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Durchflußmengenmesser für Flüssigkeiten und Gase
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le Erfindung betrifft einen Durchflußmengenmesser für Flüs-<gkeiten
und Gase. Die bekannten Durchflußmengenmesser mit @lügelrädern oder anderen bewegten
Teilen haben den Nachteil, aß sie infolge der Lagerreibung nicht für kleine Durchfluß-.engen
geeignet sind. Außerdem weisen die bekannten Durch-@lußmengenmesser nur bei hohem
Aufwand die gewünschte Genauig--eit auf und sind außerdem kompliziert im Aufbau
und deshalb @euer in der Herstellung.
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er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchfluß-@engenmesser
zu schaffen, der einfach und billig in der 'erstellung ist und sich auch zur Messung
geringer Durch-@lußmengen selbst bei rauhem Betrieb eignet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgem@@ @elöst durch ein @it einem Zulaufrohr
und einem Ablaufrohr versehenes, in vertikaler Richtung von unten nach oben durchströmtes
Gehäuse, in dessen kreisförmige Zulauföffnung ein sich nach unten verj@ngender konischer
Verdrängerkörper hineinragt, der oberseitig mit einer metallischen zylindrischen
Hülse verbunden ist, die mit geringem Abstand und leicht in der Höhe verschiebbar
eing kreiszylindrische Spule umgibt, die im Gehäuse oberhalb der Zuflußöffnung und
koaxial zu dieser fest angeordnet ist, und deren elektrische Anschlüsse zur laufenden
Messung des sich mit der Höhenlage der Hülse ändernden Scheinwiderstandes de Spule
aus dem Ge@äuse herausgeführt sind.
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Das dem Gehäuse durch die Zulauföffnung zuströmende Kedium fließt
durch den Ringspalt, der von dieser Zulauföffnung und dem in diese eintauchenden
Verdr@ngerkörper gebildet wird. Durch den Strömungswiderstand an diesem Ringspalt
entsteht ein Druckabfall, der eine aufwärts gerichtete Kraft auf den Verdrängerkörper
ausübt und fttin, bei richtiger Dimensionierung, anlebt. Durch das Anheben des Verdrängerkörper
wird der Ringspalt vergrößert und damit der Str@mungswiderstand an diesem verringert.
Dadurch wird die auf den Verdrängerkörper ausgeübte Kraft ebenfalls verrigert. Bei
richtiger Dimensionierung stellt sich ein Gleichgewichtszustana ein, in dem der
Ringspalt gerade so groß ist, daß die durch den Druckabfall entstehende aufwärts
gerichtete Kraft dem Gewicht des Verdrängerkörpers, selbstverständlich
abzüglich
seines Auftriebs im Medium, gerade entgegengesetzt gleicn ist. In dieser Höhenlage
bleibt der Verdrängerkörper dann stehen, solange die Durchflußgeschwindigkeit des
Medlums unverändert ist. Die Kraft, die den Verdrängerkörper anhebt, ergibt sich
aus dem jeweiligen Querscinitt des Verdrängerkörpers und seinem Gewicht unter Berücksichtigung
seines Auftriebes im Medium und der Einflüsse der Strömung.
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Durch richtige Dimensionierung der Teile, also des Innendurchmessers
der Zulauföffnung, der Konizität und der Länge des Verdrängerkörpers und seines
Gewichts, kann man leicht den Meßbereich der Anordnung festlegen.
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In das Gewicht und damit die sich im Gleichge''ichtszustand einstellende
Höhenlage des Verdrängerkörpers geht bei der el*-findungsgemäßen Anordnung auch
das Gewicht der mit dem Verdrängerkörper oberseitig verbundenen metallischen zylindrischen
Hülse ein, die in der nachstehend beschriebenen Weise ein Teil des Meßwertgebers
ist. Für geringe Durchflußgeschwindigkeiten wird man eine möglichst leichte Hülse
und auch einen hohl ausgebildeten, leichten Verdrängerkörper mit geringerer Konizität
verwenden. Im übrigen wird man den Durcnmesser der Zulauföffnung, in die der konische
Verdrängerkörper eintaucht, so groß wählen, daß die zum Anheben des Verdrangerkörpers
mit Hülse erforderlichen Kräfte im Bereich der zu messenden Durchflußmenge ausreichend
groß sind. Insbesondere dann, wenn verlangt wird, daß am Durcnflußmengenmesser innerhalb
des in Frage stehenden Meßbereiches ein bestimmter, vorgegebener
Druckabfall
nicht überschritten wird, wird man den Durchmesser der Zulauföffnung entsprechend
groß wählen. Je größer diese Öffnung gehalten wird, desto größer sind auch der kleinste
und der größte Durchmesser des Verdrängerkörpers.
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Umso größer ist dann auch im jeweiligen Gleichgewichtszustand die
von der sich einstellenden Druckdifferenz beaufschlagte Querschnittsfläche, und
desto kleiner ist der im Gerät entstehende Druckabfall.
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Der Scheinwiderstand der Spule, die von der mit dem Verdrängerkörper
verbundenen metallischen Hülse mehr oder weniger umgeben ist, hängt bei der verwendeten
Meßfrequenz von der Bedämpfung der Spule durch die umgebende metallische Hülse ab.
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Je höher der Verdrängerkörper durch das einströmende Medium angehoben
wird, desto höher wird von ihm die metallische Hülse angehoben, und desto mehr wird
die Spule bedämpft. Der Scheinwiderstand der Spule wird also mit steigender Durchflugeschwindigkeit
immer kleiner und kann folglich als Maii für die Durchfluiimenge verwendet werden.Der
Scheinwiderstand der Spule kann auf beliebige Weise gemessen werden. Dabei wird
man zweckmäßig eine solche Meßfrequenz verwenden, bei der sich die Messung des Scheinwiderstandes
der Spule am einfachsten durchführen läßt.
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Während grundsätzlich die Bedämpfung der Spule durch die erfindungsgemäß
vorgeschlagene zylindrische Hülse, die die Spule außen mehr oder weniger weit umgibt,
ausreicht, läßt sich eine erhebliche Verbesserung noch dadurch erzielen, daß
der
Spulenkörper hohl ausgebildet ist, und daß sich koaxial innerhalb der Hülse ein
metallischer Kern befindet, der beim Anheben der Hülse leicht verschiebbar in den
Spulenkörper eintaucht. Um das Gewicht dieses Kerns gering zu halten, ist er vorzugsweise
rohrförmig ausgebildet. Es hat sich herausgestellt, daij man in der Praxis eine
für die Messung ausreichende Bedämpfung der Spule schon bei sehr gerlngen Wandstärken
der Hülse und des Kerns erzielen kann.
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Während durch die erfindungsgemäße Anordnung, bei der der Verdrängerkörper
einen Metallkörper in die Nähe der Spule bringt, diese bedämpft wird und sich dadurch
ihr Scheinwiderstand entsprechend der Höhenlage des Verdrängerkörpers ändert, wird
alternativ vorgeschlagen, daß anstelle der metallischen Hülse mit dem Verdrängerkörper
ein im wesentlichen zylindrischer ferromagnetischer Kern verbunden ist, der beim
Anheben des Verdrängerkörpers leicht verschiebbar in die hohl ausgebildete Spule
eintaucht. Durch diesen Kern wird, je nach Eintauchtiefe, die Induktivität der Spule
und damit ebenfalls ihr Scheinwiderstand verändert, wenn auch hier im entgegengesetzten
Sinne: mit zunehmender Durchflußgeschwindigkeit und damit entsprechend höherer Gleichgewichtslage
des Verdrängerkörpers steigt hier die induktivität und damit der Scheinwiderstand
ter Spule. Je nach der verwendeten Meßfrequenz wird also der ferromagnetische Kern
entweder ein Vollkörper aus einem ferromagnetischen Werkstoff oder ein Hohlkörper
oder auch, Dei höheren Frequenzen, ein Körper aus einem entsprechenden ierkstoff
höherer magnetischer Permeabilität verwendet.
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Bei beiden Lösungsarten der Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung eine leicht meßbare Große, nämlich der Scheinwiderstand einer Spule,
entsprechend der jeweiligen zeitlichen Durchflußmenge verändert.
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Die Erfindung wird nachstehend in Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch einen DurchfluB-mengenmesser
mit metallischer Bedämpfung der Spule; Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt einer
etwas abgewandelten Ausführung; Fig. 3 eine einfache Schaltung zur Messung des Scheinwiderstandes
der Spule und Fig. 4 einen vergrößerten Teilschnitt einer abermals abgewandelten
Ausführungsform.
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Der in Fig. 1 dargestellte Durchflußmengenmesser umfaßt ein zylindrisches
Gehäuse mit vertikaler Mittelachse und einen zylindrischen Mantel 1 sowie eine untere,
mit dem Mantel verlötete Stirnplatte 2 sowie eine obere, auf den Mantel mit Schrauben
4 aufgeschraubte Stirnplatte 3 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff.
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Die untere @tirnplatte 2 tr@gt mittig einen Rohrstutzen @, der sich
nach unten erstrec@t und an sei@e@ freien E@de ein Zulaufrohr 7 aufnimmt, in das
das Medium bei 16 einströmt.
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Der Rohrstutzen 5 besitzt ene kreiszylindrische und zur Gehäuseachse
konzentrische Bohrung 6 und setzt sicd oberhalb der Stirnplatte 2 durch einen kurze@
@@hrstutzen 5' fort, der in das Innere d@s Gehäuses füh@t. Die Bo@rung 6 ist am
Ende dieses Rohrstut@@@s 5' durch einen @ingf@rmigen Vorsprung 19 verengt. In diese
verengt@ Bohrung tauc@t ei@ hohler, konischer Verdrängerkörper 15 ein, der oberseitig
mit einem metallischen D@mpferkörper verbunden ist. Dieser Dä@pferkörper besteht
aus einer unteren Scheibe 20, einer einstückig mit dieser verbundenen kreiszylindrischen
@ülse 14 und einem innerhalb dieser Hülse befindlichen rohrförmigen Kern 17. Das
obere Ende des Verdrängerk@rpers 15 ist in die Scheibe 20 eingesetzt und mit dieser
verlötet.
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Die Abmessungen sind so getroffen, daß beim Aufliegen der Scheibe
20 auf der oberen Stirnfläche des Stutzens 5' noch ein geringer Ringspalt zwischen
dem Vorsprung 1 19 und dem Verdrängerkörper 15 verbleibt und der Verdrängerkörper
nicht in der Bohrung festklemmen kann.
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Die Stirnplatte 3 am oberen Ende des Gehäuses tragt in der Mitte einen
Ablaufstutz@n U, aus dem das Medium in @ick@ung des Pfeiles 18 ausströmt. @nnerhalb
des Gehäuses tr@gt die Platte 3, koaxial zum Ablaufrohr 8, einen rohrförmigen
Spulenkörper
9, der einstückig mit der Platte 3 ist und der ach wie diese ?US einer; elektrisch
isolierenden Werkstoff besteht. Auf diesen Spul@@körper 9 ist eine mehrlagige Spule
10 aus dünnem Drant aufgewickelt. Die EndeAl er Spule sind an Anschlußstifte 11
ujid 12 angeschlossen, die durch die Platte 3 hindurchgeführt sind. Am oberen Ende
des Spulenkörpers 9, dicht unterhalb der Platte 3, befinden sich über den Umfang
verteilte radiale Öffnungen 13, durch die das Nediun nach den Durchströmen des Gehäuses
einwärts fließt, um von dort in das Ablaufrohr 8 zu gelangen.
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Die e Spule 10 ist, in geringem Abstand, von der Hülse 14 des Dämpferkörpers
umgeben. Entsprechend taucht der rohrförmige Kern 17 dieses Dämpferkörpers in den
hohlen Spule körper 9 ein. Je nach Höhe des Verdrüngerkörpers 15 wird die Spule
10 mehr oder weniger voii dcr Hülse 14 bedeckt und taucnt der Kern 17 mehr oder
weniger in die Spule ein.
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Dadurch wird die Dämpfung der Spule entsprechend der Höhe des Verdrängerkörpers
15 geändert.
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Zweckmäßig ist, um eine günstige Kurvenform der Anzeige zu erhalten,
die Anordnung der Teile so getroffen, da in der unteren Grenzlage des Verdrängerkörpers
15 die Spule 10 etwa in ihrem untereii Viertel bedeckt ist, während sie in der oberen
Grenzlage von dem Dämpferkörper etwa zu drei Vierteln bedeckt ist.
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Zwecks Durchspülung kann der Verdr.ingerkörper 15 mittels h@her Durchflußmenge
aus der Bohrung 19 herausgedrängt werden. Die Führung der Hülse 14 und des Kernes
17 am Spulenkörper 9 bewirkt, daß der Verdrängerkörper 15 anschließend wieder in
die Bohrung 19 zurückfällt.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß der Außenmantel des Verdrängerkörpers
15 anstelle der beschriebenen und dargestellten konischen Form auch eine davon abweichende
Form erhalten kann, wobei sich aber der Außendurchmesser des Verdrångerkörpers von
oben nach unten stetig verringern muß. Man kann durch eine solche, von der streng
linearen Abnahme des Außendurchmessers mit der Höhe abweichende Kurvenform ebenfalis
die Anzeige beeinflussen und insbesondere eine gewisse Linearisierung erzielen.
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3ei der in Fig. 2 dargestellten abgewandelten Asuführungsform lt der
Verdrängerkörper 15a, der auch hier zur Gewichtser-@parnis hohl ausgebildet ist,
in eine Erweiterung der Bohrung -ler Stirnplatte 20 eingesetzt und eingelötet, die
die äußere Hülse 14a und den hohlen Kern 17a zusammenhält.
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uch hier ist der in das Innere des Gehäuses hineinragende rohrstutzen
5a' mit einer Bohrung 6 versehen, die sich am @beren Ende verjüngt, weil von dem
Rohrstutzen 5a' ein ringförmiger Vorsprung 19a einwärts ragt.
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In Fig. 3 ist eine einfache Meßschaltung dargestellt, die im Zusammenhang
mit dem vorstehend beschriebenen Durchflußmengenmesser verwendet werden kann. Dabei
ist die durch den Dämpferkörper 14, 17 mehr oder weniger stark gedämpfte Spule 10
in diese Figur innerhalb des strichpunktiert eingerahmten Feldes 10' mit ihrem elektrischen
3rsatzschaltbild wiedergegeben. Dabei stellt 24 die reine Induktivität der Spule
10, 26 deren Eigenkapazität und 25 ihren ohm' schen Widerstand dar. Durch den parallel
zur Induktivität 24 eingezeichneten veränderbaren Widerstand 27 ist die Bedämpfung
der Spule 10 durch den Dämpferkörper 14, 17 berücksichtig@.
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Die Spule 10 ist, in Reihe mit der Primärwicklung eines Stromwandlers
22, an eine Wechselspannungsquelle 21 angelegt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wurde eine Meßfrequenz von 50
kIIz verwendet. An die Sekundärwicklung des Stromwandlers 22 ist ein Spannungsmesser
23 angeschlossen, dessen Ausschlag also ein Maß für den durch die Spule 10 fließen@@@
Strom ist. Die Spule hatte einen mittleren Durctmesser von 10 mm, eine Länge von
30 mm und 600 Windungen eines r.arki erten Kupferdrahtes von 0,22 mm . Der Verdrängerkörper
hatte einen mittleren Durchmesser von 6 mm und eine Länge von 20 mm. Der nutzbare
Hub lag bei 20 mm und ergab einen fast linearen Verlauf der gemessenen Spannung.
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Der vorgenannte Durchflußmengenmesser wurde in einem Kraftfahrzeug
zur Messung des Benzinverbrauchs verwendet und
hatte für den angegebenen
Hub beispielsweise einen Meßbereich von 0,5 bis 12 l/h.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten abgewandelten Ausführungsform wird
von dem Verdrängerkörper 15b über ein Zwischenstück 29 ein Ferritkörper 28 getragen,
der je nach Höhenlage des Verdrängerkörpers mehr oder weniger weit in die Spule
1Ob eintaucht und dadurch deren Induktivität verändert. Es ergibt sich dann eine
sehr starke Änderung der Induktivität und damit eine starke Änderung des Scheinwiderstandes
der Spule.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen handelt es
sich zunächst um spezielle Versuchs ausführungen. Bei einer Massenfertigung wird
man die Form des Gehäuses und der einzelnen Teile des Durchflußmengenmessers aus
fer-tigungstechnischen Gründen sicherlich umgestalten. Dabei wird man auch jeweils
entsprechend dem Anwendungsbereich die Abmessungen des Verdrängerkörpers und gegebenenfalls
auch der Spule entsprechend wählen. Die Rohrstutzen für den Zulauf und den Ablauf
können aus raumlichen Gründen auch seitlich angeordnet sein. Es genügt auch, nur
ein Spulenende isoliert herauszuführen, während das andere an Masse gelegt sein
kann.
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Die Dämpfungskörper 14, 17 liegen im Magnetfeld der Spule 10 und erhalten
dadurch auch eine Bedämpfung gegen mechanische Schwingungen, die durch ein Schütteln
des Meßgerätes oder Schwingungen im durchfließenden Medium entstehen. Diese Dämpfung
kann noch erheblich dadurch verbessert werden, daß man
dem Wechselstrom,
der durch die Spule fließt, einen Gleichstrom überlagert.
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