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Mengenzähler mit einem rotierenden Schaufelradpaar für in Rohrleitungen
strömende Flüssigkeiten und Gase
Bei Mengenzählern mit rotierendem Meßglied für in
Rohrleitungen strömende Flüssigkeiten und Gase (dazu gehören sowohl Drehkolben-
und sonstige Kapselzähler wie auch Woltmann-, Schraubenrad- und sonstige Meßradzähler)
ist bekanntlich der Meßbereich, d. h. das Verhältnis der maximalen zur minimalen
Leistung, wegen des am Meßglied auftretenden Schlupfes unerwünscht klein. Das gilt
in verstärktem Maße, wenn es sich um die Messung von Mitteln geringer Zähigkeit
und Wichte, also insbesondere von Gasen, handelt, bei welcher dieses Verhältails
meist unter 10 : 1 liegt.
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Da es nun bisher mit keinem der bekannten Mittel möglich war, den
Schlupf am Meßglied noch weiter zu vermindern, hilft man sich zur Zeit allgemein
damit, den unterhalb der unteren Meßbereichgrenze dieser Zähler liegenden Durchgang
durch einen kleinen Nebenzähler zu erfassen, welcher dem Hauptzähler in Verbundschaltung
zugeordnet ist.
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Die für diesen Zweck benötigten Umschaltvorrichtungen bringen aber
nicht nur eine erhebliche Verteuerung der Meßanlage mit sich, sondern haben außerdem
den Nachteil, daß sich mit ihnen eine Strömung in umgekehrtem Sinne, z. B. eine
Rückströmung, nicht erfassen läßt.
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Durch die Erfindung wird ein Mengenzähler mit einem rotierenden Schaufelradpaar
geschaffen, welchem die beschriebenen Mängel nicht anhaften und dessen Meßbereichgrenzen
sowohl nach unten wie auch nach oben erheblich über das bisher Erreichte erweitert
sind.
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Die Erfindung besteht im Grundsätzlichen darin, daß bei dem abdichtend
eingekapselten Paar über ihre Wellen miteinander gekuppelter Schaufelräder diese
mit einem Radboden versehen und mit gegeneinander gerichteten Schaufeln auf zueinander
ge-
neigten Wellen in solchem Abstand angeordnet sind, daß ihre
Schaufeln auf der einen Seite völlig, auf der anderen Seite dagegen nicht oder nur
ein wenig ineinander eingreifen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Schaufeln
nur des einen der beiden Räder im wesentlichen plattenförmig ausgebildet sind, während
die des anderen eine Profilierung besitzen, welche durch die relative Kopfbahn der
Schaufeln des einen Rades zwischen je zwei benachbarten Schaufeln des anderen bestimmt
ist.
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In der Zeichnung ist eine vorzugsweise Ausführung der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigen die Fig. I und 2 axial geführte Senkschnitte, Fig. 3 einen Horizontalschnitt
mit einer Draufsicht auf das untere der beiden Schaufelräder, Filg. 4 ein Diagramm
zur Erläuterung der Wirkungsweise und Fig. 5 einen Teil der Fig. 4 in vergrößertem
Maßstab.
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In einem zylindrischen Gehäuse 1 mit den Flanschen 2 und 3 sitzt
eine kugelförmige Kapsel, welche aus zwei an den Flanschen 4 und 5 fest und abdichtend
miteinander verbundenen Teilen 6 und 7 besteht, von denen der obere, 6, mit dem
Flansch 8 abdichtend auf dem Flansch 2 festgezogen ist und den unteren, 7, mit dem
Flansch g auf den Flansch 3 des Gehäuses I abdichtend aufpreßt. Auf dem oberen Kapselteil
6 sind einander gegenüber zwei Längsrippen 10 und II, am unteren Kapselteil 7 zwei
entsprechende Längsrippen 12 und I3 vorgesehen. Sie schließen, ebenso wie die Flansche
4 und 5, abdichtend an die Innenwand des Gehäuses I an.
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Die Böden I4 und I5 der beiden Kapselteile 6 und 7 sind gegeneinander
geneigt. Der obere Boden I4 trägt in seiner Mitte eine Lagerbuchse I6 für die Welle
I7 und der untere Boden 15 eine Lagerbuchse I8 für die Welle 19. Auf der Welle I7
sitzt ein Schaufelrad, bestehend aus einem vorzugsweise als Hohlkörper ausgebildeten
Boden 20, welcher vom Rande her bis zu einer in seiner Mittelzone vorgesehenen hohlkugeligen
Vertiefung2I ansteigt und radial ange>rdneteS nach unten gerichtete Schaufeln
22 trägt. Auf der Welle 19 sitzt ein zweites entsprechend ausgebildetes Schaufelrad,
bestehend aus einem Boden 23, welcher vom Rande her bis zu einer in seiner Mittelzone
vorgesehenen hohlkugeligen Vertiefung 24 ansteigt und radial angeordnete, senkrecht
nach oben gerichtete Schaufeln 25 trägt. Die Welle 19 ist am unteren Ende auf einer
Kugel 26 gelagert.
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In dem hohlkugelig vertieften Mittelteil 21 des Bodens 20 ist eine
Kugelschale 27 befestigt, die sich unter Wahrung eines geringen Spiels dem hohlkugelig
vertieften Mittelteil 24 des Bodens 23 anschmiegt. Die Außenkanten der Schaufeln
22 und 25 sind der Hohlkugelform der Kapselteile 6 und 7 angepaßt und lassen gerade
so viel Spiel. daß die Schaufeln an der Kapselwandung frei vorbeigehen und damit
die Drehbewegung der Schaufelräder gewährleistet ist. Die Innenkanten der Schaufeln
sind der Form der Kugelschale 27 angepaßt, wobei diejenigen der oberen Schaufeln
22 mit der Kugelschale27 fest verbunden sind, während sich diejenigen der unteren
Schaufeln 25 mit kaum merklichem Spiel der Kugelschale 27 anschmiegen.
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Die Welle 17 ist am unteren Ende als Spitze 28 ausgebildet, mit welcher
sie in dem als Pfanne ausgebildeten Kopf 29 der unteren Welle 19 ruht.
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Dieser Stützpunkt ist zugleich Mittelpunkt aller kugeligen Teile des
Zählers.
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An Stelle der Spitzenlagerung kann natürlich auch jede andere Pendellagerung
verwendet werden, und da sich beide Wellen I7 und 19 gleich schnell drehen, z. B.
auch ein Kardangelenk, welches dann zugleich als Sicherung für diesen Gleichlauf
dienen würde. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Sicherung durch
Stifte 30 bewirkt, die an der hohlkugeligen mittleren Vertiefung 24 des Bodens 23
befestigt sind und in entsprechend angeordnete Schlitze 3I der Kugelschale 27 eingreifen.
Der Einfachheit halber ist in Fig. I nur je einer dieser Stifte 30 und Schlitze
3I dargestellt.
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Die Kapselteile 6 und 7 sind mit Öffnungen 32, (33) und 34, (35)
versehen, welche den Meßraum im Innern der Kapsel mit den Ein- und Ausgangsstutzen
36 und 37 des Gehäuses I (Fig. 3i verbinden. In den Fig. I und 2 sind die Öffnungen
33 und 35 und in Fig. 3 die Öffnungen 32 und 33, da sie sich oberhalb der Zeichnungsebene
befinden, nicht sichtbar.
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Wie die Fig. I erkennen läßt, greifen infolge der zueinander geneigten
Laufebenen der Räder deren Schaufeln 22 und 25 verschieden tief ineinander ein.
Auf der einen Seite überdecken sie sich völlig oder nahezu völlig, auf der anderen
nur ein wenig.
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Da zufolge der beschriebenen Anordnung die vom Nießmittel beaufschlagte
Schaufelfläche auf der einen Seite etwa doppelt so groß ist wie auf der anderen,
kann sich das Schaufelradpaar immer nur im Sinne des Druckabfalles an der größeren
Fläche drehen. Dabei folgt der Volumenvergrößerung nur auf der Einströmseite stets
eine entsprechende Volumenverkleinerung auf der Ausströmseite, so daß sich dort
ein zwangsläufiger Ausstoß des gemessenen Volumens ergibt.
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Welche gegenseitigen Lagen die Schaufeln des oberen und des unteren
Rades bei einer Umdrehung nacheinander einnehmen, ist aus der Fig. 4 ersichtlich,
in welcher die sich an den hohlkugeligen Innenwänden der Kapselteile 6 und 7 vorbeibewegenden
Außenkanten der Schaufelräder, d. h. der Böden 20 und 23 sowie der Schaufeln 22
und 25, abgerollt in einer Ebene dargestellt sind. Dabei ist der Einfachheit halber
die Abrollung des unteren Schaufelrades gestreckt gezeichnet, während die Abrollung
des oberen Rades eine Sinuslinie ergibt.
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Ihr zufolge besitzen die äußeren Schaufelkanten des oberen Rades je
nach dem Winkel, um den die Schaufeln 22 aus der durch die Wellenachsen bestimmten
Ebene (Zeichenebene) herausgedreht sind, eine mehr oder weniger starke Neigung gegen
die benachbarten Schaufeln 25 des unteren Rades.
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Als Schaufelabstand ist hier die halbe Schaufelteilung gewählt.
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Ferner zeigt Fig. 4 auch die erwähnte vorzugsweise Ausbildung, bei
welcher nur die Schaufeln des einen Rades eine ebene Plattenform besitzen, diejenigen
des anderen dagegen eine Profilierung, welche durch die relative Kopfbahn der Schaufeln
des einen zwischen je zwei benachbarten Schaufeln des anderen Rades bestimmt ist.
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Diese Kopfbahn (linke Kurve 39), ergibt sich ohne weiteres, wenn
man die Punkte 38, welche hier die Unterkanten der Schaufeln 22 des oberen Rades
darstellen, für alle Stellungen, die sie bei einer Umdrehung nacheinander einnehmen,
auf den zwischen zwei benachbarten Schaufeln 25 befindlichen Teil der Zeichenebene
überträgt.
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Das aus dieser Kopfbahn resultierende Außenprofil der Schaufeln 25
ist nun mit entsprechender Verjüngung zum Achsenschnittpunkt der Schaufelradwellen
hin auf die ganze Schaufellänge übertragen und ergibt dadurch eine (dem Eingriff
zweier Kegelräder ähnliche) enge Anlage der Schaufeln des oberen gegen die des unteren
Rades, durch welche der Gasdurchtritt zwischen beiden Rädern hochgradig vermindert
wird. Da sich außerdem zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Zählers stets eine
größere Anzahl von Schaufelpaaren bewegt, welche diese hochgradige Abdichtung gleichzeitig
ausüben, und ferner die Schaufelräder die Leichtgängigkeit von Flügelrädern besitzen,
sinkt der Schlupf auf einen minimalen Betrag, welcher bisher bei Mengenzählern mit
rotierendem Meßglied für unerreichbar galt.
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Infolge dieser Ausbildung muß bei dem erfindungsgemäßen Zähler, in
welchem die vorteilhaften Eigenschaften eines Flügelrad- oder Turbinenradzählers
mit denen eines Volumenzählers nach Art des Drehkolbenzählers vereinigt sind, die
untere Meßbereichgrenze sehr viel tiefer und die obere Meßbereichgrenze sehr viel
höher liegen als bei allen bekannten Mengenzählern mit rotierendem Meßglied.
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Am oberen Teil der Kopfbahn 39 ist eine Unterbrechung4o-4I erkennbar.
Sie ist notwendig, um die während der Rotation des Schaufelradpaares auftretende
Relativbewegung der Schaufeln 22 gegen die profilierten Schaufeln 25 zu gestatten.
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Aber sie hat zur Folge, daß auf dem ihr entsprechenden Stück 42-43-44-45
der Abrollung kein dichter Abschluß eintritt und daß daher dieses Stück kleiner
sein muß als die Entfernung zwischen den Eingangsöffnungen 32. 34 und den Ausgangsöffnungen
33, 35 auf der Innenwand der Kapsel 6, 7, um noch einen dichten Abschluß zwischen
Ein- und Ausgang des Zählers mit Hilfe der Schaufelpaare 22, 25 zu ermöglichen.
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Um das Stück 42-43-44-45 der Abrollung so klein wie möglich zu halten,
werden in weiterer Vervollkommnung der Erfindung die plattenförmigen Schaufeln 22
des einen der beiden Räder, wie in Fig. 4 (rechts) gezeigt, am Kopf 38 um das Stück
38-46 verlängert und l:eidersleits mit gleichlangen Ansätzen 47, 48 versehen. Bei
diesem kreuzförmigen Kopfprofil der Schaufeln 22 ergibt sich als relative Kopfbahn
die Kurve 49 und mit ihr das erforderliche entsprechende Profil der Schaufeln 25.
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Bei dieser Ausführung vermindert sich wegen der abdeckenden Wirkung
der seitlichen Ansätze 47, 48 der Bogen mit unvollkommener Abdichtung zwischen den
beiden Schaufelrädern bis auf die Länge 43-44, also auf ein Drittel der ursprünglichen
Größe, und die Anzahl der abdichtenden Schaufelpaare wird erhöht.
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Es ist aber nicht erforderlich, daß die Abdichtung ununterbrochen
während einer ganzen Umdrehung der Schaufelräder besteht und wirksam ist. Sie ist
z. B. nicht notwendig, während die Schaufeln 22, 25 sich an den Öffnungen 32, 34
und 33, 35 vorbeibewegen, also für die Zentriwinkel yl und , welche diesen Öffnungen
entsprechen. Man kann daher an dem Teil der relativen Kopfbahn, welcher diesem Zentriwinkel
entspricht, das Profil etwa in der in Fig.5 gezeigten Weise zurückspringen lassen.
Die dabei entstehenden rinnenartigen Vertiefungen 50, welche sich bis zum Außenrand
der Schaufeln erstrecken, ermöglichen es, daß etwa abgeschiedener Schmutz bei Betrieb
des Zählers fortlaufend selbsttätig ausgeschleudert wird.
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Eine weitere Vervollkommnung der Erfindung besteht darin, den Kopf
der Schaufeln 22 ganz oder teilweise, z. B. an den kreuzförmigen Ansätzen 46, 47.
48, federnd oder jin ellastischer Weise nachgiebig zu gestalten. Durch diese Maßnahme
wird vermieden, daß es, z. B. bei schmutzführendem Meßmittel, zu Festklemmungen
oder Ahsperrungen von Gas mit den damit verbundenen Gefahren kommt. Dabei ist es
vorteilhaft, diese Stellen mit einem diichtungsveribesserned,en tfberzug, vorzugsweise
aus Leder od. dgl., zu versehen.
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Die Verwirklichung der Erfindung ist nicht an das dargestellte und
beschriebene Ausführungsbeispiel gebunden, sondern läßt die verschiedensten Abwandlungen
zu. So kann man, um nur ein Beispiel zu nennen, an Stelle der bevorzugten kreisförmigen
oder einer poygonalen Außenberandung der Schaufeln auch eine geradlinig verlaufende,
z. B. parallel zur zugehörigen Radachse geführte, verwenden und dementsprechend
an Stelle der dargestellten kugeligen Kapselteile 6 und 7 solche von zylindrischer
Grundform. Da diese Ausführung ohne weiteres vorstellbar ist, bedarf sie keiner
besonderen zeichnerischen Darstellung.
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Ferner ist es nicht unbedingt notwendig, die Einkapseltrn,g der Schaufelräder
iin ein zusätzliches Gehäuse 1 einzubauen. Sie kann auch selbst als Gehäuse ausgebildet
sein, wobei dann die Einlaß-und Auslaßstutzen 36 und 37 unmittelbar an die Öffnungen
32, 34 und 33, 35 der Kapsel 6, 7 anzuschließen wären.
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Bei Ausführungen, bei denen die Schaufeln der beiden Räder auf der
einen Seite infolge starker Neigung der Radebenen nicht miteinander in Eingriff
gelangen, empfiehlt es sich, den zwischen den freien Kanten der Schaufeln bleibenden
Raum durch ein kugelsektorähnlich geformtes Paßstück auszufüllen. Für die Profilierung
der Schaufeln würde dann, wie ohne weiteres einzusehen, nur ein
Teil
der in den Fig. 4 und 5 dargestellten relativen Kopfbahn zur Verwendung kommen.
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PATENTAXSPRS'CHE I. Mengenzähler für in Rohrleitungen strömende SIittel
mit einem abdichtend eingekapselten Paar über ihre Wellen miteinander gekuppel teer
Schaufelräder, dadurch gekemlzeichnet, daß diese mit einem Radboden ausgerüstet
und mit gegeneinander gerichteten Schaufeln auf zueinander geneigten Wellen in solchem
Abstand angeordnet. sind. daß ihre Schaufeln auf der einen Seite völlig, auf der
anderen dagegen nicht oder nur ein wenig ineinander eingreifen.