DE2633803A1

DE2633803A1 - Flowmeter for fluid or gaseous media - has circulating ball driven by whirling nozzle in annular channel

Info

Publication number: DE2633803A1
Application number: DE19762633803
Authority: DE
Inventors: Hartmut Klein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-07-28
Filing date: 1976-07-28
Publication date: 1978-02-02

Abstract

The flowmeter for fluid and gaseous media consists of an inlet pipe (1) which passes into the inner chamber of a coaxial cylindrical housing to which is connected an outlet pipe (4). The inner end of the inlet pipe is sealed off but it has a number of radial slits (2) forming a whirling nozzle. In the inner chamber is a ball (5) which rolls around the chamber under the action of the vortex produced by the inlet nozzle at a speed which is proportional to the rate of flow through the device. With suitable choice of materials for the ball, its action can be made virtually frictionless. Its motion is detected by an inductive, photo-electric, radiation or other pick-up placed on the outside of the circulating chamber.

Description

Strömungsmesser für flüssige und gasförmige MedienFlow meter for liquid and gaseous media

Strömungsmesser für flüssige und gasförmige Medien gibt es in zahlreichen Ausführungen und nach den verschiedensten Meßprinzipien.There are numerous flow meters for liquid and gaseous media Executions and according to the most diverse measuring principles.

In letzter Zeit gewinnen sie noch mehr an Bedeutung, insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen, einmal weil die zunehmende Verteuerung der Stoffe eine Messung zwecks Kostenerfassung notwendig macht und zum anderen, um eine Verschwendung einzudämmen. Dies gilt insbesondere auch für die Wassermessung, sei es als Kaltwasser- und Warmwasserverbrauchsmessung oder auch als Warmwasserströmungsmessung in Heizanlagen zur Messung des Wärmeverbrauchs in Wohnungen. Gerade hier entstehen Aufgaben, die mit konventionellen Methoden nicht mehr befriedigend gelöst werden können; dies gilt speziell für das Problem der Wärmemengenmessung.Lately they are becoming even more important, especially for economic reasons, on the one hand because of the increasing price of materials a measurement is necessary for the purpose of recording costs and, on the other hand, to avoid wastage contain. This also applies in particular to water measurement, be it as cold water and hot water consumption measurement or as hot water flow measurement in heating systems for measuring heat consumption in apartments. This is precisely where tasks arise that can no longer be solved satisfactorily with conventional methods; this applies especially to the problem of heat quantity measurement.

Für die Ermittlung der Heizkosten soll die Problematik kurz dargestellt wrden. Sogenannte1ärmezhler sind in den verschiedensten Ausführungen mechanischer oder elektrischer Art vorgeschlagen und entwickelt worden, ohne daß bisher eine durchgreifende Einführung erfolgen konnte. Dies hat verschiedene Gründe, die zum Teil in der Leitungsführung der Heizungsanlagen liegen, zum Teil in den hohen Kosten und in der Unzuverlässigkeit der Funktion solcher Meßgeräte.To determine the heating costs, the problem should be briefly presented would. So-called heat meters are more mechanical in various designs or electrical type has been proposed and developed without heretofore one thorough introduction could take place. There are several reasons for this Partly in the routing of the heating systems, partly in the high costs and in the unreliability of the functioning of such measuring devices.

In letzter Zeit jedoch rücken elektrische Lösungen für die Messung des Wärmeverbrauchs in Haushalten in den Bereich der Realisierbarkeit, nachdem integrierte elektronische Bausteine eine kostengünstige Ausführung ermóglichen. Diese Lösungen gehen von der physikalischen Formel aus, nach der die Wärmemenge als zeitliches Integral des Produkts aus der Strömungsmenge und der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf des Heizwassers ermittelt wird. Vorzugsweise benutzt man dabei zur Bestimmung der strömenden Menge Flügelradzähler oder andere mechanische Zähler, die in Abhängigkeit von der durchfließenden Menge, d.h. proportional zur Umdrehung ihres Flügelrades, Impulse an eine elektronische Schaltung geben, die die oben genannten Operationen ausführt und das Ergebnis in einem Zähler fortlaufend registriert.Recently, however, electrical solutions for measurement are advancing of heat consumption in households in the realm of feasibility after integrated electronic modules enable a cost-effective implementation. These solutions proceed from the physical formula, according to which the amount of heat as temporal Integral of the product of the flow rate and the temperature difference between The flow and return of the heating water is determined. Preferably one uses to determine the flowing volume of impeller meters or other mechanical meters, which depends on the amount flowing through, i.e. proportional to the rotation their impeller, give impulses to an electronic circuit that does the above Carries out operations and continuously registers the result in a counter.

Die elektronische Einrichtung selbst arbeitet mit hoher Genauigkeit und funktionssicher; jedoch beeinträchtigen die bekannten Nachteile des im heißen Wasser arbeitenden Wassermessers die Funktion: verscfimutzungen des Gerätes und Verschleiß der Lagerstellen führen zu Meßungenauigkeiten oder gar zum Ausfall.The electronic device itself works with high accuracy and functionally reliable; however, affect the known disadvantages of the hot Function of water working water meter: contamination of the device and Wear of the bearing points lead to measurement inaccuracies or even failure.

Es gibt genügend Vorschläge und Lösungen, den mechanisch arbeitenden Wassermesser zu ersetzen, jedoch konnte bisher kein durchschlagender Erfolg erzielt werden, entweder wegen unzureichender Genauigkeit oder wegen zu. hoher Kosten der Meßanlagen0 Die vorliegende Erfindung. beschreibt- einen Strömungsmesser, welcher diese Nachteile vermeidet. Neben einem Höchstmaß an Einfachheit bietet er überdies die Möglichkeit der Anpassung an die verschiedensten Meßaufgaben. Anhand der schematischen Darstellung der Figur 1 soll das Prinzip erläutert werden. Das sei 1 zuströmende Medium tritt über die strahlenförmig liegenden Kante 2 in-den zylindrischen Innenraum- 3 des Strömungsmessers ein und formt sich hier zu einem umlaufendenlim wesentlichen homogenen:und laminaren, Wirbel rund tritt dann in den Auslauf 4. Im' zylindrischen Raum 3 befindet sich eine Kugel 5 Caus Stahl, NE-Metallen, Glas, Kunststoff), die von der kreisförnigen Strömung des Mediums mitgenommen wird Macht man vorzugsweise die Kugel durch Wahl eines entsprechenden Materials so leicht, daß sie im Medium nahezu zum Schwimmen kommt, dann erfährt sie beim Umlauf praktisch keine Reibung an der Lauffläche. Sie wird daher in nahezu idealer Weise vom Medium mitgeführt, und ihre Umlaufgeschwindigkeit ist unmittelbar ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums.There are enough suggestions and solutions for the mechanical ones Replacing water knives, however, has so far not achieved any resounding success either because of insufficient accuracy or because of too. high cost of Measurement Systems0 The present invention. describes a flow meter, which avoids these disadvantages. In addition to a maximum of simplicity, it also offers the possibility of adaptation to a wide variety of measuring tasks. Using the schematic Representation of Figure 1, the principle is to be explained. Let that be 1 incoming Medium enters the cylindrical interior via the radial edge 2 3 of the flow meter and forms here into a circumferential limit homogeneous: and laminar, eddy round then enters the outlet 4. Im 'cylindrical Room 3 is a sphere 5 Caus steel, non-ferrous metals, glass, Plastic), which is carried along by the circular flow of the medium power the ball is preferably so easily made by choosing a suitable material, that it almost comes to swim in the medium, then it learns practically during circulation no friction on the running surface. It is therefore almost ideally used by the medium entrained, and their speed is a direct measure of the flow rate of the medium.

Man kann den Umlaufkörper auch als Hohlkörper (Hohlkugel) ausbilden, erforderlichenfalls mit eingeschlossenem Eisen- oder sonstigem Metallkern, und kann somit mit praktisch jedem Material, also auch mit Metallen oder metallisiertem Kunststoff oder Glas, den schwimmenden Zustand erreichen.The circulating body can also be designed as a hollow body (hollow sphere), if necessary with an enclosed iron or other metal core, and can thus with practically any material, including metals or metallized plastic or glass to achieve the floating state.

Nimmt man jedoch einen gewissen Anlaufwert in Kauf, dann kann man auch mit schwereren Kugeln arbeiten, die dann eine kleine Rollreibungskraft zu überwinden haben, also gegenüber dem umlaufenden Strom des Mediums etwas zurückbleiben.However, if you accept a certain starting value, then you can also work with heavier balls, which then have to overcome a small rolling friction force have, so lag behind the circulating flow of the medium.

Mit der Zahl, Lage und Richtung der Kanäle können die Strömungsverhältnisse im Strömungsraum beeinflußt werden. Neben der Einfachheit ist ein Hauptmerkmal die Verschleißfreiheit der Anordnung, da die Kugel praktisch nicht verschleißmäßig beansprucht wird und durch ihre Bewegung einem fortgesetzten Selbstreinigungsprozeß unterliegt und auch die Rollbahn im Strömungsraum sauber hält.The flow conditions can be determined with the number, position and direction of the channels be influenced in the flow space. Besides the simplicity, a main feature is the The arrangement is wear-free, since the ball is practically not subject to wear and through its movement is subject to a continuous self-cleaning process and also keeps the runway in the flow space clean.

Es ergibt sich ohne weiteres auch die Umkehrung des Prinzips in der Form, daß die Strömungskanäle in einem von außen nach innen gerichteten Düsenkranz angebracht sein können.The reverse of the principle also results without further ado Form that the flow channels in a nozzle ring directed from the outside to the inside may be appropriate.

Auch eine Anordnung nach Art des Einstrahlwassermessers, bei der nur eine Zuflußdüse und ein Abflußkanal vorhanden sind, liefert noch gute Ergebnisse, weil sich im Innenraum auch dann eine dem Durchfluß im wesentlichen proportionale Umlaufgeschwindigkeit des Mediums einstellt.Also an arrangement like the single jet water meter, in which only an inflow nozzle and an outflow channel are available, still gives good results, because in the interior there is also a flow that is essentially proportional to the flow Adjusts the circulation speed of the medium.

Für den praktischen Einsatz läßt sich das beschriebene Grundelement in vielfältiger Form ausbauen. Gestaltet man das Gerät oder Teile davon aus durchsichtigem Material, so kann es ohne zusätzliche Einrichtungen unmittelbar als Strömungswächter zur Beobachtung des Strömungszustandes eingesetzt werden. Mittels Stoppuhr läßt sich im Bedarfsfall aus der Umlaufzeit der momentane Durchsatz exakt ermitteln.The basic element described can be used in practice expand in a variety of ways. If you design the device or parts of it from transparent Material can be used directly as a flow monitor without additional equipment can be used to observe the flow condition. Leaves by means of a stopwatch If necessary, the current throughput can be determined exactly from the cycle time.

Der hauptsächliche Einsatz liegt jedoch in der dauernden Messung des Durchflusses. Zu diesem Zweck müssen Vorrichtungen vorgesehen werden, die fortgesetzt die Umlaufgeschwindigkeit der Kugel bzw. ihre Umlaufzeit ermitteln. Vorzugsweise eignet sich das Meßprinzip für die Abgabe von Impulsen, wie sie - wie einleitend beschrieben - z. B. für die neuerdings entwickelten elektronischen Wärmemengenmesser als Eingangsgröße benutzt werden.The main use, however, is the continuous measurement of the Flow rate. For this purpose, devices must be provided that continue determine the speed of rotation of the ball or its period of rotation. Preferably the measuring principle is suitable for the delivery of impulses, as they - as introductory described - e.g. B. for the recently developed electronic calorimeter can be used as an input variable.

Die umlaufende Kugel bietet nun in einfacher Weise die Möglichkeit, solche Impulse zu erzeugen. Da die hierzu notwendigen Einrichtungen Stand der Technik sind, sollen nur einige bevorzugte Beispiele genannt werden. Wählt man eine Kugel oder Hohlkugel aus einem Metall, dann kann man einen induktiven oder Hochfrequenz-Initiator anbringen, bei dem das elektromagnetische Feld durch die Kugel beeinflußt wird, z. B. nach Art des Flächeninitiators. Auch Ultraschallinitiatoren oder Hall-Generatoren sind einsetzbar.The revolving ball now offers the possibility in a simple way to generate such impulses. Since the facilities required for this are state of the art are only a few preferred examples. Choose a ball or hollow sphere made of a metal, then you can use an inductive or high frequency initiator attach where the electromagnetic field is influenced by the sphere, z. B. according to the type of surface initiator. Also ultrasonic initiators or Hall generators can be used.

Ebenso können sich fotoelektrische Abgriffe mit sichtbarem oder unsichtbarem Licht als vorteilhafte Ausgestaltung ergeben, entweder im Durchstrahl- oder im Reflexionsverfahren. Wenn das Gehäuse selbst nicht aus durchsichtigem Material besteht, sind für diese Art von Initiatoren entsprechende Fenster aus geeignetem Material im Gehäuse vorzusehen.Likewise, photoelectric taps can be visible or invisible Light result as an advantageous embodiment, either in the transmission or in the reflection method. If the case itself is not made of clear material, this is the case Type of initiators to provide appropriate windows made of suitable material in the housing.

Als besonders elegante Lösung bietet sich ein radioaktiver Initiator in der Art an, daß im Innern der Kugel ein radioaktives Nuklid (z. B. Kobald 60) angebracht ist, das beim Vorbeilaufen der Kugel an dem Zählrohr einen Impuls auslöst. Diese Methode läßt sich auch im Reflexionsverfahren durch ein außen angebrachtes Nuklid modifizieren in der Art, daß die vorbeilaufende Kugel die Strahlung auf ein Zählrohr reflektiert. Statt der Verwendung eines in der Kugel eingesetzten Nuklids kann auch das Material der Kugel selbst durch vorausgegangene Bestrahlung aktiviert und auf diese Weise als Strahlungsquelle gestaltet werden. Auch kann die Kugel mit einem solchen aktivierten Stoff (fest, flüssig, gasförmig) gefüllt werden.A radioactive initiator is a particularly elegant solution in such a way that there is a radioactive nuclide inside the sphere (e.g. B. Kobald 60) is attached, the one when the ball passes the counter tube Impulse triggers. This method can also be used in the reflection process through an outside attached nuclide modify in such a way that the passing ball the radiation reflected on a counter tube. Instead of using one inserted in the ball Nuclide can also be the material of the sphere itself through previous irradiation activated and designed in this way as a radiation source. Can also Ball can be filled with such an activated substance (solid, liquid, gaseous).

Die zu den einzelnen Initiatoren gehörenden Abgriffe und elektronischen Schaltungen sind bekannt und können daher hier außer Betracht bleiben.The taps and electronic ones belonging to the individual initiators Circuits are known and can therefore be disregarded here.

Eine für das vorliegende Meßprinzip spezifische Art soll noch erwähnt werden, nämlich die beim Vorbeilauf der Kugel an den Strömungskanälen jeweils im Medium auftretende Druckschwankung, die mittels eines auf Druck ansprechenden Abgriffs in einen Impuls umgesetzt werden kann.A type specific to the present measuring principle should also be mentioned be, namely the one in each case in the passage of the ball on the flow channels Pressure fluctuation occurring in the medium, which is determined by means of a pressure-responsive tap can be converted into an impulse.

Auch ltnt sich die Impulsfolge nach bekannten Methoden zu einer analogen Anzeige des Durchflusses umformen oder aber auch zur Grenzwertsignalisierung verwenden.The pulse sequence can also be converted into an analog one using known methods Convert the display of the flow rate or use it for limit value signaling.

Ebenso kann es vorteilhaft sein, statt einer Kugel mehrere Kugeln, lose oder über eine käfigähnliche Spinne verbunden, einzusetzen, un die Impulsfolge zu vergrößern.It can also be advantageous to use several balls instead of one ball, loosely or connected via a cage-like spider, to be used, un the pulse train to enlarge.

Ein solcher Käfig kann einen Permanentmagneten oder ein ferromagnetisches Material tragen, um auf diese Weise unmittelbar einen außen liegenden Kontakt zu betätigen.Such a cage can be a permanent magnet or a ferromagnetic one Wear material in order to make direct external contact in this way actuate.

Der Innenraum bzw. die Umlaufrille kann erforderlichenfalls modifiziert werden, z. B. nach den in Figur 2 dargestellten Formen als Quadrat Rechteck Rechteck mit Verrundung der Ecken Dreieck usw.The interior or the circumferential groove can be modified if necessary be e.g. B. according to the shapes shown in Figure 2 as a square rectangle rectangle with rounding of the corners triangle etc.

Schließlich kann als Umlaufkörper auch ein von der Kugelform abweichender Körper treten, z. B. ein Zylinder, ein Zylinder nit Kugelkalotten oder dergl.Finally, a recirculating body that deviates from the spherical shape can also be used Body kick, e.g. B. a cylinder, a cylinder nit spherical caps or the like.

An-die-Stelle d-er in Figur 1 dargestellten Konstruktion, bei der das abströmende Medium in geometrischer Verlängerung der Achse- des einströmenden Mediums abstromt, können auch andere konst-ruktive Lösungen treten. So kann man den Abfluß des Mediums z. B. auch am Außenrand der Laufkammer-durch her angebrachte Bohrungen in eine umgebend? Kammer oder auch direkt ins Freie bewirken, wenn z. B. bei Strömungsmessungen an Luft das Medium nicht mehr in angeschlossene Leitungen geführt werden muß.Instead of the construction shown in FIG. 1, in which the outflowing medium in a geometric extension of the axis of the inflowing If the medium flows away, other constructive solutions can also appear. So you can the outflow of the medium z. B. also attached to the outer edge of the barrel chamber through forth Drilling in a surrounding? Chamber or directly into the open, if z. B. with flow measurements in air, the medium is no longer in connected lines must be performed.

Die Eichung des Strömungsmessers kann in bekannter Art, beispielsweise durch einen Bypass, vorgenommen werden, sei es durch einstellbare Umgehung des Gerätes, sei es durch eine einstellbare Öffnung in der oberen Abschlußplatte des Zuströmrohres, durch die ein Teil des Mediums unter Umgehung des Laufraumes direkt in den Auslauf strömt.The flow meter can be calibrated in a known manner, for example through a bypass, be it through adjustable bypassing of the device, be it through an adjustable opening in the upper end plate of the inflow pipe, through which part of the medium bypassing the running space directly into the outlet flows.

Diese Methode eignet' sich auch dafür, vorzugsweise bei gasförmigen Medien eventuell erforderliche Zustandskorrekturen für Druck und Temperatur durch druckabhängige oder/und temperaturabhängige Verstellelemente den Bypass selbsttätig zu-verändern.This method is also suitable for this, preferably in the case of gaseous Media carry out any necessary state corrections for pressure and temperature pressure-dependent and / or temperature-dependent adjustment elements automatically bypass to change.

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Claims

Claims 1.) Flow meters for liquid and gaseous media, characterized in that the inflowing through appropriately designed channels The medium in a chamber of the flow meter is made to rotate, so that located here, freely movable recirculating body, preferably balls, with the Circulate medium.

2.) Flow meter for liquid and gaseous media according to claim 1, characterized in that the recirculating body by their material design (Density) or their structural design (e.g. as a hollow body) are dimensioned in such a way that that they swim completely or approximately in the medium.

3.) Flow meter for liquid and gaseous media according to claim 1 and 2, characterized in that initiators are attached by the cause the orbiting body to generate impulses.

4.) Flow meter for liquid and gaseous media according to claim 1 to 3, characterized in that the pulses supplied by the initiators converted into an analog display and / or a limit value display or message will.

5.) Flow meter for liquid and gaseous media according to claim i to 4, characterized in that through the use of transparent materials for the housing or parts thereof, the circulation of the recirculating body is directly visual can be observed.