DE3141943A1

DE3141943A1 - Durchflussmesser

Info

Publication number: DE3141943A1
Application number: DE19813141943
Authority: DE
Inventors: Per Svante 18147 Lidingö Bahrton
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-10-24
Filing date: 1981-10-22
Publication date: 1982-06-09
Also published as: IT8168380A0; FR2492972A1; IT1144989B; JPS57100310A; NL8104829A; CA1166474A; SE436521B; US4409851A; GB2087557A; GB2087557B; FR2492972B1; SE8007504L; DE3141943C2; CH655181A5; JPS6048687B2

Description

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PER SVANTE BAHRTON

Lidingö (Schweden)

Durchflußmesser

In verschiedenen technischen Gebieten wird ein Durchflußmesser benötigt, der bei einfachem Aufbau und geringem technischen Aufwand genau und zuverlässig arbeitet. Ein typisches Anwendungsgebiet eines derartigen Durchflußmessers ist seine Verwendung in Mehrfamilienwohnhäusern oder für eine Gruppe von Einfamilienhäusern. Hier haben die starken Preiserhöhungen für Heizöl und andere Brennstoffe in den letzten Jahren zu einem Bedürfnis nach sparsamem Energieverbrauch und einer gerechten Aufteilung der Brennstoffkosten auf die verschiedenen Wärmeverbraucher geführt. Diese Bedürfnisse können mit den bekannten Durchflußmessern, die eine Anzahl von rotierenden Teilen enthalten, nicht befriedigt werden. Die Anforderung an einen einfachen Aufbau wird dagegen von Durchflußmessern erfüllt, die eine Klappe enthalten, die unter der Einwirkung des sie bestreichenden strömenden Mediums in Schwingungen versetzt wird. Man kann dann die Frequenz dieser Schwingungen messen und davon eine Strömungsmengenangabe ableiten.

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser der zuletzt angegebenen Art. Die bekannten Durchflußmesser dieser Art haben eine Anzahl von schwerwiegenden Nachteilen.

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Der wichtigste dieser Nachteile besteht darin, daß eine Messung mit genügender Genauigkeit nur in einem sehr kleinen Bereich möglich ist, insbesondere bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, z. B. niedrigen Reynoldschen Zahlen, wie sie in Systemen zur Verteilung von Zentralheizungswasser auftreten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Kräfte, welche die Klappe der bekannten Strömungsmengenmesser in Schwingungen versetzen, so schwach sind, daß die Umwandlung der Schwingungsfrequenz in eine Durchflußangabe nur mit sehr empfindlichen Einrichtungen erfolgen kann. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Einrichtung ist in der US-PS 2 453 3 76 angegeben, wonach sich ein mit der schwingenden Welle verbundener Arm zwischen einer Lichtquelle und einer Photozelle erstreckt. Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem Durchflußmesser, dessen schwingendes Element durch so starke Kräfte betätigt wird, daß Signale auf andere Weise übertragen werden können, beispielsweise auf induktivem Wege.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Durchflußmessers, der alle vorstehend genannten vorteilhaften Eigenschaften vereint. Das heißt, der Durchflußmesser soll im Aufbau einfach und billig herstellbar sein und einen weiten Meßbereich und in seinem gesamten Meßbereich eine hohe Meßgenauigkeit haben. Die zuletzt angegebene Forderung besagt, daß der Durchflußmesser beispielsweise in einem Durchflußbereich arbeiten soll, dessen .obere Grenze etwa das Zweihundertfache der Uatergrenze beträgt, und bei Reynoldschen Zahlen zwischen etwa 200 und 10 . Der Durchflußmesser gemäß der Erfindung erfüllt alle diese Anforderungen und zeichnet sich dadurch aus, daß mit der den Strömungskanal begrenzenden Wand zwei einander gegenüberliegende Vorsprünge verbunden sind, die den Strömungsquerschnitt des Strömungskanals örtlich verengen, so daß eine Grenzschichtablösung stattfindet und die Strömung in dem ganzen Meßbereich des Durchflußmessers turbulent

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wird, ferner, daß das schwingende Element einen Teil besitzt, der in oder in der Nähe einer Ebene !angeordnet ist, die zu der Schwingungsachse des schwingenden Elements parallel ist und die Vorsprünge durchsetzt,; sowie einen Teil, der in einer Ebene angeordnet ist, welche die Schwingungsachse des schwingenden Elements enthält und zur Haupt-

strömungsrichtung des Mediums parallel ist,: so daß beim Schwingen des schwingenden Elements zwischen seinen Endstellungen in beiden zwischen dem schwingenden Element und je einem der Vorsprünge hindurchtretemjlen Teilströmen des strömenden Mediums gleichzeitig gleichsinnige Richtungsänderungen auftreten und daher der zuletztgenannte Teil des schwingenden Elements Kraftkomponenten! ausgesetzt wird, die quer zur Hauptströmungsrichtung wirken!und dadurch

ί die Schwingungsbewegungen des schwingenden;Elements ver-

stärken. i

ί Nachstehend werden drei Ausführungsbeispiele der

Erfindung anhand der Zeichnung ausführlich· beschrieben. In dieser zeigt

Figur 1 schaubildlich einen Durehf liißmesser nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 den Durchflußmesser in einem Querschnitt längs der Linie II-II in Figur 1,

Figur 3 in einem Schnitt längs der Linie ΙΙΪ-ΙΙΙ in Figur 2 das schwingende Element in seiner mittleren Stellung, I

Figur 4 in einer der Figur 3 entsprechenden Darstellung das schwingende Element in oder ijn der Nähe einer seiner beiden Endstellungen, .

Figur 5 sehaubildlich ein schwingen'des Element nach einer zweiten Ausführungsform und ;

Figur 6 in einer der Figur 3 entsprechenden Darstellung eine dritte Ausführungsform. !

Das Gehäuse 1 des Durchflußmessers 'ist an beiden Enden mit je einer Überwurfmutter 2 und 3-zum Anschluß

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j an eine Rohrleitung versehen, die das Medium führt, dessen ■/_ Durchfluß gemessen werden soll. Das Gehäuse 1 trägt einen ■] Impulsgeber 4, der durch einen Draht 5 mit einer nicht ge- * zeigten Schaltung zum Umsetzen von elektrischen Impulsen / in eine Durchflußangabe verbunden ist. Diese Schaltung kann von jeder bekannten oder geeigneten Art sein und ist hier nicht beschrieben, weil sie keinen Teil der Erfin- _r dung darstellt. In dem Impulsgeber 4 werden die elektrisehen Signalimpulse zweckmäßig induktiv erzeugt. Bei-" ■_f spielsweise kann der Impulsgeber eine Wicklung enthalten,

j die im Innern des Durchflußmessers ein magnetisches Feld

£ erzeugt. Wenn sich dann das nachstehend genauer beschriebt bene, schwingende Element des Durchflußmessers in dem mag-

iß netischen Feld bewegt, wird die Feldstärke des magnetischen

Feldes zyklisch verändert. Diese Veränderungen werden von dem Impulsgeber erfaßt. Die Frequenz dieser Veränderungen ist der Schwingungsfrequenz des schwingenden Elements direkt proportional.

Gemäß den Figuren 2 bis 4 sind an zwei einander gegenüberliegenden Teilen der den Strömungskanal des Durchflußmessers begrenzenden Wand zwei Vorsprünge 6 und 7 angebracht, die den Strömungsquerschnitt des Strömungskanals örtlich verengen. Das schwingende Element 8 des Durchflußmessers befindet sich in der Nahe dieser Vorsprünge und ist mit einer schwingenden Welle 9 verbunden. Gemäß der Erfindung hat das schwingende Element 8 in einer zu der. schwingenden Welle 9 rechtwinkligen Ebene einen im wesentlichen T-förmigen Querschnitt. Es besitzt einen Teil 8a, der in oder in der Nähe einer Ebene angeordnet ist, die zu der Schwingungsachse parallel und zur Strömungsrichtung des Mediums rechtwinklig ist, und stromabwärts von diesem Teil 8a einen Teil 8b, der in einer zur Strömungsrichtung des Mediums parallelen Ebene angeordnet ist, welche die Strömungsachse enthält.

In der in den Figuren 3 und 4 dargestellten, ersten Ausführungsform der Erfindung liegen der Teil 8a und die

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Schwingungsachse in einer durch die Vorsprünge 6 und 7 gehenden Ebene. Diese Anordnung des schwingenden Elements hat sich als vorteilhaft erwiesen, doch ist die Erfindung darauf nicht eingeschränkt, wie nachstehend noch weiter erläutert wird. In den Figuren 3 und 4 ist ferner gezeigt, daß die stromaufwärtsgekehrten Flächen der Vorsprünge 6 und 7 in einer Ebene liegen, die zu der Strömungsrichtung in dem Durchflußmesser im wesentlichen rechtwinklig ist. (Diese Strömungsrichtung ist in den Figuren 3 und 4 durch einen Pfeil angedeutet.) In den Figuren 3 und 4 erkennt man außerdem, daß jeder der Vorsprünge die Profilform einer Messerschneide besitzt, deren Schneidenkante sich an der stromaufwartsgekehrten Fläche befindet.

Der vorstehend beschriebene Strömungsmengenmesser arbeitet wie folgt: Da die beiden Vorsprünge 6 und 7 den Strömungsquerschnitt des Strömungskanals verengen, erfolgt in der Nähe der beiden Vorsprünge eine Grenzschichtablösung, so daß die durch den Durchflußmesser gehende Strömung turbulent wird, und zwar in einem Bereich, der ein wenig stromaufwärts von den Vorsprüngen beginnt und sich über eine beträchtliche Strecke stromabwärts von ihnen erstreckt. Dies führt zu den beiden nachstehend angegebenen, vorteilhaften Wirkungen.

Die in den beiden das schwingende Element 8 bestreichenden Teilströmen des strömenden Mediums erzeugte Turbulenz bewirkt, daß das Stromlinienbild bis zu sehr niedrigen Reynoldschen Zahlen, etwa 200, konstant bleibt. Im Prinzip ist die Gesamtbetatigungskraft gleich der Summe der beiden in der Figur 4 mit F, und F» bezeikchneten Kräfte. Dabei ist die Kraft F« die Querkomponente der Kraft, die infolge des in der dargestellten Stellung des schwingenden Elements auftretenden Ejektoreffekts einen relativen Unterdruck erzeugt. Diese Wirkung ist an sich bekannt. Neu ist aber, daß die Gesamtbetatigungskraft auch einen

Beitrag von der Kraftkomponente F. erhält, die auf entsprechende Weise auf der anderen Seite des schwingenden Elements erzeugt wird, wo ein relativer Überdruck herrscht. Da auf diese Weise ein Unterdruck und ein Überdruck zu der Gesamtbetätigungskraft beitragen, tritt ein "Wetterhahneffekt" auf, der zu deutlichen Schwingungsbewegungen und vor allem dazu führt, daß selbst bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten eine genügend starke Betätigungskraft zur Verfügung steht. Man kann das auch so ausdrücken, daß der Durchflußmesser einen großen Meßbereich hat, dessen üntergrenze bei sehr niedrigen Reynoldschen Zahlen liegt. Wenn das schwingende Element 8 durch seine in der Figur 3 gezeigten, mittlere Stellung tritt, ist der Strömungsquerschnitt am kleinsten, so daß dann die Strömungsgeschwindigkeit in den auf beiden Seiten des schwingenden Elements 8 vorhandenen Durchlässen und daher auch der Staudruck am höchsten ist. Infolge dieser Tatsache undder Tatsache, daß das schwingende Element 8 seine mittlere Stellung stets mit einer gewissen kinetischen Energie erreicht, ist gewährleistet, daß das turbulenzbedingte Stromlinienbild ständig aufrechterhalten wird. Die Druckbedingungen sind derart, daß die mittlere Stellung vollkommen labil ist, d. h., keine Gefahr eines auch nur momentanen Stillstands des schwingenden Elements in dieser Stellung besteht.

Die zweite vorteilhafte Wirkung, die mit einer Anordnung gemäß der Erfindung erzielt wird, betrifft nicht die Breite des Meßbereichs, sondern die Meßgenauigkeit. Infolge des turbulenzbedingten Stromlinienbildes wird.in dem ganzen Strömungsquerschnitt ein rechteckiges Geschwindigkeitsprofil erhalten. Dabei ist zwar <Jer Flächeninhalt des Rechtecks von dem Durchfluß abhängig, aber seine Form im wesentlichen konstant, d. h., daß eine hohe Meßgenauigkeit erzielt wird, was vor allem auf die verkleinerten Grenzschichten zurückzuführen ist.

Im Zusammenhang mit der Erläuterung der Ursachen der gemäß der Erfindung erzielten Vergrößerung der Betätigungskräfte wird darauf hingewiesen, daß auf der einen Seite des mittleren Teils 8b des schwingenden Elements ein relativer Unterdruck und auf der anderen Seite ein relativer Überdruck vorhanden ist. Bei kleinem Durchfluß besteht eine Tendenz,diesen Druckunterschied durch ein Umströmen des oberen und unteren Randes des schwingenden Elements auszugleichen. Man kann diesen Druckausgleich vermeiden, wenn man das schwingende Element so ausbildet, daß sich sein oberer und unterer Rand in nächster Nähe der Innenwandung des Gehäuses 1 befinden. Wenn anzunehmen ist, daß das den Durchflußmesser durchströmende Medium Fremdstoff teilchen enthält, beispielsweise von Wasser mitgeführte Sandkörner, könnten diese Teilchen in engen Spalten steckenbleiben, so daß die Funktion des Durchflußmessers " beeinträchtigt oder sogar das schwingende Element vollkommen blockiert werden kann. Daher hat das schwingende Element vorteilhafterweise die in der Figur 5 gezeigte Form, in der oberhalb und unterhalb der Längsränder des Teils 8b flanschartige Teile 8c und 8d vorgesehen sind, so daß das vorstehend beschriebene Umströmen in der Praxis nicht auftreten kann.

In der in der Figur 6 dargestellten Ausführuhgsform haben die Vorsprünge 6 und 7 ein abgerundetes Profil und ist die stromaufwärtsgekehrte Begrenzungsfläche des schwingenden Elements konvex. Ferner hat der Teil 8b des Elements an seinem freien Ende einen Wulst 8e, durch den die positive Kraft verstärkt wird, die auf das Element wirkt.

Der Durchflußmesser gemäß der Erfindung kann hinsichtlich der Ausbildung seiner Bestandteile beträchtlich abgeändert werden. Es ist zwar zweckmäßig, aber keinesfalls notwendig, daß der Teil 8a des schwingenden Elements im wesentlichen dieselbe Dicke hat wie die Vorsprünge und 7. Ferner erhält man optimale Betriebsbedingungen

häufig mit Anordnungen, in denen sich der zuletztgenannte Teil des schwingenden Elements in seiner symmetrischen Stellung im wesentlichen in derselben Ebene befindet wie die beiden Vorsprünge. Da die allgemeine Forderung jedoch nur besagt, daß sich das schwingende Element in dem Bereich befinden soll, in dem die Vorsprünge Turbulenz erzeugen, kann sich die Schwingungsachse des schwingenden Elements etwas stromaufwärts oder stromabwärts von den Vorsprüngen befinden, so daß die Abmessung des Teils 8b in der Strömungsrichtung mit der entsprechenden Abmessung der Turbulenzzone nicht übereinzustimmen braucht, sondern auch kleiner oder größer sein kann. Der Erfindungsgedanke wird in allen Fällen benutzt, in denen Projektionen oder äquivalente Mittel eine Drosselung bewirken, die zur Bildung einer Turbulenzzone führt, in der ein schwingendes Element angeordnet ist, das einer Gesamtbetatigungskraft ausgesetzt ist, die auf die kombinierten Wirkungen eines Überdruckes und eines·Unterdruckes zurückzuführen ist, die auf je einer Seite des schwingenden Elements vorhanden sind.

Der Durchflußmesser gemäß der Erfindung ist in allen Fällen mit Vorteil anwendbar, in denen eine hohe Meßgenauigkeit über einen großen Meßbereich gefordert wird, insbesondere wenn an der unteren Grenze dieses Bereichs niedrige Reynoldsche Zahlen auftreten. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist beispielsweise die Durchflußmessung in der nahrungsmittelverarbeitenden Industrie. Bei dieser Anwendung ist es besonders vorteilhaft,' daß der Durchflußmesser infolge seines einfachen Aufbaus leicht saubergehalten werden kann.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

I 1.)Durchflußmesser mit einem klappenartigen schwingenden Element (8), das in einem Strömungskanal für das Medium angeordnet ist, dessen Durchfluß zu messen ist und dessen Schwingungsachse (9) zu der Strömungsrichtung des Mediums rechtwinklig ist, sowie mit einer Einrichtung zum Umwandeln der Schwingungsfrequenz des schwingenden Elements in Durchflußinformation, dadurch gekennzeichnet, daß von der Innenwandung des Strömungskanals zwei einander gegenüberliegende Vorsprünge (6,7) vorstehen, die den Strömungsquerschnitt des Strömungskanals örtlich verengen, so daß eine Grenzschichtablösung stattfindet und die Strömung in dem ganzen Meßbereich des Durchflußmessers turbulent wird, und daß das schwingende Element (8) einen ersten Teil (8a) besitzt, der·in oder in der Nähe einer Ebene angeordnet ist, die zu der Schwingungsachse (9) des schwingenden Elements parallel ist und die Vorsprünge durchsetzt, sowie einen zweiten Teil (8b), der in einer Ebene angeordnet ist, welche die Schwingungsachse (9) des schwingenden Elements enthält und zur Hauptströmungsrichtung des Mediums parallel ist, so daß beim Schwingen des schwingenden Elements zwischen seinen Endstellungen in beiden zwischen dem schwingenden Element und je einem der Vorsprünge (6,7) hindurchtretenden Teilströmen des strömenden Mediums gleichzeitig gleichsinnige Richtungsänderungen auftreten und daher der zweite Teil (8b) des schwingenden Elements Kraftkomponenten ausgesetzt wird, die quer zur Hauptströmungsrichtung wirken und dadurch die Schwingungsbewegungen des schwingenden Elements verstärken.
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärtsgekehrte Fläche jedes der Vorsprünge (6,7) in einer zu der Hauptströmungsrichtung

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ira wesentlichen rechtwinkligen Ebene liegt·
3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil jedes der Vor— sprünge (6,7) die Form einer Messerschneide hat, deren Schneidenkante der stromaufwärtsgekehrten Fläche des schwingenden Elements nahe benachbart ist.
4. Durchflußnesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge(6,7) und der erste Teil (8a) des schwingenden Elements in der Strönmngsrichtung in wesentlichen dieselbe Dicke haben.