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'Vorrichtung zum Messen der in der Zeiteinheit durch deren Gehäuse
hindurchströmenden Menge eines Fluids" Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Für die Messung von Flüssiokeits- und Gasmengen werden sogenannte
Mengenzähler benutzt, bei denen zwischen Volumenzählern und Massezählern unterschieden
wird. Die durchgeflossene Menge wird von Zählwerken angezeigt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen
Mengenzähler zu schaffen, mit dem ein in der Zeiteinheit hindurchfließendes Fluid
(Flüssigkeit oder Gas) gemessen werden kann und der insbesondere für das Messen
kleiner Mengen unter geringen DrUcken geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch die
Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 erfindungsgemäß gelöst. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung kann so ausgebildet werden, daß sie auf geringe Drücke und/oder geringe
Durchflußmengen in der Zeiteinheit anspricht. Die reibungsarme, elastische Lagerung
einer der mit Leitkörper und mit Meßkörper bezeichneten Teile ermöglicht im Zusammenwirken
mit der auf die Verschiebung des
elastisch gelacerten Körpers ansprechenden
Einrichtung eine genaue Anzeige der in der Zeiteinheit durch die 7orrichtung hindurchfließenden
Menge.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den übrigen Anspriichen, der Beschreibung
und der Zeichnung. In dieser sind vier Mengenmeßgeräte als Ausführunqsbeispiele
des Gegenstandes der Erfindung jeweils im Längsschnitt schematisch dargestellt.
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Ein hohlzylindrisches Gehäuse 1 hat eine Einlaßbohrung 2 und eine
im Durchmesser erweiterte hohlzylindrische Meßammer 3, wobei der Uberganq von der
Einlaßbohrung 2 zur Meßkammer 3 kegelförmig ausgebildet ist. In die Einlaßbohrung
2 ist ein mit einem Außengewinde versehener Leitkörper 4 eingeschraubt, der in der
Mitte eine Sackbohrunq 5 und außen herum einen Kranz von Durchflußbohrungen 6 hat.
In die Sackbohrung 5 ist ein Stopfen 7 eingeschraubt, Der die Sackbohrung 5 aufnehmende
mittlere Teil des LeitkörDers 4 rat in die Meßkammer 3 hinein und ist auf seiner
Außenseiten in Richtung zur Meßkammer 3 sich verjiingend in Form eines Kegelstumpfes
8 ausgebildet.
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Zwischen dem hohlzylindrischen Gehäuse 1 und einem eine senkrecht
zur Einlaßbohrung 2 angeordnete Auslaßbohrung 9 aufweisenden Gehäuseendteil 10 ist
ein mehrfach abgestufter Ringteil 11 angeordnet, an dessen äußerer Stufe das Gehäuse
1 ansteht und auf dessen innerer Stufe ein in Achsrichtung nachoiebiges Wellrohr
12 befestigt ist, das an seinem freien Ende einen aus einem Tragkörper 13 und einem
Meßkörper 14 bestehenden noppelkdrDer 13, 14 an seinem ußeren Rand trägt. Der Meßkörper
14 ist plattenformig ausgebildet und hat in seiner Mitte eine Bohrung. Diese steht
mit ihrem dem Leitkörper 4 zugewandten Rand in Ruhelage des Meßkörpers 14 an dem
Keaelstumpf 8 des Leitkörpers 4 an.
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Der aus einer Platte hergestellte TraakdrDer 13 ist kegelförmig
ausgebildet
und weist in den Hohlraum des Welirohres 12 mündende Durchoancsbohrungen 15 auf.
Er sitzt auf einer Tragstange 16, die an ihrem einen Ende im Kegelstumpf 8 des Leitkdrsers
4 und an ihrem anderen Ende in einem Schließstück 17 geführt ist, das in das vom
Gehause 1 abgewandte Ende des Gehäuseendteiles 10 eingesetzt ist. Der Gehäuse endteil
10 hat einen abgesetzten Teil, auf dessen Außenseite Spulen 18 aufgebracht sind.
Im Bereich der Spulen 18 trägt die Tragstange 16 einen Spulenkern 19. Der Gehäuseendteil
10 und das SchliePstUck 17 bestehen aus einem solchen Werkstoff, daß die vom induktiven
Meßumformer 18, 19 erzeugten Sianale weitgehend unverfE.lscht bleiben. Der MeR-umformer
18, 19 ist eine auf die Verschiebung des Meßkörpers 14 aus seiner Ruhelage ansprechende
Einrichtung.
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Der Meßkörper 14 wird wMhrend des Betriebes entsprechend der in der
Zeiteinheit in die Einlaßbohrung 2 einfließenden Menge eines Fluids (as oder Flüssigkeit)
in Richtung zum Schließstück 17 verschoben, wobei der vom Meßkörper 14 zurückgelegte
Weg durch den Meßumformer 18, 19 gemessen wird, da der Spulenkern 19 um die gleiche
Strecke verschoben wird.
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Das Wellrohr 12 ist so ausgebildet, daß der Meßkörper 14 reibungsarn,
vorzugsweise reibungslos, beweot werden kann, so daß das Meßergebnis nicht durch
eine beim Verschieben des Meßkörpers 14 etwa auftretende Reibung nachteilig beeinflußt
werden kann. Die Reibunq in den Lagern der Tragstange 16 ist sehr klein und kann
vernachlässigt werden.
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Das an der Kegelstumpf 8 vorbei und durch den Meßkörper 14 hindurchaeflossene
Fluid strömt durch das Wellrohr 12 und den Ringteil 11 hindurch und wird über die
Auslaßbohrung 9 im Gehäuseendteil 10 abaeführt. Die beiden endseieinen Lagerstellen
der Traastange werden im Falle einer Fltissigkeit durch diese geschmiert.
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Bei den nachfolgend beschriebenen Ausffihrungsbeispielen werden gleiche
Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei jedoch den Bezugszeichen abgewandelter
Teile jeweils der Kleinbuchstabe a bzw. b bzw. c (Fig. 2 bis 4) beigefügt wird.
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Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 hat ein Gehäuse 1a, in
dem sich eine Einlaßbohrunq 2 befindet. Die Meßkammer 3a wird durch einen keqelförrig
sich nach außen erweiternden Teil des Gehäuses la gehildet. In das Gehause 1a ist
von seiten der Meßkammer 3a ein Leitkörner 4a eingeschraubt, der eine sich in DurchfluBbohrunqen
6a verzweigende Mittenbohrung 5a hat. Der Leitkörper 4a steht in die Meßkammer 3a
vor und hat dort eine senkrecht zur Achse der Einlanhohrung angeordnete Wand 8a.
Die Durchflußbohrungen 6a münden auf einem kegelförmigen Teil des Leitkörpers 4a.
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Zwischen dem Gehäuse 1a und einem GehYuseendteil 10a ist eine ringförmig
gewellte Membran 12a eingespannt. Diese trägt einen hohlzylinderartigen Meßkörper
14a, dessen LXngsbohrung abgestuft ist. Auf seiten des Leitkörpers 4a hat der Meßkörper
14a einen ditsenförmigen Vorsprung 14d, dessen dem Leitkörper 4a benachbarter Rand
mit der Wand 8 des Leitkörpers 4a zusammenarbeitet. Der Meßkörper 14a ist so ausgebildet,
daß sich vom Leitkörper 4a aus gesehen eine kegelförmige Erweiteruns zu einem mittleren
Hohlraum erstreckt, der über eine im Durchmesser verringerte Bohrung auf der vom
Leitkörper 4a aboewandten Seite mit dem Innenraum des Gehäuseendteiles 10 verbunden
ist. Wegen der Aufhängung des Meßkörpers 14a mittels der Membran 12a und wegen des
radialen Spiels zwischen dem Meßkörper 14a und dem Gehäuse endteil 10a kann sich
der Meßkörper 14a in Achsrichtung des Gehäuseendteiles 10a reibungsfrei bewegen.
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Der Gehäuseendteil 10a ist doppelt abgestuft. Auf einer Abtufung befinden
sich Spulen 18, die mit dem Meßkörper 14a zusammenwirken, dessen im Bereich der
Spulen angeordneter Teil 19a als Spulenkern ausgebildet ist. Der übrige Teil des
Meßkörpers 14a kann aus einem anderen, nicht masnetischen Werkstoff bestehen. Mindestens
der Gehäuseendteil 10a besteht ebenfalls aus einer nicht magnetischen Werkstoff,
um das MeBergebnis des Meßumformers 18, 19a nicht nachteilig zu beeinflussen. In
dem von dem Gehause 1a abgewandten, nochmals abgestuften Ende des Cehauseendteils
10a befindet sich eine Auslaßbohrung 9a.
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Das dritte Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 hat ein hohlzylindrisch
ausgebildetes Gehause lb, zwischen dem und einem Gehäuseendteil 10b ein ortsfester
Leitkörper 4b angeordnet ist. Die Teile ib und 4b sind hohlzylindrisch ausgebildet.
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Der Leitkörper 4b hat einen im Querschnitt keilförmigen, nach innen
vorstehenden Bund 8b.
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Mit den Bund 8b wirkt ein in wesentlichen kegelstumpfförmiger Meßkörper
14b zusammen, dessen Umfangswand jedoch durch eine Rotationskurve gebildet ist,
der z. B. eine Parabel zugrundeliegt. In der ir der Zeichnung dargestellten Lage
schließt der konkave Fleßktrper 1 4b die von dem Bund 8b begrenzte öffnung, indem
er an dem Innenumfang des Bundes 8b anliegt.
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Der Meßkörper 14b ist auf einer Tragstange 16b angeordnet, die mittels
zwei senkrecht dazu und in gegenseitiaem Abstand angeordneten, einseitig eingesannten
Blattfedern 20, 21 in ihrer Achsrichtung reibungsfrei beweabar ist. Die Blattfedern
20 und 21 sind zwischen dem Gehäuseendteil 10b und dem Leitkörper 4b bzw. dem Leitkörper
4b und dem Gehause ib eingespannt. Auf der Tragstange 16h angeordnete, festlegbare
Bundpaare
befestigen jeweils an der Tragstange 16h zwischen sich eine der Blattfedern 20 bzw.
21.
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Der Gehäuseendteil 10b hat in seiner Mitte einen Stützteil 22, um
den herum ein Kranz von Durchflußbohrungen 23 anqeordnet ist, die in eine nicht
dargestellte Auslaßbohruna mUnden. Zwischen dem Stützteil 22 und einem Federteller
24 stützt sich eine in den Stützteil eingelassene Schraubenfeder 25 ab. Der Federteller
24 steht mit seiner Kegelspitze am Grund einer Ausnehmunq in dem ihm zugewandten
Teil der Tragstange 16b an. Die Tragstange 16b steht auf ihrem vom Gehäuseendteil
10b abaewandten Ende mit einem nicht dargestellten induktiven Meumformer in Verbindung.
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Beim vierten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 hat der zwischen dem
Gehäuse lc und dem Gehäuseendteil 10c angeordnete Leitkörper 4c ebenfalls einen
nach innen vorstehenden Bund 8c. Dieser Bund ist jedoch im Querschnitt nach Art
eines rechtwinkligen Dreiecks ausgebildet, dessen längere Kathete parallel zur Strömungsrichtung
und dessen kürzere Kathete senkrecht dazu verläuft und dessen Hypotenuse die Meßkammer
3c begrenzt und leicht konkav ausgebildet ist. Der Meßkdrper 14c hat hier die Art
einer Scheibe, deren Rand jedoch kegelstumpfförmig gestaltet ist, wobei die Kegelspitze
in Richtung zum Gehäuseendteil 10c zeigt. Die Meßkammer 3c erweitert sich dagegen
in Richtung des Gehäuseendteils 10c. In Fig. 4 steht der Meßkörper 14c an der leicht
gewölbten Innenwand des Bundes 8c an und schließt die Öffnung ab. Der Meßkörper
14c ist in gleicher Weise wie der Meßkörper 14b beim dritten Ausfilhrungsbeispiel
nach Fig. 3 von einer Tragstange 1fc gestagen, die ebenfalls an einseitig eingespannten
Blattfedern 20 und 21 aufgehngt ist. Die übrige Bauform entspricht der des dritten
Ausführunsheispiels.
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Die jeweilige Wirkungsweise der Ausführunasbeispiele nach den Fig.
2 bis 4 entspricht der Wirkungsweise des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1. Bei
allen Ausführungsbeispielen ist der sich bewegende Meßkörper möglichst reibungsarm
gelagert. Der Meßkörper wird durch das durch die Vorrichtung hindurchströmende Fluid
aus seiner den Durchfluß schliessenden Ruhelage verdrängt, wobei der von seiner
Ruhelage zurckgelegte Weg des Meßkörpers ein Maß fUr die in der Zeiteinheit durch
die Vorrichtung hindurchströmenden Menge an Fluid ist. Die Gestalt der miteinander
zusammenwirkenden Teile des Leitkörpers 4 und des Meßkörpers 14 sind so ausgebildet,
daß der durch das hindurchströmende Fluid bedingte Hub des Meßkörpers 14 weitgehend
linear mit der durch die Vorrichtung in der Zeiteinheit hindurchströmenden Fluidmenge
ist. Dies gilt nicht nur für den Leitkörper 4 und den Meßkörper 14 des ersten Ausführungsbeispieles
sondern auch für die Wand 8a und die der Wand 8a benachbarte Düse 14d des zweiten
Ausführungsbeispieles, den Bund 8b und den Außenumfang des Meßkörpers 14b beim dritten
Ausführungsbeispiel und die Gestalt des Bundes 8c und der mit der Wand dieses Bundes
zusammenwirkenden Kante des Meßkörpers 14c.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist jeweils
der Leitkörper 4 ortsfest und der Meßkörper 14 bewegbar. Es ist auch eine umgekehrte
Anordnung möglich.
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Die in den Fig. 1 bis 4 eingezechneten Pfeile geben jeweils die Durchflußrichtung
an.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kann statt der Wand 8a
ein in den düsenfbrmiaen Vorsprung 14d des Meßkörpers 14a hineinragender kegelartiger
Teil vorgesehen sein, dessen Mantel ähnlich der Mate. des Meßkörpers 14b in Fig.
3 ausgebildet ist. Hierdurch wird über einen größeren Bereich als beim dargestellten
Ausführungsbeispiel eine Linearität
zwischen dem Hub des Meßkörpers
14a und der durch die Vorrichtung in der Zeiteinheit hindunchströmenden Fluidmenge
erreicht.
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Beim ersten Ausführungsbeispiel rach Fig. 1 wird eine sehr gute Linearität
zwischen dem Hub des Meßkörpers 14 und der durch die Vorrichtung in der Zeiteinheit
hindurchströmenden Fluidmenge 22 bei folgenden Merkmalen erreicht:
Hierin bedeuten Q = in der Zeiteinheit durch die Vorrichtung hindurchfließende Flüssigkeitsmenge,
Kl= Durchflußfaktor, x = aus der Schließlage zurückgelegter Weg des Meßkörpers 14,
= halber Kegelwinkel des Kegelstumpfes 8 des Leitkörpers 4, D = Durchmesser der
Durchflußbohrung im Meßkörper 14 c = Federkonstante des Wellrohres 12 bzw. 12a,
A = wirksame Druckfläche des Wellrohres 12 bzw. 12a, fo - Federweg zur Erreichung
einer bestimmten Vorspannung des Wellrohres 12, 0i= Einschnürungsfaktor, 2 = Dichte
der durch die Vorrichtung hindurchströmenden Flüssigkeit.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind: 6X = 250, D = 2,9
mm, c = 2 N/mm, A = 2 mm2,
fo = 1,8 mm.
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Eine solche Vorrichtung ist z. B. ausgelegt für den Durchfluß von
Dieselöl für Kraftfahrzeuge mit einer Maximalmenqe von etwa 2 1/min.
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Eine bestimmte Abweichung von der Proportionalität zwischen der in
der Zeiteinheit durch die Vorrichtung hindurchfließenden Flüssigkeitsmenge Q und
dem aus der Schließlage zurückgelegten Weg oder Hub x des Meßkörpers 14 wird nicht
überschritten, wenn folgende Formel verwendet wird: a = (Qmax/xmax . ux - 1) . 100
(%), worin bedeuten
u = Qmax/xmax = Q/x Zusätzliche Zeichen in diesen Formeln bedeuten: a = Abweichung
in Prozent von der Proportionalität zwischen Q und x Qmax = in der Zeiteinheit durch
die Vorrichtung maximal hindurchfließende Flüssigkeit xmax = aus der Schließlage
maximal zurückgelegter Weg des Meßkörpers (14) u = erwünschte Proportionalität zwischen
der Durchflußmenge Q und dem Hub x des. Meßkörpers (14).
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Eine ein höchstzulässiges Maß nicht überschreitende Abweichung von
der Proportionalität wird ermittelt, indem in erster Linie die Größen cc , D und
fo; in zweiter Linie die Größen C und A und in dritter Linie die Größen Qmax und
xmax geändert werden. Entsprechende Berechnungen können unter Zuhilfenahme eines
Rechners in verhältnismäßig kurzer Zeit durchgeführt werden.
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