DE2454286A1

DE2454286A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der ansprechlinearitaet eines stroemungsmessers

Info

Publication number: DE2454286A1
Application number: DE19742454286
Authority: DE
Inventors: David E Hoppe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-11-20
Filing date: 1974-11-15
Publication date: 1975-05-22
Also published as: GB1461013A; US3927568A; JPS5739368B2; FR2251808B3; DE2454286C2; AU7493474A; JPS5086367A; FR2251808A1; SE7414498L

Description

PATENTANWÄLTE 24 5 A 28

HENKEL, KERN, FEILER&HÄNZEL

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HLEGRAMME: FXLlPSOID MÜNCHEN D-8000 MÜNCHEN 90 POSTSCHECK: MÜNCHEN 162147 -

David E. Hoppe _15# November 1974

Boston, Mass., V.St..A.

Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Änsprechlinearität eines Strömungsmessers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Änsprechlinearität eines lagerlosen Strömungsmessers mit einem ringförmigen, mit einer Wirbelkammer zusammenwirkenden Rotor durch Steuerung der durch die Düsenkanäle erzeugten Turbulenz.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verbesserung der Arbeitsweise eines lagerlosen Durchsatzmengen- oder Strömungsmessers der Art gemäß der US-PS 3 4-4-7 343. Bei dieser speziellen Konstruktion eines Strömungsmessers läuft ein ringförmiger Rotor in einer Wirbelkammer, wobei der Rotor vollständig frei läuft und lediglich durch eine hydrodynamische Strömungsmittelwirkung und mithin ohne jegliche mechanische !Festlegung in einer stabilen Drehstellung gehalten wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese vorgeschlagene Vorrichtung nicht industriell brauchbar ist, weil die Ausführungsformen gemäß der genannten US-PS keine annehmbare Änsprechlinearität gewährleisten. Für ■ die Verwendung eines Strömungsmessers gelten strenge Anforderungen, d.h. die Benutzer verlangen normalerweise

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eine Linearität im Bereich von ;+ o,5# oder +_ Λ°/> der Strömungsmesseranzeige, und diesen Anforderungen konnte mit der genannten Vorrichtung nicht entsprochen werden. Es wurde angenommen, daß eine brauchbare Linearität durch Abwandlung der Geometrie des Strömungsmessers im Erprobungsverlauf mittels als erfolgversprechend angesehener Versuchsreihen erreicht werden könnte. Nach jahrelangen Bemühungen und Versuchen erwies sich diese Annahme jedoch als · unrichtig, da eine annehmbare Linearität durch Umkonstruktion des Strömungsmessers unmöglich zu erzielen erschien. Infolgedessen schien die. wirtschaftliche Auswertung dieses vorgeschlagenen Strömungsmessers in Frage gestellt, und die Lösung des Picblems der Nichtlinearität wurde für unmöglich oder zumindest für den Fachmann nicht auf der Handjliegend angesehen. Ausgedehnte Versuche und ein großer Zeit- und Kostenaufwand mit dem Ziel der Auffindung einer Lösung für das Problem der Nichtlinearität führten also zu keinen zufriedenstellenden Ergebnissen. .

Erfindungsgemäß hat es sich dagegen überraschend herausgestellt, daß eine zufriedenstellende Linearität durch Änderung der Düsenkanäle in der Weise, daß dadurch die in ihnen und durch sie erzeugte Strömungsmittelturbulenz gesteuert wird, erzielt werden kann. Die durch diese Art der Steuerung erreichten Ergebnisse gewährleisten andere Wirkungen und eine andere Leistung des Strömungsmessers, als sie mit einer allgemeinen Änderung der Dimensionsparameter, wie Durchmesser und Länge der Düsen, oder anderer geometrischer Faktoren der Meßkammer und des in dieser eingeschlossenen Rotors, wie Größe und Profil, erzielt werden können. Erfindungsgemäß wird also die Herstellung von Strömungsmessern mit annehmbar linearen Betriebseigenschaften möglich, so daß

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sich diese abgewandelten Strömungsmesser, im Gegensatz zu den bekannten Yorrichtungen, für die praktische Verwendung eignen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können ohne weiteres Linearitätswerte von £0,5$ erreicht werden. Diese erfindungsgemäßen Verbesserungen sind weder durch den Stand der Technik gelehrt oder nahegelegt, noch für den routinierten Experimentator offensichtlich oder als Ergebnis von Routineuntersuchungen verfügbar. Das seit langem bestehende Erfordernis für bessere Meßlinearität konnte erst mit der Erfindung erfüllt werden. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß es bis zur Erfindung wesentlich war, die präzisesten Bearbe.it.ungs- und Fertigungsverfahren anzuwenden, um ein Meßgerät mit guter Wiederholbarkeit herzustellen, und aufgrund dieser praktischen Erfahrungen wurde angenommen, daß jedes Abweichen von einer außerordentlich hohen Oberflächengüte zu einem mangelhaft arbeitenden Meßgerät führen würde. Mangelhafte Betriebsleistungen konnten nämlich häufig auf Unregelmäßigkeiten aufgrund des Eertigungsverfahrens zurückgeführt werden. Aus diesen und anderen Gründen war nicht zu erwarten, daß das Abgehen von der Ausbildung einer vergleichsweise glatten Düsenbohrung bzw. -kanal irgenwelche vorteilhaften Ergebnisse und noch viel weniger eine verbesserte Linearität des Strömungsmessers mit sich biingen würde.

Aufgabe der Erfindung ist mithin die Verbesserung des Strömungsmessers gemäß der eingangs genannten US-PS zur Gewährleistung einer besseren Linearität.

Diese Aufgabe wird bei einem Strömungsmesser mit einem Rotor, der mit mehreren Düsen zur Erzeugung eines Wirbels in einer den Rotor enthaltenden Wirbelkammer zusammenwirkt,

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erfindungsgemäß gelost durch eine ausgeglichene "bzw. symmetrische Modifikation bzw. Formänderung der Düsen zur Gewährleistung einer Steuerung der von den Düsen erzeugten effektiven Turbulenz, wobei die Formänderung in ausgeglichener Anordnung bzw. symmetrisch um den Umfang der Wirbelkammer herum vorgesehen ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführunp-jsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht eines bekannten Strömungsmessers mit Arbeitskammer und Düsenring,

Fig. 2 eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß abgewandelten Düsenrings mit einer Flächenunregelmäßigkeit in Form einer Stufe,

Fig. 3 eine teilweise weggebrochene Seitenansicht eines abgewandelten Düsenrings mit mehr als einer Stufe in seiner Düsenbohrung,

Fig. 4 eine Fig. 3 ähnelnde Ansicht einer weiter abgewandelten Ausführungsform mit einer durch ein Innengewinde gebildeten unterbrochenen Düsenbohrungsf-läche,

Fig. 5 eine Fig. 2 ähnelnde Ansicht eines noch weiter abgewandelten Düsenrings mit Düsenbohrungen von rechteckigem Querschnitt und mit Mitteln zur Erzeugung einer Strömungsmitte'lturbulenz in den Düsenkanälen,

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Fig. 6 eine den Fig. 3 und 4. ähnelnde Ansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines Düsenrings mit ■L'üsenbohrungen von rechteckigem Querschnitt und mit einer Drosselstelle zur Erzeugung der erforderlichen, gesteuerten Strömungsmittelturbulenz,

Pig. 7 eine Teilansicht eines noch weiter abgewandelten Düsenrings mit Düsen von rechteckigem Querschnitt, die mit einer Querschnittserweiterung versehen sind,

Fig. 8 eine Fig. 7 ähnelnde Darstellung bei welcher die Flächenunterbrechung die Form einer rechteckigen Aussparung besitzt, und

Fig. 9 eine teilweise weggebrochene, perspektivische Darstellung einer weiteren Abwandlung eines Düsenrings, welcher zur Erzeugung der erforderlichen Strömungsmittelturbulenz mit kleinen Oberflächenunregelmäßigkeiten im Düsenkanal versehen ist.

Fig. 1 veranschaulicht einen Strömungsmesser 9 gemäß der eingangs genannten US-PS, der einen Düsenring 1o, Düsen 11, einen Rotor. 12 und eine Meßabgriffeinrichtung 13 aufweist, wobei im Düsenring 1o mehrere Düsen 11 vorgesehen sind. Fig. 2 veranschaulicht den Düsenring 1o gemäß Fig. 1, der durch Anordnung einer Stufe 14 im Düsenkanal erfindungsgemäß abgewandelt ist. Eine einfache Möglichkeit zur Ausbildung der Stufe 14- bei der Herstellung des Düsenrings 1o besteht darin, die Düsenbohrung mit einem etwas größeren Bohrer aufzubohren und somit den Durchmesser der Düse 11 über einen Teil ihrer Länge hin-' weg zu vergrößern, so daß am Übergang zwischen den beiden verschiedenen, während der Fertigung ausgebildeten Bohrungen

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äne Stufe 14· gebildet wird. Ersichtlicherweise ist dabei jede Düse 11 des Düsenrings 1o mit einer solchen Stufe 14· versehen, so daß alle Düsen 11 einander entsprechen.

3 zeigt eine Abwandlung der Düsen 11, bei welcher zwei Stufen 15 und 16 vorgesehen sind. Selbstverständlich kann dabei jede beliebige Zahl solcher Stufen vorgesehen werden. Fig. 4 veranschaulicht eine Düse 11 von rundem Querschnitt, die mit einem Innengewinde versehen ist, so daß eine Düsenfläche 17 mit einer Vielzahl von durch das Innengewinde gebildeten Oberflächenunregelmäßigkeit e.n oder -Unterbrechungen gebildet wird.

In Fig. 5 ist ein Düsenring 1o dargestellt, der mit Düsenkanälen 18 von rechteckigem Querschnitt versehen ist, welche z.B. durch Fräsen, Räumen, Sägen bzw. Feilen oder durch entsprechendes Gießen des Düsenrings ausgebildet werden können. In den Düsen 18 ist dabei jeweils ein Stift oder Stab 19 zur Erzeugung der erforderlichen gesteuerten Strömungsmittelturbulenz angeordnet. Ersichtlicherweise können solche Stifte 19 auch bei Düsen von rundem Querschnitt vorgesehen werden, um eine gesteuerte bzw. kontrollierte Strömungsmittelturbulenz in den Düsenkanälen zu erzeugen.

Fig. 6 veranschaulicht eine noch weiter abgewandelte Ausführungsform einer Einrichtung zur Erzeugung einer gesteuerten Turbulenz in einer und durch eine rechteckige Düse 18 in Form einer Drosselstelle oder Verengung 2o in der Erstreckung der Düse 18. Diese Düsenform läßt sich ohne weiteres durch Fräsen oder Gießen herstellen. Fig. zeigt dagegen eine Abwandlung der rechteckigen Düse 18, bei welcher eine Formunterbrechung 21 in Form einer Erweiterung vorgesehen ist, die sich nach herkömmlichen Fertigungsverfahren ohne weiteres ausbilden läßt. Fig. 8 zeigt

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noch, eine andere Einrichtung zur Erzeugung einer kontrollierten oder gesteuerten Strömungsmittelturbulenz durch eine Düse 18 in Form einer Aussparung 22.

In Fig. 9 ist schließlich noch eine weitere Einrichtung zur Steuerung der durch die ^üsenkanäle 11 oder 18;erzeugten Strömungsmittelturbulenz durch Auswahl der Art und des Ausmaßes der Oberflächenregelmäßigkeiten dargestellt. Die Oberflächen der Düsenkanäle können auf andere Weise als durch Gewindebohren gemäß Fig. 4, z.B. durch Beschichten, Rillenbildung, Sandstrahlen oder Ätzen oder auf andere Weise derart behandelt werden, daß die Oberflächenunregelmäßigkeiten unter Hervorbringung derjenigen Formunterbrechungen, welche die erforderliche gesteuerte Strömungsmittelturbulenz gewährleisten, gesteuert werden· Dabei zeigt es sich im allgemeinen, daß die Abwandlung und Steuerung der Oberflächenunregelmäßigkeiten bzw. der Oberflächengüte der Bohrungsfläche 25 zur Verbesserung der Linearität des Strömungsmessers herangezogen werden kann.

Aufgrund der Feststellung, daß die vorstehend beschriebenen Abwandlungen Möglichkeiten für die Steuerung der von Strömungsmesserdüsen erzeugten, eine Änderung der Linearität des Strömungsmessers bewirkenden Turbulenz darstellen, können anhand von Routineuntersuchungen die relativen Abmessungen der jeweiligen angewandten Turbulenzmodifikationseinrichtungen bestimmt werden, beispielsweise die Bohrergrößen für die Herstellung der Ausführungsformen gemäß den Fig. 2, und 4 oder die Größe der bei der Ausführungsform gemäß Fig. erforderlichen Oberflächenunregelmäßigkeiten. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß durch entsprechende Wahl des Modifikationsgrads die gewünschten Linearitätsparameter beeinflußt werden können. Beispielsweise hat es sich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 gezeigt, daß die Höhe der Stufe 14 im allgemeinen bei etwa 3 - 1o$ des Durchmessers

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der Düse 11 liegen sollte. Anders ausgedrückt: Es hat sich herausgestellt, daß der optimale Unterschied in den Bohrerdurchmessern im Bereich von 6 - 2o$ liegt.

Es wird angenommen, daß die Erfindung bewirkt, daß die im Strömungsmesser auftretende effektive Reynoldsche Zahl der Strömungs- oder Durchsatzmenge gleichmäßiger proportional ist als ohne diese Änderung oder Modifikation. Es besteht Grund zu der Annahme, daß die Rotordrehzahl eng; mit der effektiven Reynoldschen Zahl des Strömungsmittels zusammenhängt. Zur genaueren Definition kann ein solcher Strömungsmesser als Kombination eines ringförmigen Rotors in einer Wirbelkammer angesehen werden, die einen funktionsfähigen Strömungsmesser darstellt. Wie in den Figuren dargestellt, wird der Wirbel durch die Wirkung der Düsen 11 im Düsenring erzeugt, und dieser Wirbel umschließt den in der Wirbelkammer befindlichen Rotor 12 und versetzt ihn in Drehung, wobei der Abgriff 13 so angeordnet ist, daß er die Drehung des Rotors 12 relativ zu ihm festzustellen vermag.

Die Änderungen der Düsen des Düsenrings umfassen alle Arten von Unregelmäßigkeiten oder Formunterbrechungen, und zwar sowohl in den Düsen selbst oder unmittelbar neben ihnen. Es hat sich gezeigt, daß die beste Möglichkeit darin besteht, bei allen Düsen, unabhängig von ihrer Zahl, eine gleiche Formänderung vorzusehen. Auf die Formänderung nur eines Teiles der Düsen kann Jedoch verzichtet werden, wenn das "Gleichgewichtsbzw. Symmetrieprinzip" beachtet wird, d.h. wenn eine Düse ohne Formänderung bleibt, sollte die ihr um 18o gegenüberliegende Düse ebenfalls unmodifiziert bleiben, da anderenfalls die Arbeitsweise des Strömungsmessers derart aus dem Gleichgewicht gebracht werden könnte, daß Instabilität hervorgerufen wird. Andere Beispiele für eine teilweise Modifizierung der Düsen unter Beachtung des Gleichgewichts bzw!, der Symmetrie sind offensichtlich; bei Anwendung von insgesamt zwölf Düsen kann die Symmetrie gewahrt bleiben, wenn drei nicht modifizierte Düsen in Abständen von 12o° voneinander vorgesehen werden.

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Claims

Patentansprüche

.!Verfahren zur Verbesserung der Betriebs- oder Ansprechlinearität eines Strömungsmessers mit einem einer Anzahl von Düsen zur Erzeugung eines Wirbels in einer den Rotor aufnehmenden Wirbelkammer zugeordneten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Düsen zur Ermöglichung einer Steuerung der durch sie erzeugten effektiven Turbulenz modifiziert werden, wobei die Modifikation in ausgeglichener Konfiguration bzw. symmetrisch um den Umfang der Wirbelkammer herum vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgeglichene Konfiguration bzw. die-Symmetrie dadurch erreicht wird, daß alle wirbelerzeugenden Düsen modifiziert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse durch Bohren hergestellt wird und daß die Modifikation durch Verwendung von mindestens zwei Bohrern verschiedenen Durchmessers für die Ausbildung der Düsen durchgeführt wird.
4-. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modifikation zweckmäßige lOrmunterbrechungen der Düsen gewählt werden.
5. Strömungsmesser mit einem Rotor, der mit mehreren Düsen zur Erzeugung eines Wirbels in einer den Rotor enthaltenden Wirbelkammer zusammenwirkt, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-4-, gekennzeichnet durch · eine ausgeglichene bzw. symmetrische Modifikation bzw.

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- Lc -

Formänderung der Düsen (11; 18) zur Gewährleistung einer Steuerung der von den Düsen erzeugten effektiven Turbulenz, wobei die Formänderung in ausgeglichener Anordnung bzw.- symmetrisch um den Umfang der Wirbelkammer herum vorgesehen ist.
6. Strömungsmesser nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, daß die Formänderung aus Oberflächenunregelmäßigkeiten besteht, die bei allen modifizierten Düsen gleichmäßig vorgesehen sind.
7. Strömungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Formänderung aus einer in jeder Düse gleichartig vorgesehenen Oberflächenunregelmäßigkeit besteht.
8. Strömungsmesser nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse eine gleichartige Formunterbrechung aufweist.
9. Strömungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen einen runden Querschnitt besitzen und daß die Formänderung aus mehreren unterschiedlichen Durchmessern in jeder Düse besteht.

1o. Strömungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Formänderung aus einer kontrollierten Oberflächenunregelmäßigkeit oder -rauhigkeit jeder Düse besteht.

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