet, die an der Innenfläche der Deckplatte Ik des Gehäuseteils 1 aufliegt. Die Platte 11a ist auf ihrer dem Turbinenlaufrad 3 zugewandten Seite mit drei radialen Rippen versehen. Von diesen sind in der Figur 2 die zwei sich in der abgeschnittenen Hälfte des Durchflusszählers befindenden Rippen strichpunktiert dargestellt und mit 11b bezeichnet. Das Stauorgan 11 bewirkt, dass die Drehzahl des

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Turbinenlaufrades 3 im ganzen Arbeitsbereich proportional zu der pro Zeiteinheit durchströmenden Flüssigkeitsmenge wird.

BeIf. Betrieb des Durchflusszählers wird nämlich wegen der Lagerreibung und der Verkupplung mit dem Zählwerk ein Bremsmoment auf das Turbinenlaufrad 3 ausgeübt, das besonders bei kleinen Durchflussmenpen eine relativ grosse Bremsvtfirkung hat. Die drei Rippen 11b des Stauorganes 11 erzeugen Wirbel in der durchströmenden Flüssigkeit, wobei diese Wirbelbildung bei wachsender Strömungsgeschwindigkeit zunimmt. Da nun der Einfluss der Lagerreibung bei wachsender Strömungsgeschwindigkeit relativ abnimmt, die Wirbelbildung jedoch zunimmt, gewährleistet das Stauorgan xll, dass die Drehzahl des Laufrades 3 trotz der Lagerreibung proportional zu der pro Zeiteinheit durchströmenden Flüssigkeitsmenpe ist.

Im Zentrum der Platte 11a ist eine zylindrische Vertiefung lic vorhanden, deren Durchmesser" etwas grosser als derjenige des ihr zugewandten Endes der Nabe 3b des Turbinenlaufrades _ 3 ist. Auf der Aussenseite wird das Stauorgan 11 durch einen ringförmigen Rand lld begrenzt, der im Bereich der beiden Stutzen Ib, Ic je mit einem Einschnitt versehen ist.

Der Durchflusszähler weist ferner ein zweiteiliges, aus Kunststoff bestehendes Zählwerkgehäuse 2, 22 auf. Dieses besteht aus einer durchsichtigen Kappe 2 und dem Zählwerkboden 22 und ist gegen aussen vakuumdicht abgeschlossen. Beim Zusammenbau wird das Zählwerkgehäuse 2, 22 evakuiert, so dass seine beiden Gehäuseteile 2, 22 durch den Luftdruck zusammengehalten werden. Im Zählwerkgehäuse 2, 22 ist das als Ganzes mit 23 bezeichnete Zählwerk untergebracht. Von diesem sind in der Figur 2 die Skala 12, die Antriebswelle 13, der Zeiger 14 und das fest auf der Welle 13 sitzende Ritzel 15 dargestellt.

Der Mantel Ii des Turbinen-Gehäuseteils 1 weist zwei sich gegenüberstehende Nocken lh auf, die je mit einer Bohrung verre-

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hen sind. Die Kappe 2 des Zählwerkgehäuses 2,22 weist zwei im Querschnitt U-förmige Halterungsflügel 2a auf, die über die Nocken lh geschoben werden können und die ebenfalls je eine mit der entsprechenden Nocken-Bohrung fluchtende Bohrung aufweisen. Die Bohrungen der Nocken lh und der Halterungsflügel 2a werden von Verbindungselementen 21, etwa Nieten oder Schrauben durchdrungen, wodurch die Turbinenkammer 1, 5 und das Zählwerkgehäuse 2,22 lösbar miteinander verbunden werden. Durch diese Verbindung wird zudem gleichzeitig der mit seinen Verstärkungsnocken 22a auf des Stirnseite des Turbinen-Gehäuses 1 aufliegende Boden 22 gesichert.

Die Deckplatte Ik des Turbinen-Gehäuseteils 1 ist im Zentrum mit einer Vertiefung Ig versehen, bei der die Wandstärke wesentlich dünner ist als im übrigen Bereich der Deckplatte Ik. Der Zählwerk-Boden 22 weist im Zentrum eine Nase 22b auf, die in die Vertiefung Ig hineinragt und deren Wandstärke ebenfalls etwas dünner ist als diejenige der übrigen Bodenabschnitte.

Diese Ausbildung der Deckplatte Ik des Turbinen-Gehäuseteils 1 und des Zählwerk-Bodens 22 ermöglicht, das Turbinenlaufrad 3 mit einer Magnetkupplung mit dem Zählwerk 23 zu kuppeln. Die in den Figuren 3 bis 5 separat dargestellte Magnetkupplung wird im wesentlichen durch die Nabe 3b des Turbinenlaufrades 3 und einen drehfest auf der Zählwerk-Antriebswelle 13 sitzenden Zapfen l6 gebildet. Die Nabe 3b weist eine gegen den Turbinen-Bodenteil 5 hin offene Sackbohrung 3e auf, in die der Lagerzapfen 4 hineinragt. An ihrem dem Zählwerk 23 zugewandten Ende ist die Nabe 3b mit zwei sich diametral gegenüberstehenden Öffnungen 3c, beziehungsweise 3d versehen. In jede von diesen ist je ein Permanentmagnet 17» beziehungsweise 18 eingepresst. Jeder Permanentmagnet 17,18 besteht aus zwei im Querschnitt quadratischen Teilmagneten 17a, beziehungsweise l8a. Wie denFiguren 4 und 5 entnommen werden kann, liegen die beiden Teilmagnete 17a mit einer zur Drehachse 8 parallelen und vorzugsweise radialen, ebenen Fläche aneinander an. Das gleiche gilt analog für die beiden ■>iln.arnete 18a. ₅₀₉887/030 5

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Die beiden Permanentmagnete 17 und l8 sind derart magnetisiert, dass ihre magnetischen Achsen 24,25 parallel zur Drehachse 8 des Laufrades 3 verlaufen. Ihre Polarisierung ist jedoch verschieden, so dass etwa die dem Zählwerk 23 zugewandten Stirnflächen 17b der beiden Teilmagnete 17a einen Nordpol und die entsprechenden Stirnflächen 18b der beiden Teilmagnete 18 einenSüdpol bilden.

Der Zapfen 16 ist an seinem demTurbinenlaufrad 3 zugewandten Stirnseite ebenfalls mit zwei Öffnungen versehen, in denen ein Permanentmagnet 19, beziehungsweise 20 sitzt. Jeder der letzteren besteht ebenfalls aus zwei im Querschnitt quadratischen Teilmagneten 19a, beziehungsweise 20a, die je mit einer zur Drehachse 8 parallelen, ebenen Fläche unter Vorspannung aneinander anliegen. Die Permanentmagnete 19 und 20 sind derart magnetisiert, dass die dem Turbinenlaufrad 3 zugewandten Teilm.agnet-Stirnflächen 19b einen Südpol und die entsprechenden Teilmagnet-Stirnflächen 20b einen Hordpol bilden. Die miteinander fluchtenden Magnete 17 und 19, beziehungsweise 18 und 20 ziehen sich also paarweise an.

Die Teilmagnete 17a,18a, 19a,20a weisen beispielsweise eine in Richtung der magnetischen Achsen 24,25 gemesssene Länge von etwa 4 mm und eine Breite von etwa 2 mm auf, so dass ihre Länge etwa dop pelt so gross ist wie die Breite. Der Abstand der magnetischen Achsen 23 und 2¹I der beiden miteinander fluchtenden Magnetpaare 17,19/18,20 ist vorteilhafterweise etwa gleich der drei- bis sechsfachen Breite der Teilmagnete 17a,l8a,19a,20a. Ferner sollte er mindestens gleich dem 1,2-fachen und vorzugsweise etwa gleich dem 1,5-fachen Abstand der einander zugewandten Stirnflächen 17b,19b/l8b,2Ob der miteinander fluchtenden Teilmagnete 17a, 19a/l8a, 20a sein. Die Teilmagnete 17a,18a,19a,20a können etwa aus gesintertem Eisenoxyd bestehen. Die Nabe 3b und der Drehzapfen l6, die durch eine dichte Doppelwand, nämlich die Deckplatte Ik und den Zählwerkgehäuseboden 22, voneinander getrennt sind, bilden also um die gemeinsame Drehachse 8 drehbare,

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magnetisch miteinander verkuppelte Drehelemente.

Die vorstehend beschriebene Magnetkupplung 3h,16 gewährleistet beim Betrieb, bei dem die maximale Drehzahl des Turbinenlaufrades 3 bis zu etwa 1800 U/min beträgt, eine zuverlässige Übertragung der Laufraddrehung auf die Zählwerk-Antriebswelle. Die Versuche haben erwiesen, dass die Drehbewegung auch bei ruckartigen Drehzahländerungen einwandfrei übertragen wird. Wenn man etwa die Zählwerk-Antriebswelle 13 bei drehendem Turbinenlaufrad 3 stoppt und nachher wieder freigibt, so wird sie auch bei grossen Drehzahlen sofort wieder synchron mitgedreht.

Da die erfindungsgemässe Ausbildung ermöglicht, relativ kleine und schwache Magnete zu verwenden, v/erden durch die Magnetkupplung auch nur verhältnismässig kleine Axialkröfte erzeugt. Dies hat den Vorteil, dass nur eine kleine Lagerreibung entsteht, so dass der Durchflusszähler sehr genau misst.

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Claims

patentansprOche

\ l^Durchflusszähler für Flüssigkeiten, mit einer Messkammer, ^^nem in dieser drehbar gelaperten Messorgan und einem Zählwerk, das mit dem Messorran über eine Magnetkupplung verbunden ist, die zwei um eine gemeinsame Drehachse drehbare Drehelemente aufweist, von denen das eine mit dem Messorgan und das andere mit dem Zählwerk verbunden ist und die durch eine dichte, unmagnetische Wand voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Drehelenent (3b, 16) mit zwei bezüglich der Drehachse (8) symmetrisch zueinander angeordneten, entgegengesetzte Polarität aufweisenden Permanentmagneten (17, 18, 19,20) versehen ist, deren magnetische Achsen (24, 25) parallel zur Drehachse (8) verlaufen, die paarweise miteinander fluchten und von denen jeder aus zwei Teilmagneten (17a, l8a, 19a, 20a) besteht, die mit einer zur Drehachse (8) parallelen, ebenen Fläche aneinander anliegen.
2.Durchflusszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Fläche, mit der die Teilmagnete (17a, l8a, 19a, 20a) aneinander anliegen, radial zur Drehachse (8) verläuft.
3.Durchflusszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmagnete (17a, 18a, 19a, 20a) in einem senkrecht zur Drehachse (8) verlaufenden Schnitt ein quadratisches Profil aufweisen. . -
4.Durchflusszähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel zur Drehachse (8) gemessene Länge der Teilmagnete (17a, l8a, 19a, 20a) etwa doppelt so gross ist wie ihre Breite.
5.Durchflusszähler nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der magnetischen Achsen (24, 25) der beiden miteinander fluchtenden Magnetpaare (17, 19/18, VA)) etwa gleich der drei- bis sechsfachen Breite der Teilmagnete (17a, 18a, 19a, 20a) ist.

5 ο y B ft V / (J 3 U 5
6.Durchflusszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der magnetischen Achsen (2¹I, 25) der beiden miteinander fluchtenden Magnetpaare (17, 19/18, 20) ungefähr gleich dem 1,5-fachen Abstand der einander zugewandnten Stirnflächen (17b, 19b/l8b, 20b) der Teilmagnete (17a, 19a/l8a, 20a) ist.

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