DE3636599A1 - Volumetrischer durchflussmengenmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmengenmesser, insbes. für Flüssigkeiten mit abrasiven Bestandteilen u. dgl.

Flüssigkeitsmengenmesser sind in großer Zahl in den unterschiedlichsten Ausführungen bekannt und in Gebrauch. Im wesentlichen unterscheidet man dabei zwei große Gruppen, nämlich die Strömungsmengenmesser und die volumetrischen Flüssigkeitsmengenmesser. Auf diese letzte Gruppe bezieht sich die vorliegende Erfindung und dabei insbesondere auf einen Zweikammer-Flüssigkeitsmengenzähler.

Diese Art von Flüssigkeitsmengenzählern weisen in einem festen Gehäuse zwei voneinander durch eine verschiebbare abdichtende Zwischenwand getrennte Kammern auf. Strömt in die eine Kammer Flüssigkeit ein, dann wird die beweg­ liche Zwischenwand verschoben, so daß aus der anderen Kammer die gleiche Flüssigkeitsmenge herausgedrückt wird. In den Endlagen der beweglichen Zwischenwand löst letztere die Umschaltung von Ventilen aus, mit denen zu- und ab­ fließender Flüssigkeitsstrom so umgesteuert wird, daß faktisch in Bezug auf Zu- und Ableitung die beiden Kammern vertauscht werden. Der zufließende Strom strömt nun in die Kammer ein, aus der vorher die Flüssigkeit herausge­ drückt wurde und aus der Kammer, die vorher gefüllt wurde, wird nun die Flüssigkeit in die Ableitung herausgedrückt. Die Bewegung der Zwischenwand von einer Endlage in die andere entspricht einer bestimmten Durchflußmenge. Die Umsteuerereignisse können mit einem Zähler erfaßt werden.

Bei bekannten Geräten dieser Art z. B. Hubkolbenzähler wird die bewegliche Zwischenwand durch einen in einen Zylinder eingepaßten und darin gleitenden Kolben gebildet. Eine derartige Zwischenwandausführung eignet sich nicht für Flüssigkeiten, die abrasive Feststoffe enthalten, da diese zu einem Verschleiß der aufeinander gleitenden Teile und damit zu einer nachlassenden Abdichtung zwischen beiden Kammern führen und damit zu einer nachlassenden Genauigkeit des Gerätes. Auch besteht die Gefahr des Festklemmens des Kolbens durch grobkörnige Feststoffe und damit die Gefahr eines Blockierens des Gerätes.

Bekannt sind auch Systeme, bei denen die beweglichen Zwischenwände von an einer Seite hermetisch dicht einge­ spannten Membranen gebildet werden. Dieses hauptsächlich in Gasmengenzählern z. B. in den bekannten Membrangas­ zählern angewandte Prinzip hat den Nachteil, daß die Membranbewegung nicht proportional zur Volumenänderung der Kammer erfolgt und somit zur Messung des momentanen Volumenstromes nur äußerst schwierig ausgenutzt werden kann.

Durch die vorliegende Erfindung sollen die Nachteile der bekannten Flüssigkeitsmengenmesser dieser Art vermieden und insbesondere die Aufgabe gelöst werden, einen Flüssig­ keitsmengenmesser zu schaffen, der vor allem auch bei abra­ siven Bestandteilen in der Flüssigkeit ohne wesentlichen Verschleiß betriebssicher einsetzbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Durchflußmengenmesser vorgeschlagen, bei dem im Innenraum eines festen Gehäuses ein beweglicher Faltenbalg angebracht ist, dessen eines Ende mit einer Wand des Gehäuses und dessen freies Ende mit einem Boden flüssigkeitsdicht verbunden sind, wobei an den so gebildeten beiden Kammern je eine Zuleitung und eine Ableitung für die Flüssigkeit angeschlossen sind, die mit zwei gemeinsam zu betätigenden Drei-Wege-Ventilen mit zwei Schaltpositionen derart verbunden sind, daß in jeder der beiden Schaltpositionen jeweils die Zuleitung der einen Kammer mit der Eingangsleitung und die Ableitung der anderen Kammer mit der Ausgangsleitung verbunden ist. Beim Füllen der einen Kammer und dem entsprechenden Entleeren der je­ weils anderen Kammer wird der Balg in Längsrichtung gedehnt bzw. zusammengedrückt und löst in den beiden axialen End­ lagen des Balgbodens die Umschaltung zweier Umsteuerventile für den Flüssigkeitsstrom aus. Der Faltenbalg soll vorzugs­ weise an der oberen Wand des Gehäuses hängend in vertikaler Richtung beweglich angebracht sein.

Bei feststoffhaltigen Flüssigkeiten tritt häufig bei längerem Stillstand eine Sedimentation der Feststoffe auf. Die Feststoffe sinken nach unten ab und bilden einen festen Bodensatz, der im Laufe der Zeit wächst. Dies kann vielerlei Störungen zur Folge haben. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden deshalb die zu­ fließenden Flüssigkeitsströme von unten bzw. an einer möglichst tiefen Stelle in die Kammern eingeleitet. An den höchsten Stellen der Kammern befinden sich die Ausgänge aus den Kammern. Die Flüssigkeit strömt also stets von unten nach oben. Zudem sind sowohl der Balgboden, der den Boden der inneren Kammer bildet, als auch der Gehäuseboden, der den Boden der äußeren Kammer bildet, nach oben hin konisch ausgebildet. Durch diese Maßnahme wird einer Se­ dimentation der Schwerstoffe entgegengewirkt und eine nach längerem Stillstand eingetretene Sedimentation wird durch eine wieder einsetzende Strömung aufgelöst, was durch Strömungsteiler unterstützt werden kann.

Die Umschaltung der Ventile kann in den beiden festge­ legten Endlagen des Balgbodens z. B. durch direkt betä­ tigte Schalter oder durch Sensoren in Form von induktiven oder kapazitativen Näherungsschaltern ausgelöst und mit Hilfe geeigneter Hilfsenergien vollzogen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll mit dem Faltenbalg bzw. dem Boden ein durch das Gehäuse flüssigkeitsdicht hindurchgeführtes Schaltgestänge für die Umschaltung der Ventile für die Zu- und Abführung der Flüssigkeit in die und aus den Kammern verbunden sein. Die Axialbewegung des Gestänges entspricht dann der Axial­ bewegung des Balgbodens. Die zur Erfassung der Bewegung des Balgbodens notwendigen Schalter und Sensoren können so leicht zugänglich und in geschützer Lage außerhalb des Gehäuses untergebracht werden. Zur Abdichtung des Schaltgestänges soll ein einerseits mit dem Schaltgestänge und andererseits mit dem Gehäuse flüssigkeitsdicht ver­ bunener Faltenbalg vorgesehen werden, der im Durchmesser nur wenig größer sein soll als das Gestänge.

Das Schaltgestänge ist mit Nocken zur Betätigung eines Umschalters für die Zuführung des Steuermediums zu einem mit den Ventilkörpern der Ventile über einen in einer Wippe gelagerten Kipphebel sowie Führungsgestänge ver­ bundenen Pneumatikzylinder versehen.

Bei Ausfall der Hilfsenergie zum Umschalten der beiden Umsteuerventile würden die Ventile nicht umgeschaltet werden, auch wenn der Balgboden seine obere bzw. untere Endlage erreicht hat. Es würde dann weiterhin Flüssigkeit in die gerade mit der Eingangsleitung verbundene Kammer einströmen, was zur Zerstörung des Balges führen würde. Bei Ausfall der Hilfsenergie sollen die Umsteuerventile daher automatisch in eine Stellung gebracht werden, in der sowohl die Eingangsleitung als auch die Ausgangsleitung mit den beiden Kammern verbunden sind. Dann nämlich kann die Flüssigkeit von der Eingangs- zur Ausgangsleitung ge­ langen, ohne daß die Kammern in ihrem Volumen verändert werden.

Eine solche automatische Zwischenstellung der Umsteuerven­ tile läßt sich z. B. durch in geeigneter Weise an der Ventilbetätigung angebrachten Federn erreichen, die bei Ausfall der Hilfsenergie die Umsteuerventile in eine Zwischenstellung zwingen.

Die Ventile sollen als 3-Wege-Ventile mit zwei Schalt­ positionen und negativer Schaltüberdeckung ausgebildet sein, wobei die Ventilkörper mit scharfkantigen Ventil­ sitzen zusammenwirkende konische Mantelflächen aufweisen.

Die beiden Umsteuerventile sind dabei so ausgestaltet, daß während des Umsteuervorganges - also während das Ventil von der einen Stellung in die andere Stellung geschaltet wird - zufließender und abfließender Flüssig­ keitsstrom gleichzeitig mit den beiden Kammern des Ge­ rätes verbunden sind. Während des Umsteuervorganges sind also alle drei Anschlüsse eines Umsteuerventils mitein­ ander verbunden. Die Querschnittsverhältnisse in den Ventilen sollen dabei so ausgelegt sein, daß beim Um­ schalten die Querschnittsabnahme des zu schließenden Anschlusses gleich der Querschnittszunahme des zu öffnenden Anschlusses ist. Durch eine derartige Ventilausgestaltung werden bei der Umsteuerung Flüssigkeitsstrom- und Flüssigkeitsdruckschwankungen vermieden. Die Summe der den beiden Kammern während der Umsteuerung zufließenden Teilströme sind gleich der Summe der aus beiden Kammern abfließenden Teilströme.

Durch Impulsgeber, die mit dem Balgboden in Verbindung stehen und die bei jeder Bewegung des Balgbodens pro festgelegter Wegeeinheit einen Impuls erzeugen, kann jede Axialstellung des Balgbodens und damit der zeitliche Ablauf der Bewegung erfaßt werden. Die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit ist ein Maß für die Geschwindigkeit des momentanen Flüssigkeitsstromes. Die Auswertung der Im­ pulse und Umwandlung in die entsprechende Anzeige der Durchflußgröße erfolgt am besten mit den gängigen und bekannten Hilfsmitteln der Elektronik.

An Hand der Zeichnung, auf der ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist, soll diese nachfolgend noch weiter erläutert werden.

Wie die Zeichnung erkennen läßt, befindet sich in einem Gehäuse 10 ein Balg 14 mit in vertikaler Richtung liegen­ der Achse, der als gewellter Balg 14 a oder als Membran­ balg 14 b ausgeführt sein kann. Der Balg ist mit seinem oberen Ende flüssigkeitsdicht mit dem Gehäuse 10 verbunden.

An seinem anderen Ende weist der Balg einen konischen sich nach unten verjüngenden Balgboden 15 auf. Das Gehäuse weist ebenfalls einen sich nach unten konisch verjün­ genden Boden 12 auf.

Eingegrenzt von der Außenseite des Balges 14 und dem Gehäuse 10 mit dem Gehäuseboden 12 befindet sich die äußere Kammer 13. Eingegrenzt von der Innenseite des Balges 14, dem Balgboden 15 und der Gehäusewand 11, an der der Balg befestigt ist, befindet sich die innere Kammer 16. Bei seinen Axialbewegungen erreicht der Balgboden die obere Endlage o und die untere Endlage u.

Ferner sind zwei Umsteuerventile 25 vorhanden, die als Drei-Wege-Ventile mit zwei Schaltpositionen ausgeführt sind. Die Schalterüberdeckung ist negativ, d. h. während des Umschaltvorganges von der einen Position in die andere sind alle drei Anschlüsse miteinander verbunden.

Die in den Umsteuerventilen befindlichen Ventilkegel haben konische Mantelflächen, während die Ventilsitze mehr oder weniger scharfe Kanten aufweisen, so daß sich beim Schließen eine Linien-Berührung ergibt.

Das Gerät hat eine Eingangsleitung 17 für den zufließenden Flüssigkeitsstrom. Das Umsteuerventil 25 ist so ange­ schlossen, daß je nach Stellung des Ventilkegels 26 die Eingangsleitung verbunden ist mit der äußeren Kammer 13 oder der inneren Kammer 16 oder mit beiden Kammern gleichzeitig. Die Zuleitung 18 zur äußeren Kammer 13 ist an der tiefsten Stelle des konischen Gehäusebodens 12 angeschlossen, damit Feststoffablagerungen 20, die sich nach längerem Stillstand bilden können, von einer wieder einsetzenden Strömung aufgelöst werden. Über der Einmündung ist ein Strömungsteiler 19 angebracht, der mehrere in geeignete Richtungen weisende Teilströme erzeugt, die eine bessere Auflösung der Ablagerung bewirken.

Ebenso wird der Flüssigkeitsstrom der inneren Kammer 16 an der tiefstmöglichen Stelle zugeführt, nämlich durch die Leitung 21, die bis kurz vor die obere Endlage des Balg­ bodens herangeführt ist.

24 ist die Ausgangsleitung für den aus dem System ab­ fließenden Flüssigkeitsstrom. Das Umsteuerventil 25 ist so angeschlossen, daß die Ausgangsleitung 24 je nach Stellung des Ventilkegels 26 verbunden ist entweder mit der äußeren Kammer 13 oder mit der inneren Kammer 16 oder mit beiden Kammern gleichzeitig. Die Ventilkegel 26 werden derart betätigt, daß bei Verbindung der Eingangs­ leitung mit der äußeren Kammer 13 die Ausgangsleitung 24 verbunden ist mit der inneren Kammer 16. In der entgegen­ gesetzten Schaltstellung ist dann die Eingangsleitung 17 verbunden mit der inneren Kammer 16 und die Ausgangs­ leitung 24 mit der äußeren Kammer 13. In einer mittleren Schaltstellung sind Eingangsleitung 17 und Ausgangsleitung 24 mit beiden Kammern verbunden.

Um diese Schaltstellungen zwangsweise zu erreichen, sind die Ventilkegel 26 über ein Gestänge, wie in der Skizze dargestellt, verbunden, an das ein doppelwirkender Pneumatikzylinder 31 angreift.

Um eine Zwischen-Schaltstellung zu erreichen, in der Eingangsleitung 17 und Ausgangsleitung 24 mit beiden Kammern verbunden ist, genügt es, in beiden Zylinderräumen des Pneumatikzylinders Druckfedern 33 einzusetzen, die bei Druckloswerden beider Zylinderräume den Kolben 32 und damit die Ventilkegel 26 in eine Zwischenstellung zwingen.

Mit dem Balgboden 15 ist eine Stange 27 verbunden, die durch das Gehäuse nach außen geführt wird. Die Abdichtung erfolgt vorzugsweise durch einen Balg 28, der an einem Ende hermetisch dicht mit der Stange 27 verbunden ist und an seinem anderen Ende mit dem Gehäuse 10/12. Auf der Stange 27 befinden sich zwei Mitnehmer 29. Der eine Mit­ nehmer ist so angeordnet, daß er in der unteren Endlage u des Balgbodens ein Ventil oder einen Schalter 30 so umschaltet, daß mit einer Hilfsenergie, z. B. Druckluft, der Pneumatikzylinder 31 so beaufschlagt wird, daß die Umsteuerventile 25 umgeschaltet werden. Der andere Mit­ nehmer schaltet in der oberen Endlage o des Balgbodens das Ventil 30 wieder zurück, so daß der Pneumatikzylinder 31 derart beaufschlagt wird, daß die Umsteuerventile 25 wieder in ihre ursprüngliche Lage umgeschaltet werden.

Ein Impulszähler 34 ist so an das Ventil oder den Schalter 30 angeschlossen, daß die Umschaltereignisse gezählt werden. Man erhält auf diese Weise einen Flüssigkeitsmengenzähler, denn von einem Umschaltereignis bis zum nächsten fließt eine ganz bestimmte Flüssigkeitsmenge durch das Gerät.

An der Stange 27 kann ein Impulsgeber 35 angeordnet werden, der bei Verschiebung der Stange pro Wegeeinheit einen Impuls erzeugt. In einem Gerät 36 können diese Impulse elektronisch so aufbereitet werden, daß an einer Anzeige die momentane Größe des Flüssigkeitsstromes angezeigt wird. Natürlich kann durch entsprechende elektronische Aufbe­ reitung die Flüssigkeitsmenge auch summierend gezählt werden.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Durchlaufmengenmessers ist nun wie folgt.

Die Flüssigkeit fließt durch die Eingangsleitung 17 zum Umsteuerventil 25, von dort bei der gezeichneten Ventil­ stellung durch die Leitung 18 von unten in die äußere Kammer 13. Durch die in die Kammer 13 einströmende Flüssigkeit wird der Balg 14 in axialer Richtung zusammengedrückt.

Entsprechend der Vergrößerung von Kammer 13 verkleinert sich die im Innern des Balges 14 befindliche Kammer 16. Der Balgboden 15 bewegt sich dabei nach oben. Die aus der inneren Kammer 16 verdrängte Flüssigkeit strömt durch die Leitung 22 zum Umsteuerventil 25 und von dort bei der gezeichneten Ventilstellung in die Ausgangsleitung 24. Die Axialbewegung des Balgbodens 15 wird über die Stange 27 durch den Dichtungsbalg 28 hindurch aus dem Gehäuse heraus nach außen übertragen. Der Balgboden 15 bewegt sich solange nach oben bis der untere Mitnehmer 29 das Ventil bzw. Schalter 30 umschaltet, wodurch eine Hilfs­ energie, z. B. Druckluft dem entsprechenden Raum des pneuma­ tischen Doppelzylinders 31 zugeführt und der andere Raum entlüftet wird. Dadurch werden die beiden Umsteuerventile 25 in die jeweils entgegengesetzte Stellung gebracht. Der Balgboden befindet sich dabei in seiner oberen Endlage o.

Während des Umschaltvorganges der beiden Ventile 25 sind Eingangsleitung 17 und Ausgangsleitung 24 sowohl mit der äußeren Kammer 13 als auch mit der inneren Kammer 16 verbunden. Während des Umschaltens werden also zu­ fließender und abfließender Flüssigkeitsstrom nicht unter­ brochen, wodurch eine Pulsation weitgehend vermieden wird.

Nach der Umschaltung der Umsteuerventile 25 in die zur gezeichneten Stellung entgegengesetzte Stellung strömt die zufließende Flüssigkeit durch die Leitung 21 in die innere Kammer 16, wodurch der Balg 14 wieder in axialer Richtung gedehnt wird. Entsprechend der Volumenzunahme von Kammer 16 wird das Volumen der äußeren Kammer 13 ver­ kleinert. Die aus dieser Kammer verdrängte Flüssigkeit strömt durch die Leitung 23 zum Umsteuerventil 25 und von dort in die Ausgangsleitung 24. Wenn bei der Abwärtsbewegung des Balgbodens 15 der obere Mitnehmer 29 das Ventil bzw. den Schalter 30 wieder umschaltet, so ist die untere Endlage des Balgbodens erreicht. Der entlüftete Raum des pneumati­ schen Doppelzylinders 31 wird mit Druckluft beaufschlagt und der vorher beaufschlagte andere Raum entlüftet. Die Umsteuerventile werden jetzt wieder in die gezeichnete Stellung gebracht, worauf der Zyklus von neuem beginnt.

Claims (13)

1. Durchflußmengenmesser, insbes. für Flüssigkeiten mit abrasiven Bestandteilen u. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (13) eines festen Gehäuses (10) ein be­ weglicher Faltenbalg (14) angebracht ist, dessen eines Ende mit einer Wand (11) des Gehäuses und dessen freies Ende mit einem Boden (15) flüssigkeitsdicht verbunden sind, wobei an den so gebildeten beiden Kammern (13 bzw. 16) je eine Zuleitung (18 bzw. 21) und eine Ableitung (23 bzw. 22) für die Flüssigkeit angeschlossen sind, die mit zwei gemeinsam zu betätigenden Drei-Wege-Ventilen (25) mit zwei Schaltpositionen derart verbunden sind, daß in jeder der beiden Schaltpositionen jeweils die Zuleitung der einen Kammer mit der Eingangsleitung und die Ableitung der anderen Kammer mit der Ausgangsleitung verbunden ist.

2. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Faltenbalg (14) an der oberen Wand (11) des Gehäuses (10) hängend in vertikaler Richtung beweg­ lich angebracht ist.

3. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die innere Kammer (16) als auch die äußere Kammer (13) mit einem nach außen gewölb­ ten konischen Boden (12, 15) versehen sind.

4. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsleitungen (18, 21) für die Flüssigkeit im Bereich der tiefsten Stellen in die Kammern (13, 16) eingeführt sind, während die Ab­ führungsleitungen (22, 23) für die Flüssigkeit aus den Kammern am oberen Teil des Gehäuses (10) vorgesehen sind.

5. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Einmündung der Zuführungsleitung (18) in die Kammer (13) am Behälterboden (12) ein Strö­ mungsteiler (19) angebracht ist.

6. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Faltenbalg (14) bzw. dem Boden (15) ein durch das Gehäuse (10) flüssigkeitsdicht hindurchgeführtes Schaltgestänge (27) für die Umschal­ tung der Ventile ( 25) für die Zu- und Abführung der Flüssigkeit in die und aus den Kammern (13, 16) verbunden ist.

7. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Abdichtung des Schaltgestänges (27) ein einerseits mit dem Schaltgestänge und andererseits mit dem Gehäuse flüssigkeitsdicht verbundener Faltenbalg (28) vorgesehen ist.

8. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgestänge (27) mit Nocken (29) zur Betätigung eines Umschalters (30) für die Zu­ führung des Steuermediums zu einer mit den Ventilkörpern (26) der Ventile (25) über einen in einer Wippe ( 37) gelagerten Kipphebel (38) sowie Führungsgestänge ver­ bundenen Pneumatikzylinder (31) versehen ist.

9. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Pneumatikzylinder (25) den Kolben (32) bei Drucklosigkeit der Steuerleitungen (39, 40) in einer beide Kammern (13, 16) gleichzeitig mit Eingangsleitung (17) und Ausgangsleitung (24) verbindenden Neutralstellung der Ventilkörper (26) haltende Federn (33) angebracht sind.

10. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (25) so ausgebildet sind, daß während der Umschaltphase von einer Schaltposition in die andere die Eingangsleitung (17) bzw. die Ausgangs­ leitung (24) jeweils mit beiden Kammern (13, 16) gleich­ zeitig verbunden sind.

11. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkörper (26) mit scharf­ kantigen Ventilsitzen zusammenwirkende konische Mantel­ flächen bzw. mit konischen Flächen von Ventilsitzen zusammenwirkende scharfe Kanten aufweisen.

12. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Steuerleitungen (40) für den Kolben (32) des Pneumatikzylinders (25) ein Impulsgeber (34) angeordnet ist.

13. Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Steuergestänge (27) ein Impulsgeber (35) verbunden ist, dem ein die Impulse elektronisch aufbereitendes Gerät (36) für die summie­ rende Anzeige der Flüssigkeitsmenge oder des augenblick­ lichen Flüssigkeitsstromes nachgeschaltet ist.