DE3737427C2 - Vorrichtung zur Erfassung einer Strömungsmenge eines Fluids - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Strömungsmenge eines Fluids nach dem Oberbegriff des Anspru­ chs 1.

Aus der DE-OS 19 16 647 ist ein Strömungsmesser für Flüssig­ keiten und Gase bekannt. Diese Vorrichtung enthält ein Gehäu­ se, in dem sich eine kreisförmige Umlaufkammer befindet, die eine in ihrer Tangentialrichtung angeordnete Einlaßöffnung und eine mittig in ihrer Bodenfläche angeordnete Auslaßöff­ nung aufweist. Die Umlaufkammer enthält ferner ein von ihrer oberen Deckfläche nach innen vorstehendes Glied sowie eine Kugel, die in die Umlaufkammer so eingesetzt ist, daß sie um das vorstehende Glied und längs einer Wand der Umlaufkammer bei durch die Einlaßöffnung einlaufendem Fluid umläuft. Zur Messung der Strömungsmenge des Fluids von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung ist eine Erfassungseinheit vorgesehen, mit­ tels der die Umlauffrequenz der Kugel erfaßt wird.

In der DE-OS 23 18 715 ist eine Vorrichtung zum Messen des Gas- bzw. Flüssigkeitsdurchsatzes beschrieben. Dabei ist ein Gehäuse mit einer Ringkammer vorgesehen, die durch einen vom Gehäuseboden nach innen vorstehenden Vorsprung und einen axial mit letzterem ausgerichteten Austrittsstutzen gebildet ist, der durch die Deckfläche des Gehäuses nach außen führt. An die Ringkammer ist tangential ein Einlaß angeschlossen, durch den Fluid in die Ringkammer gelangt und von dort durch einen konzentrischen Ablaufschlitz zwischen dem Vorsprung und dem Austrittsstutzen in letzteren hinein und nach außer­ halb des Gehäuses strömt. Durch diese Strömung wird eine in der Ringkammer angeordnete Kugel in Umlauf versetzt, wobei die Umlauffrequenz mittels eines Sensor detektiert wird.

Aus der DE 26 33 803 A1 ist ein Strömungsmesser für flüssige und gasförmige Medien bekannt. Diese Vorrichtung enthält ein Gehäuse mit einer Ringkammer, deren Innenring durch ein durch die Bodenfläche des Gehäuses geführtes zentrales Ein­ laßrohr gebildet ist. Innerhalb des Gehäuses ist das Einlaß­ rohr in Axialrichtung abgedichtet und weist bezüglich seines Innenumfangs tangential in die Ringkammer führende Durchläs­ se auf. Das Einlaßrohr endet im Inneren des Gehäuses in einem geringen Abstand zur Schaffung eines konzentrischen Ab­ laufschlitzes vor der Gehäusedeckfläche, die koaxial mit dem Einlaßrohr zentral mit einem Auslaß versehen ist. Außerhalb des Gehäuses ist ein elektromagnetischer oder photoelektri­ scher Sensor zur Bestimmung der Umlauffrequenz der Kugel in der Fluidströmung angeordnet, um darüber die Strömungsmenge des Fluids selbst zu bestimmen.

Ein weiterer bekannter Durchflußmesser für Fluide ist in der DE 22 54 482 B2 beschrieben. Hier ist ein Gehäuse mit einer Umlaufkammer in der Form einer logarithmischen Spirale vorge­ sehen. Die Umlaufkammer enthält einen tangential mündenden Einlaß sowie einen zentral abgehenden Auslaß. Konzentrisch zu der Auslaßöffnung sind in der Boden- und entsprechend auch in der Deckfläche der Umlaufkammer kreisförmige Füh­ rungsnuten für eine mit dem durchströmenden Fluid umlaufende Kugel enthalten. Die Durchströmungsmenge wird durch die mit­ tels eines Sensors erfaßte Umlauffrequenz der Kugel ermittelt.

Eine weitere bekannte Anordnung zur Messung der Strömungsmen­ ge eines Fluides besteht darin, daß ein um die Achse der Fluidströmung drehbares Flügelrad vorgesehen und die Strö­ mungsmengenmessung dadurch ausgeführt wird, daß die Umdre­ hungsfrequenz einer Kugel erfaßt wird, die aus magnetischem Mate­ rial besteht und in wirksamer Beziehung zu dem Flügelrad ge­ setzt ist.

Alle vorgenannten Vorrichtungen erlauben eine Strömungsmes­ sung bei einem relativ großem Fluiddurchsatz von über etwa 3 l/min, lassen aber in nachteiliger Weise keine ausreichend genaue Durchflußmengenbestimmung bei geringen Strömungen von etwa 0,3 bis 2 l/min zu. Ferner ist bei den bekannten Vor­ richtungen die Erfassung der Umlauffrequenz aufgrund der Ablen­ kung der Kugel in Achsenrichtung der Fluidströmung instabil. Desweiteren sind die Baugrößen der aus den einzelnen Druck­ schriften bekannten Strömungsmengenmesser insbesondere auf­ grund vorhandener Strömungsquerschnitts-Engstellen und auch technisch wie konstruktiv aufwendigen Details nach unten be­ schränkt. Diese Nachteile ergeben somit Schwierigkeiten, wenn ein solches System zum Messen von stabilen Strömungen in recht kleinen Ausmaßen und bei kleinen Vorrichtungen be­ nutzt wird, beispielsweise bei in einem menschlichen Körper eingepflanzten Arzneimittelspendern u. a.

Aus der JP 52-36 057 ist eine Strömungsmeßvorrichtung be­ kannt, die eine zylindrische Umlaufkammer aufweist, in wel­ che eine kleine Kugel aufgrund eines durchströmenden Fluids um ein ebenfalls zylindrisches, nach unten vorstehendes Ele­ ment umläuft.

Diese bekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß sie nicht verhindern kann, daß die kleine Kugel bei nicht-kon­ stantem Strömungszustand des einströmenden Fluids, wie dies beispielsweise bei einer pulsierenden Strömung der Fall ist, ihre Umlaufbahn an der Innenwand der zylindrischen Umlaufkam­ mer verläßt und sich in Richtung des Zentrums der Kammer be­ wegt. Außerdem wird durch die Ausbildung dieser bekannten Vorrichtung nicht verhindert, daß die kleine Kugel, bei­ spielsweise durch eine stark ansteigende Strömungsgeschwin­ digkeit des einströmenden Fluids, nach oben in den oberen Abschnitt der zylindrischen Umlaufkammer gedrängt wird. In diesem Fall würde das einströmende Fluid direkt auf die klei­ ne Kugel treffen, die Kugel eine undefinierte Bahn durchlau­ fen und es während des Betriebs sowohl zu Veränderungen der Umlauffrequenz als auch zu Vibrationen der kleinen Kugel kommen. Dadurch wird ihr stabiles und ruhiges Umlaufen beein­ trächtigt, und eine genaue Meßwerterfassung ist unter diesen Umständen nicht möglich.

Diese Nachteile ergeben sich auch bei einem aus der AT-PS 275 896 bekannten Durchflußmesser, bei dem in einem Gehäuse mit einer Innenfläche in Form einer Rotationsfläche eine Kugel lose untergebracht ist, wobei der Durchmesser der Innenfläche des Gehäuses, auf welcher die Kugel herumrollt, in Strömungsrichtung kontinuierlich abnimmt.

Einige Ausführungsformen dieses bekannten Durchflußmessers weisen außerdem aufwendige mechanische Details auf. Zusätzliche Nachteile ergeben sich somit, wenn ein solcher Durchflußmesser in sehr kleinen Abmessungen hergestellt werden soll.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung einer Strömungsmenge eines Fluids zu schaffen, welche die Strömungsmenge auch bei relativ kleinen Strömungsmengen stabil und genau messen kann, die mit sehr kleinen Abmessungen ausführbar ist und die ein stabiles Umlaufen der Kugel bei allen auftretenden Strömungszuständen des Fluids gewährleistet, so daß die Strömungsmenge des Fluids unter allen Bedingungen immer genau gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Aufgrund dieser Anordnung wird das durch die Einlaßöffnung einströmende Fluid nicht auf die umlaufende Kugel ge­ leitet, sondern erst oberhalb der letzteren in eine Zirkulationsströmung versetzt, so daß die Kugel von dort auftretenden kurzzeitigen Strömungsimpulsen in Umlaufrichtung unberührt bleibt. Die Kugel wird erst von der sich unterhalb der Einlauf-Zirkulationsströmung befindlichen Fluidströmung in Umlauf gebracht, die sich in einer stabilen Schraubbewegung nach unten in Richtung der Auslaßöffnung bewegt, so daß ein gleichmäßiger, von kurzzeitigen Impulsen im Bereich der Einlaßöffnung weitgehend unabhängiger Umlauf der Kugel erreicht wird.

Die aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung erzeugte, nach unten gerichtete Schraubbewegung des Fluids bewirkt ferner, daß die Kugel gegen die Boden- und Seitenwand der Umlaufkammer gedrückt wird, so daß die Kugel in einer genau vorbestimmten Führungsbahn umläuft und Vertikal- und Horizontalbewegungen der Kugel weitgehend ausgeschlossen werden können. Der Umlauf der Kugel ist daher nicht nur in Umlaufrichtung sehr gleichmäßig, sondern auch in Horizontal- und Vertikalrichtung genau bestimmt und vibrationsfrei.

Diese besonders gleichmäßige Kreisbewegung der Kugel ermöglicht sehr genaue Messung auch kleinerer Strö­ mungsmengen. Da ferner keinerlei Engstellen in dem Strömungs­ weg enthalten sind, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in einer sehr kleinen Baugröße ausgeführt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das vorstehende Element Kegelform auf und bildet zusammen mit den Wänden der Umlaufkammer einen Umlaufkanal, längs dem sich die einströ­ mende Flüssigkeit bewegt und somit auch die Kugell um­ läuft.

Vorzugsweise besitzt die Umlaufkammer einen zylindrischen Ab­ schnitt mit konstantem Durchmesser und einen kegelförmigen Abschnitt mit zur Oberseite hin abnehmendem Durchmesser. Da­ bei ist die Höhe des zylindrischen Abschnittes der Umlaufkam­ mer so festgesetzt, daß die Kugel bei ihrem Umlau­ fen die Seitenflächen des konischen Abschnittes berührt. Da­ durch ergibt sich ein besonders stabiler Umlauf der Kugel längs des Umlaufkanals und somit eine stabile Er­ fassung der Fluidströmung.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen beschrieben.

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

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Strömungs­ mengen-Meßvorrichtung,

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

Fig. 3 einen Schnitt durch die Strömungsmengen-Meßvorrichtung, etwa senkrecht zur Schnittlinie nach Fig. 1 geschnitten, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Strömungscharakteristiken der Strömungsmengen-Meßvorrichtung.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Strömungsmengen-Meßvorrichtung mit einer Umlaufkammer 6 mit einem zylindrisch geformten Abschnitt 7 und einem kegeligen oder kegelstumpfförmigen Abschnitt 8 gezeigt, die koaxial miteinander verbunden sind. Die Umlaufkammer 6 besitzt eine Einlaßöffnung 8d, 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 9a des Fluid- Einlasses 9 ist so an die obere Fläche 8a der Umlauf­ kammer 6 und an die Kegelstumpf-Seitenfläche 8b des kegelstumpfförmigen Abschnittes 8 angeschlossen, daß die Gestaltung der Umlaufkammer selbst nicht beeinträchtigt wird. Die Umlaufkammer 6 besitzt eine Auslaßöffnung 7b (Fig. 1), die in der Bodenfläche 7a der Umlaufkammer 6 in deren Mitte so angebracht ist, daß der Mittelpunkt der Bodenfläche 7a mit dem Mittelpunkt der Auslaßöffnung 7b zusammenfällt. An die Auslaßöffnung 7b ist ein Auslaß 10 angeschlossen, der senkrecht zur Bodenfläche 7a 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, die mit der Wand der Umlaufkammer 6 verbunden ist, eingesetzt, so daß die obere Fläche des länglichen zylindrischen Teils 15 gleich­ zeitig die Bodenfläche 7a der Umlaufkammer 6 ist, und eine Mittelbohrung dieses zylindrischen Teiles 15 ist dann der Fluidauslaß 10. Es ist ein O-Ring 12 vorgesehen, der das längliche zylindrische Teil 15 mit der ringför­ migen Hülse 16 abdichtet.

In der Umlaufkammer 6 befindet sich ein etwa kegelförmiges vorstehendes Element 13, das von der oberen Fläche oder Deckfläche 8a der Umlaufkammer 6 vorsteht, und die Achse des kegelförmigen vorstehenden Elementes 13 fällt mit der Umlaufachse der Umlaufkammer 6 zusammen. Eine Kugel 11 aus magnetisierbarem Material mit Spiegelglanz-Oberfläche ist zwischen der sich verjüngenden Fläche des kegelförmigen vorstehenden Elementes 13 und der Bodenfläche 7a der Umlaufkammer so eingeschlossen, daß die Kugel 11 längs eines Kanals läuft, der durch die Seitenfläche 8b der Umlaufkammer 6, die sich verjüngende Fläche des vorstehenden Elementes 13 und die Bodenfläche 7a der Umlaufkammer 6 gebildet ist. Wie in Fig. 1 zu sehen, ist der Abstand E zwischen der Spitze 13a des vorstehenden Elementes 13 und dem Umfang der Auslaßöffnung 7b 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 8d der Umlaufkammer 6 liegt über der Kugel 11 und das vorstehende Element 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 8b des kegelförmigen Abschnittes 8 und die Bodenfläche 7a der Umlaufkammer 6 berührt.

An der äußeren Wand 6a der Umlaufkammer 6 ist eine Erfassungsschaltung 14 vorgesehen, die die Anzahl der Umläufe der Kugel 11 erfaßt und ein elektrisches Impulssignal entsprechend der erfaßten Umlauffrequenz erzeugt. Eine derartige Erfassungsschaltung ist aus mehreren Veröffentlichungen bekannt, z. B. aus der JP-A-59/153123, 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 7a der Umlaufkammer 6 austritt. Gleichzeitig wird die in der Umlaufkammer 6 enthaltene Kugel 11 um das vorstehende Element 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 8b des kegelstumpfförmigen Abschnittes 8 und der Bodenfläche 7a der Umlaufkammer 6 (oder dem Umfang der Auslaßöffnung 7b) 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 8b 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 8d des Fluideinlasses 9 weiter oben als der oberste Teil 11a 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 13a des vorste­ henden Elementes 13 und dem Umfang der Ausflußöffnung 7b 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 Umlauffrequenz der Kugel 11 in Hz angegeben. Die normalerweise erhaltene Kurve A kann entsprechend dem Einsatzgebiet der Strömungs-Meßvorrichtung angepaßt werden. Wenn beispielsweise der Innendurchmesser d₁ 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 d₂ des Fluid­ auslasses 10 geändert werden, so daß den unterschied­ lichen Bedingungen Rechnung getragen werden kann.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erfassung einer Strömungsmenge eines Fluids mit einem Gehäuse, in dem sich eine Umlaufkammer befin­ det, deren Horizontalschnitt kreisförmig ist und die eine in Tangentialrichtung der Umlaufkammer angeordnete Einlaß­ öffnung und eine in einem Mittenabschnitt einer Bodenfläche der Umlaufkammer angeordnete Auslaßöff­ nung aufweist, wobei das Fluid durch die Einlaßöffnung einläuft und durch die Auslaßöffnung austritt, mit einem längs der Achse der Umlaufkammer vertikal nach unten von der oberen Wand vorstehenden Element, mit einer Kugel, die in der Umlaufkammer so angeordnet ist, daß sie um das vorstehende Element und längs einer Wand der Umlaufkammer bei durchströmendem Fluid umläuft, wobei die Einlaßöffnung oberhalb des obersten Teils der Kugel angeordnet ist, und mit einer Erfassungseinheit zur Erfassung der Umlaufzahl der Kugel und damit zur Messung der Strömungsmenge des Fluids, dadurch gekennzeichnet, daß das vorstehende Element (13) mindestens im Bereich seinen freien Endes eine Kegelform aufweist, wobei dessen Durchmesser mit Abstand von der oberen Wand (8a) der Umlaufkammer (6) abnimmt und die Umlaufkammer (6) einen kegelstumpfförmigen Abschnitt (8b) besitzt, dessen Durchmesser nach oben hin abnimmt, so daß die Kugel (11) eine Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Abschnitts (8b) der Umlaufkammer (6) berührt und um das vorstehende Element (13) umläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufkammer (6) bodenseitig einen zylindrischen Abschnitt (7) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorstehende Element (13) wandseitig einen zylin­ drischen Abschnitt umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorstehende Element (13) Kegelform hat.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (E) zwischen der Kegelspitze (13a) des vorste­ henden Elements (13) und dem Umfang der Auslaßöffnung (7b) kleiner als der Durchmesser (F) der Kugel (11) ist.