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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Strömungssensor mit:
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- einem zylindrischen Gehäuse, das als Strömungsrohr wirkt
und eine definierte Achse aufweist,
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- einem Rotor, der innerhalb des Gehäuses mit seiner
Rotationswelle entlang der definierten Achse angeordnet ist, wobei
der Rotor eine Mehrzahl von Schaufeln hat,
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- einer Strömungs-Ausrichtungs-Einrichtung, die in dem
Gehäuse stromaufwärts des Rotors angebracht ist und eine
Mehrzahl von Strömungs-Ausrichtungs-Schaufeln, die von der
Innenwand des Gehäuses vorstehen und eine sich schraubenförmig
bewegende Strömung zum Rotieren des Rotors erzeugen, und ein
zentral angeordnetes Teil aufweist, das in der Nähe der
Strömungs-Ausrichtungs-Schaufeln angeordnet ist, um einen
ringförmigen Strömungsdurchgang zwischen seinem äußeren
Umfang und der Innenwand des Gehäuses zu definieren,
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- einem Brückenteil, das in dem Gehäuse stromabwärts des
Rotors angebracht ist,
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- wobei der Rotor in Lagern montiert ist, die in dem zentral
angeordneten Teil und in dem Brückenteil vorgesehen sind.
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Strömungsmesser für gasförmige oder flüssige Fluide, bei
denen das Fluid in einem Gehäuse zum Wirbeln gebracht wird,
damit es einen in diesem Gehäuse angebrachten Rotor
beaufschlagen kann, sind bekannt, wovon in der Deutschen
Auslegeschrift 1 279 355 ein Beispiel mit einer zylindrischen
Kammer gegeben ist, in der Ablenkschaufeln vorgesehen sind. Bei
dem Strömungsmesser gemäß diesem DE-Dokument wäre ein
Zusammenbau aus mehreren Stücken erforderlich, was das Gießen
oder Spritzen der wesentlichen Elemente in einem Schritt
ausschließt. Eine Lösung wurde auch in "Velocity Flowmeters
R.W. Henke, Seite 95" vorgeschlagen.
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Andere Strukturen sind in den folgenden Patenten oder
Patentanmeldungen beschrieben: EP 0 228 577, NL 7909271 und NL
8003374.
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Die Arbeitsweise des Strömungsmessers gemäß dem Stand der
Technik basiert auf einem einfachen Prinzip. In einem
zylindrischen Gehäuse ist eine schneckenartiges
Strömungs-Ausrichtungs-Einrichtung angebracht, die eine spiralförmige
Bewegung auf das axial durch das Gehäuse zirkulierende Fluid
ausübt.
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Durch Zählen der Drehungen des Rotors kann eine Ablesung
erhalten werden, die der Durchflußmenge des Fluids entspricht.
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Man wird beobachten, daß bei den gemäß dem Stand der Technik
beschriebenen Strömungsmessern die Strömungs-Ausrichtungs-
Schaufeln als ein Einsatz hergestellt werden müssen. Die
Aufgabe des Einsatzes ist es eindeutig, das
hindurchfließende Fluid zum Wirbeln zu bringen.
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Solche mit Einsätzen versehene Strömungsmesser weisen jedoch
auch schwerwiegende Nachteile auf. Es erschien z.B. sehr
schwierig, den Einsatz, der dicht in das Gehäuse passen muß,
mit einer großen Präzision und ohne gegenseitige Abweichung
(Abweichung > 1%) herzustellen.
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Dieser Einsatz wurde mittels einer sogenannten
Schraubenformung aus synthetischem Material hergestellt. Die Ränder der
schraubenförmigen Kanäle des Einsatzes sind ''scharf''. In der
Praxis bedeutet dies, daß das "Entformen" aus der Form
leicht zerfranste Enden und andere Unregelmäßigkeiten
verursachen wird. Aufgrund der scharfen Kanten ist die
Materialdicke der schraubenformigen Kanäle nicht überall gleich. Bei
dem synthetischen Material bedeutet dies, daß eine
Nachbehandlung / Aushärten dieser Materialien bei der Herstellung
des Einsatzes äußerst kritische Schranken erfährt.
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Es kann hilfreich sein, anzugeben, daß dieser Einsatz
(normalerweise vier schraubenförmige Kanäle) in vielen Fällen
Abmessungen von 4,6 mm x 4 mm hat. Die Kanalbreite beträgt
dann höchstens 1 mm, wohingegen die Wanddicke zwischen 0,4
mm und 0,2 mm beträgt. Eine Abweichung von 0,05 mm
impliziert, daß der Öffnungs-Fülleinsatz, der bereits mit Druck
angebracht werden muß, einen zusätzlichen Druck erhält, der
mit dem Auge nicht erfaßbar ist und der die Genauigkeit oder
Exaktheit der Messung negativ beeinflußt. Es wurde
experimentell festgestellt, daß bei den Flüssigkeitsmessern gemäß
dem obengenannten Stand der Technik ab einer Abweichung von
0,02 mm beim Herstellen des Einsatzes bereits eine
Strömungsabweichung erhalten wird, die in Prozenten ausgedrückt
werden kann. Trotz dieser Nachteile, die sich sowohl auf die
Herstellung des Einsatzes sowie auch auf seinen Zusammenbau
in dem Gehäuse beziehen, bleibt diese Komponente der Kern
der Flüssigkeitsmesser. Weiterhin gibt es immer noch
unterschiedliche Gründe, aufgrund derer dieser Einsatz, der in
gewisser Weise als der Kern beider Strömungsmesser
bezeichnet werden kann, eine sehr problematische Komponente ist,
weil:
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(a) das Gehäuse des Einsatzes mit 1 mm dicken Wänden
versehen ist. Jede Abweichung < 0,01 mm während des Pressens
des synthetischen Materials und der resultierenden
Filmbildung bewirkt eine Meßabweichung von einigen
Prozenten;
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(b) wie bereits beschrieben, muß der Einsatz
schraubenförmig in dem Gehäuse zusammengesetzt werden. Dies erfolgt
mittels einer Gegenform, mittels derer der Kopf des
Einsatzes durch das Ende der Gegenform zu dem Zeitpunkt
geschützt ist, wenn der Einsatz gegen die Stoppkante
positioniert wird;
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(c) nach Zusammenbau des Einsatzes muß der Strömungsmesser
geprüft werden, und zwar muß für jedes Meßgerät die
Abweichung festgestellt werden. Wie bereits zuvor
erklärt, werden die Wände der schraubenförmigen Kanäle,
die besser als der Einsatz bekannt sind, auch dazu
verwendet, das Festklemmen dieses Stückes in seinem
Gehäuse zu verwirklichen. Aufgrund der sehr kleinen
Abmessungen aller Komponenten beinhaltet jede Abweichung
< als 0,01 mm eine Deformation des Gehäuses, was einen
schlechten Einfluß auf das erwartete Ergebnis hat. Jede
Abweichung > 0,01 mm resultiert darin, daß die Qualität
des Festklemmens des Einsatzes in seinem Gehäuse
schlechter ist. Dies bedeutet, daß bei einem Vorspannen
von 0,020 mm eine Abweichung von 0,01 mm bereits 50%
darstellt.
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(d) Der "Kern" der Strömungsmesser kann nur geprüft werden,
wenn die zwei anderen elementaren Komponenten (d.h.
Gehäuse und Rotor) zusammengebaut sind. Man erhält
jedoch immer ein Produkt mit gegenseitigen Abweichungen.
Die Ähnlichkeit von zwei Strömungsmessern dieser Art
liegt innerhalb eines geringen Prozentsatzes. Keine
zwei Strömungsmesser dieser Art sind innerhalb eines
kleinen Prozentsatzes gleich. Der Grund, weshalb dies
nicht erreicht werden kann, liegt am Einsatz selbst.
Versuche, die Produktion von solchen und ähnlichen
Strömungsmessern zu automatisieren, hatten keinen
Erfolg. Die Gründe hierfür wurden oben an verschiedenen
Stellen erklärt. Dadurch ist eine größere Produktion
nicht möglich, da das Endprodukt immer ein
"heterogenes" Produkt sein wird und dadurch bleiben die
Zwischen-Meßkontrollen während der Produktion definitiv
für jeden Strömungsmesser weiterhin notwendig.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen Strömungssensor
zu konstruieren, insbesondere einen Fluid-Strömungsmesser
eines neuen und ursprünglichen Konzepts, der die oben
erwähnten Nachteile und sämtliche damit verbunden Probleme
überwindet, wodurch eine gute Produktionskapazität erhalten,
ein automatischer Zusammenbau der Komponenten sichergestellt
und ein Strömungssensor einer sehr hohen Qualität erwartet
werden kann.
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Um dies gemäß der Erfindung zu ermöglichen, ist ein
Strömungssensor der im ersten Absatz der Beschreibung
definierten Art, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß
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- das Gehäuse einen stromaufwärts angeordneten
Strömungsabschnitt von breiterem Innenquerschnitt und einen
stromabwärts angeordneten Strömungsabschnitt von kleinerem
Innenquerschnitt aufweist,
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- die Strömungs-Ausrichtungs-Schaufeln in dem stromaufwärts
angeordneten Abschnitt durch einstückiges Gießen mit dem
Gehäuse in einem Herstellungsschritt gebildet sind,
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- das zentral angeordnete Teil, das als eine Stopp-Platte in
bezug auf die direkt von dem breiteren Abschnitt zu dem
schmaleren Abschnitt gerichtete Strömung wirkt, jedoch diese
nach außen zu dem ringförmigen Strömungsdurchgang ablenkt,
auch in dem stromaufwärts angeordneten Abschnitt angeordnet
ist, jedoch als einzelnes Stück unabhängig von den
Strömungs-Ausrichtungs-Schaufeln gebildet ist, und zumindest auf
der dem Rotor zugewandten Seite eine Querschnittsfläche hat,
die größer als der Querschnitt des schmaleren Abschnitts
ist.
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Bei einem bevorzugt ausgeführten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist mindestens einer, bevorzugt jedoch mehrere
Durchgänge zwischen der Stopp-Platte und der Innenwand des
Gehäuses vorgesehen, wobei die Innenwand des Gehäuses
mehrere, z.B. vier kontinuierliche Vorsprünge aufweist, zwischen
welchen die Stopp-Platte festgeklemmt ist.
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Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Stopp-Platte an
der von dem Rotor abgewandten Seite mit einem Ansatz
versehen, um das zirkulierende Fluid in Richtung auf die
Durchgänge auszurichten.
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Eine sehr beachtliche Eigenschaft der Erfindung besteht
darin, daß die Stopp-Platte an der von dem Ansatz abgewandten
Seite mit einer scheibenförmigen Verdickung (dieser Scheibe)
versehen ist, wobei die scheibenförmige Verdickung zusammen
mit den Ausrichtungs-Schaufeln die Strömungseigenschaften
des Fluids in Abhängigkeit von der Höhe der Verdickung
beeinflußt.
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Die Ausrichtungs-Schaufeln, die für die Erfindung sehr
charakteristisch sind, können mehrere Formen haben, um das
zirkulierende Fluid in einen Wirbelstrom umzuwandeln. Diese
verschiedenen Ausführungsformen werden nachfolgend
beschrieben und separat behandelt.
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Andere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung eines Strömungssensors,
insbesondere eines Fluid-Strömungsmessers gemäß der Erfindung.
Diese Beschreibung ist nur beispielhaft und schränkt die
Erfindung nicht ein. Die Bezugszeichen beziehen sich auf die
beigefügten Zeichnungen.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Strömungssensor
gemäß der Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Sensor gemäß Fig. 1,
wobei die Stopp-Platte und der Rotor weggelassen
wurden;
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Fig. 3 bis 6 zeigen vier mögliche Ausführungsformen der
Ausrichtungs-Schaufeln gemäß der Erfindung;
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Fig. 7 bis 13 zeigen Seitenansichten in einem anderen
Maßstab von verschiedenen Ausführungsformen des
stromaufwärts angeordneten Teils der Stopp-Platte eines
Sensors gemäß der Erfindung;
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Fig. 14 zeigt auch eine Seitenansicht einer Stopp-Platte,
deren eine Seite eine Verdickung aufweist, deren
Höhe die Strömungseigenschaften des Fluids
beeinflußt.
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Dieser in den verschiedenen Figuren gezeigte Strömungssensor
besteht aus einem Gehäuse 1 mit breiteren und schmaleren
Zwischenräumen 2 bzw. 3. Ein Rotor 4 ist in der Mittelachse
des Gehäuses 1 im wesentlichen an der Trennebene zwischen
dem breiteren Zwischenraum 2 und dem schmaleren Zwischenraum
3 angeordnet.
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Stromaufwärts des Rotors 4 ist dessen Welle 5 in einer
Stopp-Platte 6 gelagert, wohingegen stromabwärts des
eigentlichen Rotors das Ende der Welle 5 in einer Brücke 7
gelagert ist, die sich in zwei Richtungen durch den Zwischenraum
2 des Gehäuses 1 erstreckt. Die Brücke 7 besteht aus einer
kreuzförmigen Komponente. Beide Enden der Welle 5 des
Rotors 4 enden in einer Spitze oder einer anderen Form und um
den automatischen und mechanischen Zusammenbau des Rotors
unter guten Bedingungen sicherzustellen, weisen die
Stopp-Platte 6 sowie auch die Brücke 7 konisch gebohrte oder
gefräste Öffnungen 8 und 8' auf.
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Die Stopp-Platte 6 ist zwischen vier sich nach innen
erstreckenden Vorsprüngen 9 (Fig. 2) festgeklemmt. Die
scheibenförmige Stopp-Platte 6 kann somit sehr leicht in ihre
Stelle in dem Gehäuse 1 geschoben und festgeklemmt werden,
zumindest in dem breiteren Zwischenraum 2 des Gehäuses
zwischen den vier kontinuierlichen Vorsprüngen 9. Eine solche
Anordnung macht den Zusammenbau der Komponenten sehr viel
einfacher.
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Zwischen der Innenwand des Gehäuses 1 in der Nähe dessen
breiteren Zwischenraums 2 und der äußeren Kante der Stopp-
Platte 6 werden somit vier Durchgänge 10 geformt. Das in dem
Gehäuse 1 von dem Zwischenraum 2 zum Zwischenraum 3
zirkulierende Fluid treibt somit die Blätter 4' des Rotors 4 in
Richtung der Blätter 4' an. Um dies zu erreichen, gibt es
erfindungsgemäß mehrere Möglichkeiten.
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Kennzeichnend für die Erfindung ist die Tatsache, daß diese
Ausrichtungs-Schaufeln einstückig mit dem Gehäuse 1 und der
Brücke 7 gebildet sind. Die aus diesem Konzept
resultierenden großen Vorteile sind eindeutig. Im Gegensatz zu den
eingangs erklärten Strukturen, bei denen ein Einsatz verwendet
wird, kann nun tatsächlich der wesentliche Teil des
Strömungssensors in einem Schritt hergestellt werden. Wie
bereits erwähnt, umfaßt der wesentliche Teil des
Strömungssensors das Gehäuse 1, die Brücke 7 und die
Ausrichtungs-Schaufeln, deren verschiedene mögliche Ausführungsformen
beschrieben werden.
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Zuerst kann bereits die Tatsache herausgestellt werden, daß
stromaufwärts der Stopp-Platte 6 ein Stift 11 vorgesehen
werden kann (Figur 7). Dieser Stift ist insbesondere dafür
vorgesehen, den automatischen Zusammenbau der Stopp-Platte 6
zu ermöglichen.
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Um die aero- oder hydrodynamische Struktur des durch den
Zwischenraum 2 zum Zwischenraum 3 sich bewegenden Fluids zu
optimieren, kann ein Ansatz, der Teil der Stopp-Platte 6
ist, vorgesehen werden, wobei der Stift 11 verbleibt oder
durch den Ansatz ersetzt wird. Dieser Ansatz kann
verschiedene Formen aufweisen. Gemäß Fig. 8 kann dieser Ansatz die
Form eines Dreiecks 12 annehmen, wohingegen dies in Fig. 9
ein kleineres Dreieck 13 sein kann, dessen Grundfläche mit
einem Rechteck 14 deckungsgleich ist.
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Eine weitere mögliche Ausführungsform ist in Fig. 10
gezeigt, die einen dreieckigen Ansatz 15 mit zwei konkaven
Seiten darstellt. Eine weitere, unter aero- oder
hydrodynamischen Gesichtspunkten betrachtet, weniger vorteilhafte
Ausführungsform besteht aus einem Rechteck 16 (Fig. 11).
Schließlich kann derselbe Effekt auch erhalten werden, indem
ein gewölbt geformt er Körper 17 mit bogenförmig angeordneten
Ebenen (Fig. 12) verwendet wird.
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Der Ansatz 17' gemäß Fig. 13 hat eine Spitzbogenform.
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Die Ausrichtungs-Schaufeln, die, wie bereits betont,
zusammen mit der Brücke 7 Teil des Gehäuses des Strömungssensors
sind, können mehrere Formen annehmen, von denen vier in
Figuren 3 bis 6 beispielhaft gezeigt sind.
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Eine erste Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt, in der die
Ausrichtungs-Schaufeln 18 ein solches Profil zeigen, daß
zwischen zwei benachbarten Seiten von solchen Elementen ein
gebogener Kanal gebildet wird, dessen Seitenwände im
wesentlichen parallel sind. Die Art und Weise, wie das eintretende
Fluid durch die Ausrichtungs-Schaufeln 18 gewirbelt wird,
ist durch die Pfeile dargestellt.
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In Fig. 4 wird das Fluid auch durch gekrümmte Ausrichtungs-
Schaufeln 19 gewirbelt, die teilweise eine gerade Wand 20
darstellen, die zusammen mit der Wand 21 einer angrenzenden
Ausrichtungs-Schaufel 19 einen Kanal mit zwei parallelen
Wänden bilden. Auch in diesem Fall wird das Fluid dadurch
gewirbelt, daß das eintretende Fluid gegen die konkave
Innenseite 22 einer Ausrichtungs-Schaufel abgelenkt wird.
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Fig. 5 zeigt eine besondere Ausführungsform, bei der die
Ausrichtungs-Schaufeln 23 beinahe dreieckförmige Abschnitte
aufweisen und so angeordnet sind, daß das eintretende Fluid,
das zwischen zwei parallelen Wänden 24 und 25 der jeweiligen
Elemente geführt ist, immer noch gemäß demselben Prinzip
gewirbelt wird.
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Die Variante gemäß Fig. 6 steht in Bezug zu der
Ausführungsform
gemäß Fig. 3 mit der Ausnahme, daß zwischen zwei
Ausrichtungs-Schaufeln 26 ein keilförmiger Kanal gebildet ist.
Die Seiten 27 und 28 der zwei benachbarten Elemente
definieren tatsächlich einen Kanal, der in der Richtung der Pfeile
enger wird. Das eintretende Fluid wird jedoch durch die
konkave Wand 29 und durch den konkaven Teil der Wand 29 jeder
Ausrichtungs-Schaufel abgelenkt.
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Eine analoge Anordnung der Ausrichtungs-Schaufeln ist in
Fig. 2 gezeigt, in der zwei elektronische Elemente 30 und 31
zum Messen der Fluid-Strömungsgeschwindigkeit mittels eines
Infrarot-Strahls und/oder eines Voltmeters diametral
gegenüber voneinander vorgesehen sind. Bei dieser mit der
Ausführungsform gemäß Fig. 3 in Bezug stehenden Ausführungsform
begrenzen die Ausrichtungs-Schaufeln 32 Kanäle 32', deren
Abschnitt sich progressiv in Richtung auf den Auslaß
verringert.
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Bei der neuen Struktur des Strömungssensors gemäß der
Erfindung sollte die Rolle, die die Stopp-Platte erfüllen kann,
noch dargelegt werden.
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Durch Vorsehen einer Verdickung 33 (Fig. 14) auf der Seite
der dem Rotor 4 zugewandten Stopp-Platte 6, können die
Strömungseigenschaften des Fluids und seine Wirkung auf den
Rotor 4 beeinflußt werden.
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In Abhängigkeit von den Bedürfnissen der
Strömungssensor-Benutzer, können Stopp-Platten geliefert werden, deren
Verdikkungen unterschiedliche Höhen haben. Fig. 14 zeigt eine
Stopp-Platte 6 einer gewissen Höhe. Es wird sofort deutlich,
daß durch Verwendung von Stopp-Platten von unterschiedlichen
Höhen die "Kanalgröße" des von den Ausrichtungs-Schaufeln
gebildeten Kanals begrenzt wird. Dies bietet den sehr großen
Vorteil, daß der Strömungssensor an die Erfordernisse des
Benutzers angepaßt werden kann, ohne die Grundform
modifizieren zu müssen, in der das Gehäuse, Brücke mit
Ausrichtungs-Schaufeln in einem Spritzverfahren-Schritt gebildet
werden.
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Da der Strömungssensor in dem Gebiet, in dem er verwendet
wird, so linear wie möglich sein muß, entsteht nun eine
sogenannte variable Strömungssteuerung gemäß den Bedürfnissen.
Dasselbe mit einer Stopp-Platte 6 ausgerüstete Gehäuse wird
somit, wie bereits erklärt, zu vollkommen unterschiedlichen
Strömungscharakteristiken führen.
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In der Praxis müssen unter Berücksichtigung der bekannten
Bedürfnisse auf dem Markt, mindestens sieben verschiedene
Sensoren verwendet werden, wenn die bis jetzt bekannten
Techniken durchgeführt werden sollen.
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Bei den Strukturen gemäß der Erfindung werden dieselben
Anforderungen erfüllt, z.B. indem drei verschiedene Gehäuse
geliefert werden, die in Kombination mit Stopp-Platten mit
angepaßten Verdickungshöhen verwendet werden können.
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Es wird sofort deutlich, daß sowohl unter dem Gesichtspunkt
der "Produktion" als auch der "Verwendung", der
Strömungssensor eine sehr bedeutende Verbesserung darstellt. Diese
Bemerkung gilt ebenfalls für die Ausrichtungs-Schaufeln, die
im aberbegriff in bezug auf die Struktur der Stopp-Platte
erörtert wurden und zwar sowohl in bezug auf "Produktion"
als auch "Verwendung".
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Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf die oben
beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt ist und daß viele
Modifikationen an diesen durchgeführt werden können. Erstens ist
es klar, daß die Anzahl der Ausrichtungs-Schaufeln pro
Strömungssensor nicht wie in den gezeigten Beispielen auf vier
begrenzt ist. Mindestens eine Ausrichtungs-Schaufel kann
dasselbe Ergebnis erzielen. Die Verdickung 33 an den Stopp-
Platten 6 kann sehr unterschiedliche Höhen oder
Eigenschaften haben.