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Durchflußmengenmesser für flüssige und gasförmige Medien
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Die Erfindung betrifft einen Durchflußmengenmesser der mit dem Oberbegriff
des Hautpanspruchs bezeichneten Art.
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Dieser Durchflußmengenmesser arbeitet nach dem Schwebekörperprinzip,
nach welchen der senkrecht in einem konischen Rohr im strömenden Medium angeordnete
Schwebekörper in Abhängigkeit von der Durchflußmenge unter der Wirkung von Auftriebskräften
eine bestimmte Position einnimmt. Hierbei wirkt der Auftriebskraft die Schwerkraft,
eine Federkraft oder eine von beiden Kräften gebildete Kraftsumme entgegen.
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Die von der Durchflußmenge abhängige Lage des Schwebekörpers kann
hierbei mittels einer stationären, also gehäusefesten Induktionsspule in bekannter
Weise ermittelt werden.
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Derartige Durchflußmengenmesser sind beispielsweise aus den deutschen
Offenlegungsschriften 17 98 333, 22 57 582 und 24 38 091 bekannt.
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Ein wesentlicher Vorteil der nach dem Schwebekörperprinzip arbeitenden
Durchflußmengenmesser besteht darin, daß diese bei Messung von flüssigen Medien
derart dimensioniert und eingeeicht werden können, daß der in den Flüssigkeiten
in Form von BXsen enthaltende Gasanteil anders als bei mit Rotoren arbeitenden Meßmethoden
nicht oder nur in vernachlässigbarer Weise in den Meßwert eingeht.
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Aus diesem Grund und wegen des relativ einfachen mechanischen Aufbaues
wurde in Erwägung gezogen,nach dem Schwebe.
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körperprinzip arbeitende Durchflußmengenmesser zur Ermittlung des
Treibstoffbedarfs in Kraftfahrzeugen einzusetzen.
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Bei dieser Anwendungsart treten zusätzliche Probleme auf, da das Meßgerät
infolge der Fahrzeugbewegung sehr unterschiedlichen und wechselnden Bewegungen und
Lageänderungen ausgesetzt ist.
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Weitgehend unabhängig von der Lage arbeitet der Durchflußmengenmesser
nach der DE-OS 22 57 582, bei welchem der auf den Schwebe-körper wirkenden Auftriebskraft
anstelle eines Gegengewichtes, wie dieses noch aus der DE-OS 17 98 333 hervorgeht,
eine Federkraft entgegen-wirkt.
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Es ist ferner ein Mengenmesser dieser Art bekannygeworden, bei welcher
sowohl ein Gewicht als auch eineRückstellfeder die Gegenkraft liefern. Eine derartige
Anordnung reaqiert
besonders empfindlich auf Änderungen bei relativ
kleinen Durchflußmengen, wie diese beim Treibstoffverbrauch von Kraftfahrzeugmotoren
zur Anzeige gebracht werden sollen.
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Ein weiteres bisher noch ungelöstes Problem tritt bei dieser Anwendungsart
dadurch auf, daß dem Flüssigkeitsstrom des zu messenden Mediums z.B. infolge der
Bewegung des gesamten Systems, durch die Treibstoffpumpe oder auch durch auf Temperaturerhöhungen
zurückzuführende Gasblasenbildungen Stoßwellen überlagert sind, die eineAuslenkung
des Schwebekörpers bewirken und damit die Anzeige verfälschen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten
externen Einflüsse so zu kompensiert ren, daß die hieraus resultierenden Meßfehler
vermieden oder zumindest soweit wie möglich reduziert werden.
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Mit der im Kennzeichen des Anspruchs angegebenen erfindungsgemäßen
Lösung werden alle diejenigen Einflüsse kompensiert, welche zu Stößen oder Pulsationen
des messenden Mediums führen. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Dämpfungskolben
ist hierbei so dimensioniert und angeordnet,daß er unter der Wirkung des dem Medium
erteilten Stoßes oder der Pulsation in gleichem Maße jedoch in entgegengesetzter
Richtung wie der Schwebekörper ausgelenkt wird. Hierdurch wird die von der Feder
erzeugte Rückstellkraft impulsartig erhöht, so daß der Schwebekörper nicht dem ihm
mitgeteilten Stoß folgen kann.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist die vorzugsweise als
Schraubenfeder ausgebildeten Rückstellfeder derart dimensioniert, daß sie den Dämpfungskolben
in der Ausgangslage
des Schwebekörpers gerade gegen den gehausefesten
Anschlag drückt, ihn also trägt. Bei Auslenkung des Schwebekörpers infolge einer
Erhöhung der DurchfluRmeng-e wirkt der Bewegungsänderung nur die Trägheitsmasse
mit Federkraft des gesamten Schwebekörpersystems besteht aus Schwebekörper, Verbindungsstange
und Gegengewicht mit Federkraft, entgeg. ErfE=t dacegen das System einen Stoß, so
wird die der Bewegung des Schwebekörpers entgegen-wirkende Trägheitsmasse durch
die vom Dämpfungskolben gebildete Masse vergrößert. Diese Maßnahme führt aus folgendem
Grund zu einer Stabilisierung des Schwebekörpers. Wird dem Durchflußmengenmesser
z.B. bedingt durch die Fahrzeugbewegung in Durchflußrichtung ein Stoß erteilt, so
vermindert sich der Durchtrittsquerschnitt zwischen Schwebekörper und dem Konus
des Durchflußmengenmesser-Gehäuses.
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Infolge dieser Einschnürung tritt im Bereich des Schwebekörpers eine
stärkere Verwirbelung des Mediums auf, welche.
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zu einer Zunahme der auf den Schwebekörper wirkenden Auftriebskräfte
führt. Diese zusätzlichen Auftriebskräfte würden fälschlicherweise zu einer einen
größeren Durchfluß vortäuschenden Messung führen. Diese zusätzlichen Auftriebskräfte
werden gleichfalls mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dämpfungskolben kompensiert.
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Wie schon eingangs erwähnt, führt die Verwendung der Rückstellfeder
zur weitgehend lageunabhängigen Funktionsweise des Durchflußmengenmessers. Die Feder
erzeugt auch noch in horizontaler Lage eine der Auftriebskraft entgegenwirkende
Rückstellkraft. Mit dieser Feder kann ferner das im strömenden Medium gelegene Schwebekörpersystem
zentriert werden, wenn nämlich, wie ferner vorgeschlagen wird, der Gewichtskörper
und der Dämpfungskolben, zwischen welchen die Feder eingespannt ist, diese in ihrer
Lage fixierende und zentrierende Aufnahme besitzen. In einfacher Weise wird dieser
Vorschlag dadurch realisiert, daß der Dämpfungskolben und der
Gewichtskörper
wengistens auf ihren der Feder zugewandten Seite topfartig ausgebildet sind Ebenfalls
der Lagezentrierung des Systems dient ein wei terer Vorschlag gemäß der Erfindung,
nach welchem er Gehäusebund -eine- denDämpfungskolben inR'uhelage zentrierende Aufnahme
sitzt, wobei die Durchbrüche der Aufnahme und des Dämpfungskolbens, durch welche
die Verbindungsstange zwischen Schwebekörper und Gewichtskörper hïndurchgeführt
sind, größer als der Stangendurchmesder sein müssen, so daß Berührungen zwischen
der Verbindungsstange und dem Bund bzw dem Dämpfungskolben und damit Reibungsverlustevermieden
werden Der Schwebekörper selbst wird bei rotati-onssymmetrischer Ausbildung durch
das ihn umströmende Medium zentriert Der wirksame Teil des Schwebekörpers wurde
bislang entweder in Form eines kreisförmigen Tellers (DE-05 2-4 38 0911L oder in
Form eines Kegelstumpfes mit in Strömungsrichtung zunehmendem Querschnitt (DE-OS
17 98 333) ausgebildet.
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Untersuchungen haben gezeigt, daß bei beiden Äusbildungsformen Eigenschwingungen
auftreten können. Diese werden nach einem weiteren Merkmal vorliegender Erfindung
übe-rraschenderweise vermieden, wenn der Schwebekörper in Form eines Kegels ausgebildet
ist, dessen den Prallteller bildenden Grundfläche in Strömungsrichtung vorn gelegen
ist und der sich in Strömungsrichtung verjüngt. Bei dieser Maßnahme lösen sich die
an der Kante des Schwebekörpers entstehenden Randwirbel schneller vom Schwebekörper
ab. Eine
weitere stabilisierende Wirkung wird erreicht, wenn der
kegelförmige Schwebekörper auf der Strömung zugewandten Seite einen zylinderscheibenförmigen
Prallteller aufweist.
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Diese Zylinderscheibe, deren Stärke bei einem Durchmesser von 10 bis
20 mm In der Größenordnung von einigen10 mm liegen sollte,bewirkt einerseits eine
Viskositätsunabhängigkeit im Anfangsmeßbereich und andererseits eine Anzeigestabilität
im Endmeßbereich.
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Eine weitere Stabilisierung kann schließlich dadurch erzielt werden,
daß der oben erläuterte kegelförmige Schwebekörper auf seiner in Strömungs-Richtung
vorn gelegene Seite einen auf der Verbindungsstange vorgesehenc Zylinder aufweist,
dessen Länge wesentlich größer als sein Durchmesser ist.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchflußmengenmessers
ist nachstehend anhand der schematischen Zeichnung erläutert. Die Zeichnung entspricht
ungefähr den natürlichen Abmessungen.
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Der in der Zeichnung dargestellte Durchflußmengenmesser besteht aus
einem Gehäusell,inwelchem das zu messende Medium bei einem Gerät des dargestellten
Aufbaus und der angegebenen Abmessungen ein flüssiger Treibstoff, vorzugsweise Benzin,
über den Einlaß 12, die Kammer 13 in den der Messung dienenden Konus 14 und zum
Auslaß 15 geführt wird. Gegenüber der Meßstrecke verschiebbar ist der Schwebekörper
vorgesehen, welcher aus einem länglichen zylindrischen Ansatz 8, einem flachen zylinderscheibenförmigen
Prallteller 9 und einem sich in Strömungsrichtung verjüngenden Kegel 10 besteht.
Dieser Schwebekörper 8,9,10 ist über eine
Stange 7 mit dem Gewiehtskör,per
2 verbundene der in dem unteren zylindrischen Teil 16 des Gehäuses gelegen ist und
gleichfalls vom Medium umströmt wird. Das untere Ende des Gehäuses ist mittels einer
abdichtenden Schraube 1 verschlossen.
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Der Gewichtskörper 2 liefert die Gegenkraft gegen die am Gewichtskörper
8,9 r 10 angreifende Auftriebskraft.
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Diese Gegenkraft wird noch durch die Rückstellkraft der Schraubenfeder
4 unterstützt, welche zwischen dem Gegengewicht 2 und dem dem-Dämpfungskolben 5
eingespannt ist, welcher seinerseits an -einem ringförmigen, gehäusefesten Bund
6 anliegt. Der Ringbund 6 besitzt auf seiner dem Dämpfungskolben 5 zugewandten Seite
eine Aufnahme 6a, mit welcher der Dämpfungskolben 5 in Ruhelage zentriert wird.
Die Schraubenfeder 4 ihrerseits wird einerseits mittels der topfförmigen Aufnahme
5a des Dämpfungskolbens 5 und andererseits der Eindrehung 2a des Gewichtskörpers
2 zentriert. Da der Schwebekörper 8,9,10 selbst von der Strömung zentriert wird,
behält das gesamte Gebilde mit den Bauelementen 2 und 7 bis 10 auch bei Neigungen
des Gehäuses 11 seine Mittellage mit nur geringfügigen Abweichungen bei. Um Arretierungen
oder Blockierungen zu verhindern, sind die Durchbrüche 5b im Dämpfungskolben 5 und
6b im Bund 6 deutlich größer bemessen als der Querschnitt der Verbindungsstange
7.
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Der Gewichtskörper 2 besteht aus ferromagnetischem Material und bildet
innerhalb der gehäusefesten Induktionsspule 3 einen verschiebbaren Kern. Die Induktivitätsänderung
infolge der Verschiebung des Gewichtskörpers 2 stellt ein Maß für die am Schwebekörper
8,9,10 angreifenden Auftriebskräfte und damit für die Durchflußmenge dar. Die Messung
der Induktivitätsänderung erfolgt mit an sich bekannten Schaltungen,
beispielsweise
mittels einer wechelstromgespeisten-Meßbrücke,iz deren einem Zweig die Induktionsspule
3 angeordnet ist Das wesentliche Element nach vorliegender Erfindung ist der Dämpfungskolben
5, dessen Wirkungsweise in der Beschreibungseinleitung ausführlich erläutert und
hier darum nur kurz erwähnt ist.
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Bei in der Kammer 13 z.B. Bs durch Pulsationen auftretenden Druckstößen
erfährt der Schwebekörper 8,9,10 in 5trömungsrichtung eine zusätzliche Kraft, so
daß die hierdurch verursachte Vers- chiebunq des Schwebekörpers einen höheren Durchfluß
vortäuschte. Das jedoch auch auf den Dämpfungskolben, dessen Querschnitt etwa dem
Querschnitt des Schwebekörpers entspricht eine Kraft in entgegengesetzter Richtung
wirkt, wird auch dieserausgelenkt, wodurch die RückstelT-kraft der nunmehr stärker
vorgespannten Feder 4 erhöht wird Diese Erhöhung der Ruckstellkraft kompensiert
diese Stoß bedingte Erhöhung der am Schwebekörper angreifende Auftriebskraft Ferner
kompensiert der Dämpfungskolben zusammen mit dem gemäß vorliegender Erfindung kegelförmig
ausgebildeten schwebekörperabschnitt 10 am Schwebekörper angreifende Wirbelkräfte,
welche durch auf das Gehäuse 11 übertragende Stö-ße auftreten Diese Maßnahmen tragen
also dazu bei, daß ein an sich erschütterungsempfindliches Meßsystem zur Messung
des Kraftstoffverbrauches eines bewegten Kraftfahrzeuges geeignet wird.
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FIGURENLEGENDE 1 Verschluß schraube 2 Gewichtskörper 2a Federaufnahme
3 Induktionsspule 4 Rückstellfeder 5 Dämpfungskolben 5a Topfförmige Aufnahme im
Dämpfungskolben 5b Als Bohrung ausgebildeter Durchbruch 6 Ringförmiger Anschlagbund
im Gehäuse 6a Aufnahme für Dämpfungskolben 5 6b Als Bohrung ausgebildeter Durchbruch
7 Verbindungsstange 8 Zylindrischer Ansatz des Schwebekörpers 9 Zylinderscheibenförmiger
Prallteller des Schwebekörpers 10 Kegel des Schwebekörpers 11 Gehäuse 12 Flüssigkeitseinlaß
13 Kammer 14 Konus 15 Zylindricher Auslaß 16 Flüssigkeitsgefüllte untere Kammer
des Gehäuses 11