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Durchflußmesser
Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchfluß-oder
Strömungsmesser, welcher dazu dient, die Durchflußgeschwindigkeit eines durch eine
Rollrleitung strömenden gasförmigne oder flüssigen Niediuins durch Messung des an
einer Drosselstelle der Rohrleitung auftretenden Differenzdruckes festzustellen.
Die vor und hinter der Drosselstelle auftretenden Drücke werden hierbei durch einen
in die Ivollrleitung eingebauten Differenzdruckbeber, welcher z. B. ans einer Staublende,
einer btaudüse, einem Venturirohr od. dgl. besteht, auf das Meßorgan des Durchflußmessers
übertragen, wobei der gemessene Differenzdruck ein hlaß für die Durchflußgeschwiindigkeit
ist.
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Diejenigen bekannten Durchflußmesser. bei denen der Differenzdruck
auf eine Quecksilbersäule wirkt, haben den Nachteil, daß sie bei einer Überschreitung
des maximal zulässigen Differenzdruckes versagen und daß sie in einer bestimmten
Lage angebracht werden müssen. Sie sind außerdem verhältnismäßig teuer und haben
eiiien erheblichen Raumbedarf.
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Man hat versucht. diese Nachteile durch Membran durchflußmesser zu
beseitigen, bei denen der Differenzdruck auf eine Meßmembren wirkt. Die bisher bekannten
Membrandurchflußmesser, welche entweder nach dem Kompensationsverfahren oder nach
dem Ausschlagverfahren arbeiten, werden zwar bei einer Überlastung im allgemeinen
nicht unbrauchbar, sind aber verhältnismäßig kompliziert und ebenfalls in der Herstellung
teuer. Auch erreichen sie nicht die Meßgenauigkeit der Quecksilbergeräte. Bei den
nach dem Ausschlagverfahren arbeitenden Durchflußmessern werden die Ausschläge der
sich unter der Wirkung des Differenz-
druckes elastisch verformenden
NIembran unmittlebar zur Messung des Differenzdruckes verwendet.
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Die hierbei auftretenden NIembranhübe sind verhältnismäßig groß. Sie
betragen bei den bekannten Geräten etwa 3 bis 10 mm. Bei diesen großen Ausschlägen
der Membran zeigen sich in dem elastischen SIaterial der Membran mechanische Hvstereseerscheinungen
und innere Reibungen, melde die Meßgenauigkeit stark beeinträchtigen. Hierzu kommen
noch die den großen Ausschlagwegen entsprechenden Reibungskräfte, svelche bei der
mechanischen Übertragung der Membrananusschläge aus dem Druckraum ins Freie auftreten.
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Durch die Erfindung wird bezweckt, diese Nachteile der bekannten,
nach dem Ausschlagverfahren arbeitenden Älembrandurchfiußmesser zu beseitigen.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin. daß die von der Meßmembran
unter der NVirkung des Difterenzdruckes ausgeübte Kraft auf einen außerhalb des
Druckraumes angeordneten Kraftumformer übertragen wird, welcher verhältnismäßig
kleine Israfthübe der NIeßmembran in entsprechend größere Ausschläge des Kraftmeßgerätes
umwandelt. Dieses Kreaftmeßgerät kann entweder als Zeigergerät oder als schreibendes
Registriergerät oder auch kombiniert als Zeiger- und Schreibgerät ausgebildet sein.
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Zweckmäßig wird die von der Meßmembran unter der Wirkung des Differenzdruckes
asgeübte Kraft mittels eines an der Meßmembran angreifenden. druckdicht aus dem
Druckraum des SIembrangehäuses herausgeführten A;'erbindungsgliedes auf den außerhalb
des Druckraumes angeordneten Israftumformer übertragen.
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Der Kraftumbformer kann in beliebiger Weise ausgebildet sein. Beispielsweise
kann er aus einer rein mechanisch wirkenden Einrichtung bestehen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besteht
jedoch der Kraftumformer aus einer hydraulisch wirkenden Einrichtung. Die Erfindung
wird daher im nachstehenden vor allem an Hand dieser vorzugsweise zur Anwendung
kommenden hydraulischen Israftumformungseinrichtung beschrieben, ohne jedoch die
Erfindung auf diese Ausführung zu begrenzen.
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Diese besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist somit im
wesenlichen dadurch gekennzeichnet. daß die von der SIeßmembran filter der Wirkung
des differenzdruckes ausgeübte Kraft auf einen außerhalb der Druckräume des Membrangehäuses
angeordneten hydraulischen Arbeitskörper übertragen wird, welcher die Druckkraft
der Meßmembran in einen Flüssigkeitsdruck umformt. dessen Höhe von einem an den
Flüssigkeitsraum des Arbeitskörpers angeschlossenen, anzeigenden oder schreibenden
Alanometer gemessen wird.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Kräfte, xvelche durch
den Differenzdruck auf die Mepmembran ausgeübt werden, nicht innerhalb des Druckraumes
durch eine entsprechende elastische Verformung der Membran selbst ausgewogen werden,
sondern daß diese Ausbiegung der Kräfte außerhalb des Druckraumes durch einen hydraulischen
Israftmesser erfolgt, welcher zu seiner Betätigung nur sehr kleine Bewegungen auszuführen
braucht. Durch entsprechende Bemessung der wirksamen Querschnitte des hydraulischen
Arbeitskörpers kann ohne weiteres ein so großes hydraulisches Übersetzungsverhältnis
erzielt werden, daß bereits Ausschläge der Meßmembran in der Größenordnung von etwa
O,I bis 0,5 mm ausreichen, um genügend große Ausschläge des Anzeige- oder Registrierorgans
des NIanometers herbeizuführen.
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Bei diesen kleinen Wegen ist die elastische Verformung der membran
so gering, daß sich die mechanische Hysterese oder die innere Reibung des Membbranmaterials
praktisch nicht mehr bemerkbar macht. Außerdem sind die sonstigen, bei der Kraftübertragung
auftretenden Reibungsersclleillungell entsprechend den außerordentlich kleinen Bewegungen
der Übertragungselemente so gering, daß sie ebenfalls praktisch vernachlässigt werden
können.
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Infolgedessen können sämtliche Bauteile des Durchflul3messers so
klein dimensioniert und so einfach gehalten werden, daß das Gerät wesentlich billiger
und kleiner als die bisher bekannten AIembrandurchfiußmesser hergestellt werden
kann.
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Auch das zur eigentlichen Kraftmessung dienende Manometer ist ein
sehr einfaches Instrument. welches die Herstellung des gesamten Gerätes verbilligt.
Dieses Manometer kann in besonders zweckmäßiger Weise, beispielsweise konzentrisch
zu dem membrangehäuse angeordnet werden, wodurch eine besonders gefällige, kleine
und geschlossene Form des Gerätes entsteht. Andererseits kann das Alanometer aber
auch mit dem hydraulischen Arbeitskörper durch eine längere Leitung verbunden werden,
um eine Ferniibertragung der Anzeige zu ermöglichen.
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Durch die außerordentlich kleinen erforderlichen Hübe der Meßmembran
wird der weitere Vorteil erzielt, daß das Volumen der Flüssigkeit oder des Gases,
welches in den vom Differenzdruckgeber zu dem Durchflußmesser führenden irlidruckleitungen
hin und her Iieiidelt, so gering list, daß die bei solchen Meßgeräten sonst unvermeidlichen
Nachteile, wie Gleichrichtungserscheinungen bei schnell wechselnden Wirkdrücken.
Notwendigkeit von Ausgleichsgefäßen am Druckgeber usw., hier nicht auftreten.
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Durch eine einfache Überdrucksicherung, svelche z. E. aus Anschlägen
zur Begrenzung der Membran bewegungen bestehen kann, kann der Durchflußmesser gemäß
der Erfindung gegen eine Schädigung oder Zerstörung durch Überlastung geschützt
werden.
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Der hydraulische Arbeitskörper kann beispielsweise aus einem Federrohrbalg
bestehen, dessen Balgboden mit der Äießmembran durch ein vorzugsweise im Schwerpunkt
der Membran angreifendes Verbindungsglied gekuppelt ist. Der Druckraum des Membrangehäuses
ist bei der Herausführung der Meßkraft aus dem Druckraum durch Dichtungselemente
nach außen abgedichtet, wobei der Eintlnß wechselnder statischer Drücke zweckmäßig
durch
paarweise Verwendung von gegeneinander gerichteten elastischen Dichtungsmitteln
ausgeschaltet werden kann.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in zwei Ausführungsformen beispielsweise
veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. 1 schematisch im Schnitt einen Durchflußmesser
gemäß der Erfindung mit einem direkten Verbindungsglied zwischen der Meßmembran
und dem hydraulischen Arbeitskörper, wobei der Druckraum des Membrangehäussses durch
konzentrische Federrohre abgedichtet ist, während Fig. 2 in einem schematischen
Querschnitt eine weitere Ausführungsform der druckdichten Herausfuhrung der Meßkraft
aus dem Druckraum des Membrangehäuses mit Hilfe einer abgedichteten Welle veranschaulicht.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Durchflußmesser
ein flaches. zylindrisches Membrangehäuse 1. dessen Druckraum 2 durch eine Membran
3 in zwei voneinander druckdicht abgeschlossene Hälften geteilt ist. In diese Druckraumbälften
führen die Wirkdruckleitungen 4 and 5. welche an den in der Zeichnung nich näher
dargestellten Differenzdruckgeber angeschlossen sind. Die meßmembran 3 bestht, wie
auch in der Zeichnung dargestellt, vorzugweise aus Gummi oder einem ähnochen elastischen
Material. Eine solche Gummimembran wird zweckmäßig durch eine mittlere starre Plattee
6 unterstützt. so daß die Membran nur in der Nähe ihrer eingessspannten Umfangszone
beweglich ist. An Stelle einer Gummimembran könnte auch z. B. eine Metallbmembran
ein Federrohrbalg od. dgl. als Meßmembran verwendet werden.
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In der Mittelzone der Membranplatte 6 sind beiderseits der membran
zwei konznetrische, gleich große Federrohre 7 und 8 angeordnet. welche einerseits
mit dem Membrangehäuse 1 und andererseits mit der Membranplatte 6 dicht verbunden
sind. Dadurch wird der Druckraum 2 nach der Gehäusemitte hin völlig abfedichtet.
ohne daß die Bewegungsfreiheit der Meßmembran 3 dadurch beeinträchtigt wird. Durch
die gleiche Bemessung der beiden Federrohre 7 und 8 wird erreicht, daß der Einfluß
wechselnder statischer Drücke in dme Druckraum 2 bei an sich gleichem Differenzdruck
ausgeschaltet wird. An Stelle der Federrohre 7 und 8 können auch andere Dichtungsmittel
wie z. B. kleine Gumminmembrane. Stopfbuchsen oder ähnliche Abdichtungselemente
verwendet werden, deren wirksam Fläche gleich groß und entgegengesetzt gerichtet
ist.
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An dem vom Druckraum 2 durch die Dichtungsfederrohre 7. 8 getrennten
Mittelteil der Membranplatte 6 greift im Schwerpunkt derr Membran eine Verbindungsstange
9 an, die in der zur Membranebene sekrechten Mittelachse der Meßmembran nach außen
ragt. Außerhalb des Druckraumes 2 des Membraungehäuses 1 ist ein hydraulischer Arbeitskörper
angeordnet. welcher gemäß dem Ausfuhrugsbeispiel aus einem Federrohrkörper 10 besteht.
der einerseits durch eine ortsfeste Bodenwand 1 1 und andererseits durch einen beweglichen
Balgboden 12 abgeschlossen ist. Der Balgboden 12 ist mit der Verbindungsstange g
verbunden. Der Innenraum I3 des Federrrohrkörpers 10 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt.
An diesen Flüssigkeitsraum I3 ist eine Leitung 14 angeschlossen. die zu einem manometrischen
Druckmeßgerät 15 führt. Das Manometer 15 kann aus einem normalen Federmanometer
bestehen und entweder nur als Anzeigegerät oder als schreibendes Registriergerät
oder gleichzeitig anzeigend und schreibend ausgebildet seiii. Der auf die Flüssigkeit
wirkende Querschnitt des Balgbodens 12 ist im Verhältnis zu dem lichten Querschnitt
des Leitungsrohres 14 sehr groß, so daß eine entsprechend große hydraulische Übersetzung
erzielt wird.
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Die Verbindungsstange 9 ist zweckmäßig mit einem Ansatz 16 od. dgl.
versehen. der zwischen zwei Anschlägen 17 und IS spielen kann. Diese Anschläge begrenzen
die Bewegung der Verbindungsstange 9 und damit den Hub des Balgbodens 12.
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Die Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Gerätes ist folgende:
Der Differenzdruckgeber überträgt durch die wirkleitungen 4 und, verschieden hohe
Drücke in die entsprechenden Hälften des Druckraumes 2.
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Wenn z. B. auf der Plusseite 10 at und auf der Minussteite 9,5 at
herrschen, so wirkt auf die Meßmembran 3 ein Differenzdruck von 0,5 at, welcher
versuchen wird. die Älenibran 3 nach links zu verschieben. Die Kraft, mit der die
Meßmembran 3 beaufschlagt wird, ist ein Maß für den Wirkdruck.
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Diese Kraft wird von der Verbindungsstange 9 auf den Balgboden 12
des hydraulischen Arbeitskörpers 10 übertragen. Dadurch erzeugt die mechanische
Druckkraft der Meßmembran in dem Flüssigkeitsraun I3 des Arbeitskörpers 10 einen
hydraulischen Druck, der über die Rohrleitung 14 zu dem Manometer In geführt wird.
Der Ausschlag des Manometers ist dann ein Maß für die EXraft, die durch den Differenzdruck
auf die Meßmembran 3 ausgeübt wird. und dadurch auch ein AIaß für die Durchflußgeschwindigkeit
des den Differennzdruckgeber durchstömenden Mediums. Da das Manometer zur Herbeiführung
ausreichender Ausschläge nur sehr geringe Volumenänderungen benötigt und da das
hydraulische Übersetzungsverhältnis des Arbeitskörpers 10 sehr groß ist, werden
die Arbeitshübe der Meßmembran außerordentlich klein. Die Ausschläge der Meßmembran
liegen in günstigen fallen, d. h. bei hohen Differenzdrücken, z. B. in der Größenordnung
0,I mm und bei kleinen Differenzdrücken z. B. in der Größenordnung von 0,4 bis 0.5
lum. Durch diese kleinen Wege wird gewährleistet, daß die hysteretischen Eigenschaften
der Gummimembran oder der sonstigen Meßmembran und die hydraulischen Eigenschaften
der Dichtungsfederrohre 7. S praktisch überhaupt keinen Einfluß auf das Meßergebnis
ausüben, so daß die Meßgenauigkeit im wesenlichen nur durch die (Genauigkeit des
Manometers 15 begreiizt wird.
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Wenn durch irgendeinen Zufall auf einer oder der andereii Seite der
Meßmembran der volle
statische Druck wirlisam wird, dann sorgen
die Anschläge 17 und I8 dafür, daß die Bewegung der Membran einen bestimmten Weg
nicht überschreiten kann, der nur so groß ist, daß das Manometer nicht zerstört
werden kann. Das Gerät ist infolgedessen völlig überdrucksicher.
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Die Übertragung der Meßkraft von der Meßmembran auf den außerhalb
des Druckraumes angeordneten hydraulischen Arbeitskörper kann auch auf beliebige
andere Weise herbeigeführt werden.
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Beispielsweise kann die im Schwerpunkt der Membran angreifende Kraft
zunächst in das Drehmoment einer Welle umgeformt werden, die sich in einer Stopfbuchse
oder in einer elastischen Aufhängung dreht. Außerhalb des Druckraumes kann dann
das Drehmoment dieser Achse mit Hilfe eines hydraulischen Arbeitskörpers oder eines
entsprechenden Gerätes gemessen werden. Eine solche Kraftübertragung ist in Fig.
2 schematisch veranschaulicht. Hierbei ist in der Wandung 19 des Membrangehäuses
eine Lagerbuchse 20 angeordnet, iI1 der eine sehr genau eingepaßte Welle 21 drehbar
gelagert ist. An dem in den Druckraum des Membrangehäuses ragenden Ende der Welle
2I ist ein Hebelarm 22 befestigt, dessen freies Ende 23 im Schwerpunkt der Meßmembran
3 angreift. An dem nach außen ragenden Teil der Welle 21 ist ein zweiter, entsprechender
Hebelarm 24 befestigt, der mit seinem freien Ende 25 auf einen hydraulischen Arbeitskörper
od. dgl. wirkt. Das von der Meßmembran 3 über den Hebelarm 22 auf die Welle 2I ausgeübte
Drehmoment wird dadurch nach außen auf den Hebelarm 24 übertragen. Auch hier sind
die Membranhübe der Meßmembran 3 und damit die Bewegungen der Übertragungswelle
21 so klein, daß sowohl die Hysterese der Meßmembran als auch die Reibung der Stopfbuchse
20 praktisch vernachlässigt werden kann. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf
die nur beispielsweise beschriebene und dargestellte Ausführungsform, sondern sie
umfaßt alle Varianten im Rahmen des wesentlichen Erfindungsgedankens. So kann z.
B. die Übertragung der von dem Differenzdruck auf die Meßmembran ausgeübten Kraft
aus dem Druckraum ins Freie und die hierbei notwendige Abdichtung auch in beliebiger
anderer Weise herbeigeführt werden. Auch der hydraulische Arbeitskörper, seine Anordnung
in bezug auf das Membrangehäuse und seine Verbindung mit dem Manometer oder sonstigen
Druckmesser kann beliebig abgeändert werden, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung
zu überschreiten. Schließlich kann auch an Stelle eines hydraulischen Arbeitskörpers
ein entsprechend wirkender anderer Kraftumformer verwendet werden, welcher mit so
kleinen Wegen arbeitet, daß er verhältnismäßig sehr kleine Arbeitshübe der Meßmembran
in entsprechend größere Ausschläge eines Anzeige- oder Registriergerätes umwandelt.