DE3737427A1 - Vorrichtung zur erfassung der stroemungsmenge eines fluides in einem durchlass - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Strömungsmesser zum Messen der Strömungsmenge eines durch einen Durchlaß hindurchtretenden Fluides.

Es sind bisher verschiedene Einrichtungen und Systeme entworfen worden um die Strömungsmenge eines durch einen Durchlaß fließenden Fluides zu messen. Eine bekannte Anordnung besteht darin, daß eine um die Achse der Fluidströmung drehbares Flügelrad vorgesehen und die Strömungsmengenmessung dadurch ausgeführt wird, daß die Umdrehungszahl einer Kugel erfaßt wird, die aus magnetischem Material besteht und in wirksamer Beziehung zu dem Flügelrad gesetzt ist. Obwohl so eine zufrieden­ stellende Strömungsmessung bei relativ großen Mengen (über etwa 3 l/min.) erreicht werden kann, ist eine solche Anordnung nachteilig bezüglich der Genauigkeit der Erfassung von Strömungen in relativ kleinen Mengen (etwa 0,3 bis 2 l/min.) und bei der Größenverringerung der Vorrichtung, und weiter darin, daß die Erfassung der Umlaufzahl instabil ist wegen der Ablenkung der Kugel in Achsenrichtung der Fluidströmung. Diese Nachteile ergeben Schwierigkeiten, wenn ein solches System benutzt wird, um stabil Strömungen in recht kleinen Ausmaßen zu messen und bei kleinen Vorrichtungen, beispielsweise bei in einen menschlichen Körper eingepflanzten Arzneimittel­ spendern o.ä.

Die vorliegende Erfindung sollte die Nachteile bekannter Strömungsmeßvorrichtungen überwinden mit dem Ziel eine neue und verbesserte Strömungsmeßvorrichtung schaffen, die stabil und genau die Strömungsmenge auch bei relativ kleinen Strömungen messen kann und mit sehr kleinen Abmessungen ausführbar ist.

Zur Erreichung dieses Zieles zeichnet sich eine erfindungsgemäße Strömungsmeßvorrichtung dadurch aus, daß eine Umlauf- oder Wendelkammer mit kreisförmigem Horizontalschnitt vorgesehen ist, mit einer Einlaßöff­ nung, die in Tangentialrichtung zum Umlaufkreis liegt, und einer Auslaßöffnung, die im wesentlichen im zentra­ len Abschnitt einer Bodenfläche vorgesehen ist, so daß ein Fluid durch die Einlaßöffnung eingeführt und durch die Auslaßöffnung entlassen werden kann. Im wesentlichen in der Mitte der oberen Fläche der Wendel- oder Umlauf­ kammer ist ein konisches Glied vorgesehen, das vertikal nach unten in Achsenrichtung der Umlaufkammer vorsteht. Das kegelförmige vorstehende Glied bildet zusammen mit den Wänden der Umlaufkammer einen Umlaufkanal, und die einströmende Flüssigkeit bewegt sich längs des so gebil­ deten Kanals. Ein Kugelteil ist in dem Kanal so einge­ schlossen, daß es um das vorstehende Glied und längs der Wand der Umlaufkammer umläuft, sobald Fluid durch die Einlaßöffnung eingeführt wird. Die Anzahl der Umläufe des Kugelteiles wird durch eine Erfassungsschaltung aufgenommen, um die Strömungsmenge des Fluids zu messen.

Vorzugsweise besitzt die Umlaufkammer einen zylindri­ schen Abschnitt mit konstantem Durchmesser und einem kegelförmigen Abschnitt mit zur Oberseite hin abnehmendem Durchmesser, und die Höhe des zylindrischen Abschnittes der Umlaufkammer wird so festgesetzt, daß das Kugelteil bei seinem Umlaufen die Seitenflächen des konischen Abschnittes berührt. Dadurch ergibt sich ein stabiler Umlauf des Kugelteils längs des Umlaufkanals und somit eine stabile Erfassung der Fluidströmung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Strömungsmengen-Meßvorrichtung erfindungs­ gemäßer Art,

Fig. 2 eine Schnittansicht nach Linie A-A der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Strömungsmeßvor­ richtung, etwa senkrecht zur Schnittlinie nach Fig. 1 geschnitten, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung charakteristi­ scher Eigenschaften der erfindungsgemäßen Strömungsmeßvorrichtung.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Strömungsvorrichtung gezeigt mit einer Umlaufkammer 6 mit einem zylindrisch geformten Abschnitt 7 und einem kegeligen oder kegel­ stumpfförmigen Abschnitt 8, die koaxial miteinander verbunden sind. Die Umlaufkammer 6 besitzt eine Einlaßöffnung 8 d, die an einen Fluideinlauf-Durchlaß 9 so anschließt, daß ein durch den Durchlaß 9 in Pfeil­ richtung H (Fig. 2) strömendes Fluid tangential in den oberen Teil des kegelstumpfförmigen Abschnittes 8 der Umlaufkammer 6 gelangt. Die Innenfläche 9 a des Fluid- Einlasses 9 ist so an die obere Fläche 8 a der Umlauf­ kammer 6 und an die Kegelstumpf-Seitenfläche 8 b des kegelstumpfförmigen Abschnittes 8 angeschlossen, daß die Gestaltung der Umlaufkammer selbst nicht beeinträchtigt wird. Die Umlaufkammer 6 besitzt eine Auslaßöffnung 7 b (Fig. 1), die in der Bodenfläche 7 a der Umlaufkammer 6 in deren Mitte so angebracht ist, daß der Mittelpunkt der Bodenfläche 7 a mit dem Mittelpunkt der Auslaßöffnung 7 b zusammenfällt. An die Auslaßöffnung 7 b ist ein Auslaß 10 angeschlossen, der senkrecht zur Bodenfläche 7 a abgeht, so daß in die Umlaufkammer 6 eingeführtes Fluid in Richtung des Pfeiles V (Fig. 1) abfließt. Bei dem tatsächlichen Aufbau wird ein längliches Zylinderteil 15 in eine ringförmige Hülse 16 eingesetzt, die mit der Wand der Umlaufkammer 6 so verbunden ist, daß die obere Fläche des länglichen zylindrischen Teils 15 gleich­ zeitig die Bodenfläche 7 a der Umlaufkammer 6 ist, und eine Mittelbohrung dieses zylindrischen Teiles 15 ist dann der Fluidauslaß 10. Es ist ein O-Ring vorgesehen, der das längliche zylindrische Teil 15 mit der ringför­ migen Hülse 16 abdichtet.

In der Umlaufkammer 6 befindet sich ein etwa kegelförmiges vorstehendes Glied 13, das von der oberen Fläche oder Deckfläche 8 a der Umlaufkammer 6 vorsteht, und die Achse des kegelförmigen vorstehenden Gliedes 13 fällt mit der Umlaufachse der Umlaufkammer 6 zusammen. Eine Kugel oder ein Kugelteil 11 aus magnetisierbarem Material mit Spiegelglanz-Oberfläche ist zwischen der sich verjüngenden Fläche des kegelförmigen vorstehenden Teiles 13 und der Bodenfläche 7 a der Umlaufkammer so eingeschlossen, daß die Kugel 11 längs eines Kanals läuft, der durch die Seitenfläche 8 b der Umlaufkammer 6, die sich verjüngende Fläche des vorstehenden Gliedes 13 und die Bodenfläche 7 a der Umlaufkammer 6 gebildet ist. Wie in Fig. 1 zu sehen, ist der Abstand E zwischen der Spitze 13 a des vorstehenden Gliedes 13 und dem Umfang der Auslaßöffnung 7 b kleiner als der Durchmesser F der Kugel 11, so daß diese ohne die Gefahr, in den Auslaß 10 abzustürzen oder sich in diesen einzusetzen, umlaufen kann. Die Einlaßöffnung 8 d der Umlaufkammer 6 liegt über der Kugel 11 und das vorstehende Glied 13 verbessert die Umlaufwirkung des durch den Fluid-Zulauf 9 eingeführten Fluides. Damit wird die Kugel 11 längs des Kanals durch die Umlaufströmung des einlaufenden Fluides in Umlauf gebracht, wobei es die sich verjüngende Fläche 8 b des kegelförmigen Abschnittes 8 und die Bodenfläche 7 a der Umlaufkammer 6 berührt.

An der äußeren Wand 6 a der Umlaufkammer 6 ist eine Erfassungsschaltung 14 vorgesehen, die die Anzahl der Umläufe der Kugel 11 erfaßt und ein elektrisches Impulssignal entsprechend der erfaßten Umlaufzahl erzeugt. Eine derartige Erfassungsschaltung ist aus mehreren Veröffentlichungen bekannt, z.B. aus der JP-A-59/1 53 123, und so kann auf eine nähere Erläuterung hier verzichtet werden.

Im Betrieb fließt in die Umlaufkammer 6 durch den Fluideinlaß 9 eingeführtes Fluid tangential in den kegelstumpfförmigen Abschnitt 8 längs der Innenwand der Kammer 6 so ein, daß sich ein Umlaufstrom bildet, der aus dem Fluidauslaß 10 im Mittelabschnitt der Boden­ fläche 7 a der Umlaufkammer 6 austritt. Gleichzeitig wird die in der Umlaufkammer 6 enthaltene Kugel 11 um das vorstehende Glied 13 mit einer Geschwindigkeit in Umlauf gebracht, die im wesentlichen proportional zur Umlauf­ strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Fluides ist, und der Umlauf der Kugel 11 erfolgt so, daß sie mit der sich verjüngenden Fläche 8 b des kegelstumpfförmigen Abschnittes 8 und der Bodenfläche 7 a der Umlaufkammer 8 (oder dem Umfang der Auslaßöffnung 7 b) in Berührung kommt. Die auf die Kugel 11 einwirkende Zentrifugalkraft und die nach unten drückende Kraft wachsen beide propor­ tional zur Umlaufgeschwindigkeit an, wobei die nach unten gerichtete Kraft durch die Kegelstumpf-Mantelflä­ che 8 b des kegelstumpfförmigen Abschnittes 8 erzeugt wird. Damit läuft die Kugel 11 ohne Vibration stabil um, und es ist eine stabile Erfassung der Strömung möglich.

Nun ist der Strömungszustand des einströmenden Fluides nicht notwendigerweise konstant, sondern es können sich verschiedene Strömungszustände, beispielsweise eine pulsierende Strömung einstellen. Da bei dieser Ausfüh­ rung die Einlaßöffnung 8 d des Fluideinlasses 9 weiter oben als der oberste Teil 11 a der Kugel 11 liegt, wird der Umlauf der Kugel 8 durch kleine, allgemein auftre­ tende Strömungsänderungen nicht beeinflußt und die stabile Strömungserfassung nicht gestört. Da zusätzlich der Kugel-Umlaufkanal besonders dadurch gebildet ist, daß der Abstand E zwischen der Spitze 13 a des vorste­ hendes Gliedes 13 und dem Umfang der Ausflußöffnung 7 b kleiner als der Durchmesser F der Kugel 11 ist, wird die Fluidströmung niemals blockiert. Dadurch ergibt sich ein niedriger Druckabfall der Meßvorrichtung.

Fig. 4 ist ein Schaubild der Strömungscharakteristiken der beschriebenen Strömungs-Meßvorrichtung, und zwar ist an der Vertikalachse die Strömungsmenge Q (in l/min.) beispielsweise von Wasser aufgetragen, das die Umlauf­ kammer 6 durchströmt, und auf der horizontalen Achse ist die Umdrehungszahl der Kugel 11 in Hz angegeben. Die normalerweise erhaltene Kurve A kann entsprechend dem Einsatzgebiet der Strömungs-Meßvorrichtung angepaßt werden. Wenn beispielsweise der Innendurchmesser d 1 des Fluideinlasses 9 verkleinert wird, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides und damit auch die Anzahl von Umläufen der Kugel 11, so daß sich als neue charakteristische Kennlinie die gestrichelt eingezeich­ nete Linie B ergibt. Weiter kann die charakteristische Kurve auch durch Änderung des Innendurchmessers der Umlaufkammer 6 oder des Innendurchmessers d 2 des Fluid­ auslasses 10 geändert werden, so daß den unterschied­ lichen Bedingungen Rechnung getragen werden kann.

Wie für den Fachmann verständlich, betrifft diese Beschreibung nur ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung, und es sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, eine Vielzahl von Änderungen möglich.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erfassung einer Strömungsmenge eines Fluides, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse vorgesehen ist, in dem sich eine Umlaufkammer (6) befindet, deren Horizontalschnitt kreisförmig ist und die eine Einlaßöffnung (8 d) besitzt, welche in Tangen­ tialrichtung der Umlaufkammer (6) angelegt ist, und eine Auslaßöffnung (7 b) im wesentlichen im Mittenabschnitt der Bodenfläche (7 a) der Umlaufkammer, so daß das Fluid durch die Einlaßöffnung (8 d) einläuft und aus der Auslaßöffnung (7 b) austritt, daß ein vorstehendes Glied (13) im wesentlichen in der Mitte der oberen Fläche (8 a) der Umlaufkammer (6) vorgesehen ist, das längs der Achse der Umlaufkammer nach unten vertikal vorsteht, daß ein Kugelteil (11) in die Umlaufkammer (6) so eingesetzt ist, daß es um das vorstehende Glied (13) und längs einer Wand (8 b) der Umlaufkammer (6) bei durch die Einlaßöffnung (8 d) einlaufendem Fluid umläuft, und daß eine Erfassungseinheit (14) vorgesehen ist, um die Umlaufzahl des Kugelteiles (11) zur Messung der Strömungsgröße des Fluides zu erfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufkammer (6) einen zylindrischen Abschnitt (7) mit konstantem Durchmesser umfaßt und einen kegel­ stumpfförmigen Abschnitt (8), dessen Durchmesser nach oben hin abnimmt, daß die Einlaßöffnung (8 d) in Tangen­ tialrichtung zum kegelstumpfförmigen Abschnitt (8) vorgesehen ist, und daß die Höhe des zylindrischen Abschnittes (7) der Umlaufkammer (6) so bestimmt ist, daß das Kugelteil (11) beim Umlaufen mit der Kegel­ stumpf-Mantelfläche (8 b) des kegelstumpfförmigen Ab­ schnittes (8) in Berührung kommt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das vorstehende Glied (13) Kegelform hat, wobei der Durchmesser mit Abstand von der oberen Wand (8 a) abnimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (E) zwischen der Spitze (13 a) des vorstehenden Gliedes (13) und dem Umfang der Auslaß­ öffnung (7 b) kleiner als der Durchmesser (F) des Kugel­ teiles (11) ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (8 d) über dem eingesetzten Kugelteil (11) angeordnet ist.