DE2451328A1

DE2451328A1 - Vorrichtung zum messen des volumenstromes eines fluids

Info

Publication number: DE2451328A1
Application number: DE19742451328
Authority: DE
Inventors: Sylvain Janssen
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1973-10-29
Filing date: 1974-10-29
Publication date: 1975-04-30
Also published as: DK137773C; GB1485276A; DK562174A; AT362159B; DK137773B; NL7414146A; ATA845274A; CH586894A5; IT1030068B; FR2249315A1; FR2249315B1; ES430869A1; BE820497A

Description

Unser Zeichen; S 2813

COMPTEURS SCHLUMBERGER
12 Place des Etats-Unis
F-92120 Montrouge/Frankreich

Vorrichtung zum Messen des Volumenstromes eines

Fluids

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Volumenstromes eines Fluids, und insbesondere eine Vorrichtung zum Bestimmen des Volumens eines flüssigen oder gasförmigen Fluids, das während eines bestimmten Zeitintervalls durchgeflossen ist.

Diese Vorrichtung kann vorteilhaft als Volumenzähler für den Gebrauch in Haushaltungen zum Bestimmen der Gas-oder Vassermenge verwendet werden, die von einem Verbraucher zwischen zwei Zählerablesungen verbraucht worden ist.

Vorrichtungen zum Messen des Volumenstromes eines Fluids gibt es in großer Zahl. Die Vorrichtungen, bei welchen mechanische Teile verwendet werden, können in zwei Kategorien eingeteilt werden, je nachdem, ob sie eine Strömungs-

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geschwindigkeit des Fluids messen oder ob sie in Wirklichkeit eine Anzahl von Fluidkgrundvolumina messen, die mit Hilfe von Kammern bestimmten Rauminhalts nacheinander ansgesaugt und anschliessend abgegeben werden. Bei den herkömmlichen Geschwindigkeitsmessungen versetzt das Fluid ein Flügelrad oder eine Turbine in Drehung, wobei die Umdrehungsgeschwindigkeit eine Funktion des zu messenden Fluiddurchflusses ist.

Bei den Volumenmessungen wird das Fluid nacheinander in die Räume eingeleitet, die die Meßkammern mit konstantem Grundvolumen bilden. Von den Organen, die zum Begrenzen der Kammern mit konstantem Volumen verwendet werden, können oszillierende Ringkolben, Taumelscheiben, Schaufeln, Roots-Systeme und Bälge genannt werden. Die Balgenzähler sind für die Gasvolumenzählung in Haushaltungen sicherlich die am häufigsten verwendeten. Andere Arten von Zählern, die weiter entwickelt sind als die mechanischen Zähler, können für die Messungen des Durchflusses verwendet werden. Es gibt beispielsweise Zähler, die die Änderung dar Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall in einem Fluid ausnutzen, während bei anderen eine Magnetspule mit einem Tauchkern verwendet wird, dessen Verschiebung durch eine durch das Fluid betätigte Turbine gesteuert wird.

Die Zähler der mechanischen Bauart werden seit sehr langer Zeit in großer Serie hergestellt und ihre Zuverlässigkeit ist ausgezeichnet. Ihr Mechanismus ist jedoch verhältnismäßig kompliziert und ihr Herstellungspreis ziemlich hoch.

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Schließlich ist eine Meßvorrichtung bekannt, bei welcher ein Rotor verwendet wird, der durch das Fluid angetrieben wird, dessen Volumenstrom man messen möchte. Der Rotor ist mit einem Zählwerk verbunden, welches die Anzahl der durch diesen Rotor ausgeführten Umdrehungen zu messen gestattet. Der Rotor ist innerhalb eines Gehäuses angeordnet. Durch den vom Gehäuse und vom Rotor begrenzten Ringraum strömt ein Fluid, welches durch Einlaßeinrichtungen derart eingebracht wird, daß es einer zu der Wand des Rotors tangentialen Bahn folgen kann.

Eine derartige Vorrichtung hat folgende Betriebsweise:

Wenn das Fluid den Ringraum durchfließt, übt es auf die Wand des Rotors Viskositätskräfte aus. Die Kräfte sind im wesentlichen proportional zu der Durchflußgeschwindigkeit des Fluids, das mit der Wand in Berührung ist, und das resultierende Moment, welches gleich der Summe der Momente dieser Viskositätskräfte ist, treibt den Rotor um seine Drehachse an.

Auf den Rotor werden außerdem Bremskräfte ausgeübt, die zu der Drehgeschwindigkeit des Rotors proportional gemacht sind.

Im Dauerbetrieb, d.h. wenn die Geschwindigkeit des Rotors stabilisiert ist, wenn also das resultierende Antriebsmoment und das resultierende Bremsmoment gleich sind, besteht eine Proportionalität zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Rotors und dem Volumenstrom des Fluids.'

Die zu der Winkelgeschwindigkeit des Rotors proportionalen Bremskräfte können insbesondere durch ein unbewegliches

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Fluid, das mit der Innenwand des Rotors in Berührung ist, oder durch eine mit dem Rotor fest verbundene und sich in einem Magnetfeld drehende Metallscheibe erzielt werden.

Die oben beschriebene Vorrichtung hat jedoch Nachteile, von denen der wichtigste darin besteht, daß sie nicht wenigstens in einem bestimmten üblichen Meßbereich ein und dieselbe Genauigkeit aufweist«

Die Erfindung bezweckt, insbesondere diesen Nachteil zu beseitigen und folglich eine Vorrichtung zu schaffen, die eine im wesentlichen konstante Genauigkeit in dem gesamten normalen Meßbereich hat, für den eine solche Vorrichtung benutzt wird.

Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen des Volumenstromes eines Fluids, mit einem Rotor, dessen Rotationssymmetrieachse im wesentlichen mit seiner Drehachse zusammenfällt, mit einem Gehäuse, in welchen der Rotor so angeordnet ist, daß die Innenwand des Gehäuses mit der Aussenwand des Rotors einen im wesentlichen ringförmigen Raum begrenzt,, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einbringen des Fluids in den Ringraum derart ausgebildet sind, daß die Gesamtheit der Kräfte, mit denen das Fluid auf die Wand des Rotors auftrifft, in bezug auf die Drehachse des Rotors ein resultierendes Moment ergibt, das im wesentlichen gleich Null ist«

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die lediglich zur Erläuterung dienen und auf die die Erfindung nicht beschränkt ist. In den Zeichnungen zeigen:

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Fig.1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig.2 einen Teil einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung und

Fig.3 ein Diagramm, welches den mit einer Vorrichtung nach der Erfindung erzielten Hauptvorteil verdeutlicht.

Fig.1 zeigt im Schnitt eine Vorrichtung zum Messen des Volumenstromes eines Fluids, mit einem eine rotationszylindrische Form aufweisenden Gehäuse 1, in dessen Innerem ein Rotor 2 angeordnet ist, der in eine Drehbewegung um eine Achse 3 versetzt werden kann. Das Gehäuse 1 und der Rotor 2 begrenzen einen Ringraum 4. Die Vorrichtung hat außerdem eine Fluidzuführung 5, die durch eine Einlaßöffnung 6 in den ringförmigen Teil 4 mündet, und einen Fluidauslaß 7, der vorzugsweise in der Nähe der Einlaßöffnung 6 des Fluids angeordnet ist.

Zwischen der Einlaßöffnung 6 und der Auslaßöffnung 7 hat die Vorrichtung einen Stopfenteil 8, der dem Fluid, das den Ringraum durchfließen soll, ermöglicht, vorzugsweise dem längsten Weg zu folgen, um von der Einlaßöffnung 6 zu der Auslaßöffnung 7 zu gelangen, d.h. in dem Ringraum in der Richtung des Pfeiles 9 zu fließen und auf diese Weise den Rotor 2 in der Richtung des Pfeils 9 in Drehung zu versetzen. Die Drehung des Rotors wird durch die auf die Wand des Rotors ausgeübten Viskositätskräfte des Fluids hervorgerufen.

Der Stopfenteil 8 braucht selbstverständlich keinen vollkommen dichten Abschluß für das Fluid darzustellen, soll aber wenigstens dem Hindurchgang des Fluids einen Widerstand entgegensetzen, der so ausreichend groß ist, daß das Fluid um den

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Rotor herumgeht und nicht direkt auf dem kürzesten Weg von der Einlaßöffnung 6 zu der Auslaßöffnung 7 geht.

Wenn der Rotor aus einem Zylinder besteht, kann der Stopfenteil 8 aus einer zylindrischen Wand bestehen, die die in Fig.1 dargestellte Form hat, d.h. sie kann im wesentlichen trapezförmig und mit der Innenwand des Gehäuses 1 fest verbunden sein.

im Stand der Technik haben sämtliche Vorrichtungen, die auf diesem Prinzip beruhen, Fluidzuführungen, die derart angeordnet sind, daß das Fluid im wesentlichen tangential zu der Wand des Rotors eintritt» Folglich nahm bei einer solchen Vorrichtung, wie die .Anmelderin festgestellt hat, die Genauigkeit in Abhängigkeit von der Zunahme der Durchflußgeschwindigkeit des Fluids in dem Ringraum stark ab, was diese Vorrichtungen selbst für die Messung der Volumenmengen von Hauthaltsgas praktisch unbrauchbar machte.

In Fig.3 zeigt die Kurve 31 die Änderungen des Fehlers bei der mit einer bekannten Vorrichtung ausgeführten Messung in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit des Fluids in der Vorrichtung. Diese Kurve zeigt,daß, wenn der zulässige Fehler + Eo ist, der Meßbereich, in welchem diese Vorrichtungen verwendet werden könnten, durch Fließgeschwindigkeiten des Fluids zwischen V_min und V_max^ festgelegt ist, was einen verhältnismäßig kleinen Meßbereich darstellt.

Zur Beseitigung dieses Nachteils hat die Anmelderin in ihren Laboratorien eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen des Volumenstromes eines Fluids geschaffen, in

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welcher sie, wie in Fig.1 gezeigt, eine Zunge 10 in der Einlaßöffnung 6 des Fluids angeordnet hat. Das Ende dieser Zunge 10 taucht geringfügig in den Ringraum ein, um das Fluid bei seinem Eintritt in das ringförmige Gefäß durch den Coanda-Effekt zu lenken.

Die Anmelderin hat nämlich festgestellt, daß es möglich ist, die Genauigkeit der Messung zu verbessern, und den Nutzungsbereich der Vorrichtung zu vergrößern, indem dieser Zunge eine bestimmte Orientierung gegeben wird, die ermöglicht, daß mindestens ein Teil des Fluids derart in den Ringraum eindringt, daß es der Drehung des Rotors teilweise entgegenwirkt. Demgemäß zeigt in Fig.3 die Kurve 32, daß der Fehler + Ec erst dann überschritten wird, wenn das Fluid eine Fließgeschwindigkeit V_max2 erreicht hat, die sehr viel größer als die Geschwindigkeit V^ ist. Diese Verbesserung ermöglicht nun die Benutzung dieser Vorrichtungen für zahlreiche Anwendungsfälle, wie insbesondere die Messung des Verbrauches von Haushaltsgas.

Die Anmelderin hat versucht, den Ursprung dieser raschen Zunahme des Fehlers herauszufinden, und es scheint, daß der größte Teil desselben von den Auftreffkräften des auf die Wand des Rotors gelangenden Fluids herrührte, und zwar selbst dann, wenn das Fluid tangential zu der Wand zugeführt wurde. Es gibt nämlich immer einen Teil des Fluids, der nicht einer vollkommen tangentialen Bahn folgt und der auf die Wand des Rotors unter einem Winkel auftrifft, der ungleich Null ist. Je mehr die Geschwindigkeit des Fluids zunimmt, umso mehr nehmen deshalb seine Auftreffkräfte zu und geben dem Rotor eine Drehung, die nicht allein von dem Strom des Fluids in dem Ringraum herrührt.

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Es schien somit, daß mit der Zunge 10, die das Fluid im wesentlichen senkrecht auf die Wand des Rotors leitet, die Gesamtheit der Auftreffkräfte des Fluids auf der Wand des Rotors in bezug auf die Rotationsachse desselben ein resultierendes Moment ergibt, das im wesentlichen Null ist, und daß deshalb auf die Wand des Rotors, um ihn in Drehung zu versetzen, nur mehr die Viskositätskräfte des in dem Ringraum 4 strömenden Fluids einwirken.

Zur überprüfung dieser Hypothese hat die Anmelderin eine .weitere Ausführungsform einer Vorrichtung geschaffen,von der ein Teil in Fig. 2 dargestellt ist» Bei dieser Ausführungsform bestehen die Einrichtungen zum Einbringen des Fluids in den Ringraum 24, der durch die Außenwand des Rotors 22 und die Innenwand des Gefäßes 21 begrenzt ist, aus mehreren Einlaßrohren 25', 25", 25"' geringen Durchmessers, deren Eintrittsachsen sämtlich im wesentlichen auf der Drehachse 23 des Rotors 22 zusammenlaufen, so daß die Auftreffkräfte des Fluids sämtlich im wesentlichen senkrecht zu der Wand des Rotors sind und deshalb die Gesamtheit dieser Auftreffkräfte auf der Wand in bezug auf die Achse des Rotors ein resultierendes Moment ergibt, welches im wesentlichen Null ist«, Es hat sich herausgestellt, daß diese Ausführungsform ebenfalls sehr gute Resultate ergibt.

Die der Beschreibung beigefügten beiden Figuren zeigen zwei Ausführungsformen einer Vorrichtung zum Messen des Volumenstromes eines Fluids_β Um daraus Volumenzähler zu bilden, genügt es₉ Einrichtungen, die auf den Rotor zu der Winkelgeschwindigkeit des Rotors proportionale Bremskräfte ausüben, und einen Zähler hinzuzufügen, der dem Rotor zugeordnet ist und die Anzahl von durch

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diesen ausgeführten Umdrehungen zählt, wobei diese Anzahl von Umdrehungen proportional zu dem Durchfluß ist. Die Einrichtungen zum Ausüben der Bremskräfte und der Zähler sind bekannt und ihre Verwendung bereitet keine Schwierigkeit.

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Claims

Patentansprüche

' 1·JVorrichtung zum Messen des Volumenstromes eines Fluids, "— mit einem Rotor, dessen Rotati ons symmetrie achse im wesentlichen mit seiner Drehachse zusammenfällt, mit einem Gehäuse, in welchem der Rotor so angeordnet ist, daß die Innenwand des Gehäuses mit der Außenwand des Rotors einen ±m wesentlichen ringförmigen Raum begrenzt, und mit Einrichtungen zum Einbringen des Fluids in den Ringraum, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die das Einleiten des Fluids in den Ringraum derart lenken, daß die Gesamtheit der Kräfte, mit denen das Fluid in dem Ringraum auf die Wand des Rotors auftrifft, in bezug auf die Drehachse des Rotors ein und dieselbe Resultierende ergibt, die im wesentlichen Null ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, welche das Einleiten des Fluids in den Ringraum lenken, eine-in den Ringraum mündende Fluidzuführung enthalten, welcher mindestens eine in den Ringraum eintauchende Zunge zugeordnet ist, die das Fluid durch den Coanda-Effekt auf die Außenwand des Rotors leitet.

3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, die das Einleiten des Fluids in den Ringraum lenken, mehrere Rohre aufweisen, deren Achsen jeweils im wesentlichen senkrecht zu der Wand des Rotors sind.

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