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Meßradzähler, insbesondere für gasförmige Mittel
Die Erfindung bezieht
sich auf Meßradzähler (Flügelradzähler, Schraubenradzähler, Turbinenradzähler),
insbesondere für gasförmige Mittel, bei welchen sowohl der Winkel, den die Meßmittelströmung
mit den Laufradschaufeln bildet, wie auch die Größe des Meßquerschnitts selbsttätig
in Abhängigkeit von der Durchfluß stärke gesteuert wird, um auf diese Weise die
Proportionalität oder eine sonstige gewünschte Gesetzmäßigkeit zwischen Durchfluß
stärke und Meßraddrehzahl zu gewinnen.
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Aus einem älteren Vorschlag des Erfinders ist bereits eine Bauart
bekannt, bei welcher zu diesem Zweck bei Verwendung eines in Abhängigkeit von der
Durchfluß stärke lagenveränderlichen Meß rades die parallel zur Radachse angeordneten
Schaufeln eine Verwindung um ihre Längsmittellinie besitzen.
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Die Praxis hat nun gezeigt, daß bei Zählern dieser bekannten Bauart
gewisse Abweichungen von der Sollanzeige auftreten, die ihre Ursache in einer Verzerrung
des Geschwindigkeitsbildes haben, welches sich am Meßquerschnitt bei größerem gegenseitigem
Abstand der Berandungen desselben einstellt.
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Auch besteht bei diesen bekannten Zählern im praktischen Betrieb
die Gefahr, daß bei Durchflußstößen die Dämpfung des äußerst leicht ansprechenden
Meßrades nicht ausreicht, so daß es schlagende Bewegungen macht, die leicht zu seiner
Beschädigung führen können. Hier kann weder ein groß dimensionierter Luftdämpfer
noch ein Flüssigkeitsdämpfer Anwendung finden, weil die bewirkte Bremsung des Meßrades
zu Anzeigefehlern führt.
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Durch die Erfindung werden diese Nachteile beseitigt. Sie besteht
im wesentlichen darin, daß der Zähler mit einem vom Druckabfall am Meßquerschnitt
beeinflußten, vom Meßrad unabhängigen
Steuerglied (Membran, Kolben,
Tauchglocke od. dgl.) versehen ist, welches gleichzeitig sowohl die Größe des Meßquerschnitts
wie auch die Veränderlichkeit des Anströmwinkels des Meßmittels gegen das Meßrad
steuert.
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Bei einem Zähler der in der älteren Patentschrift genannten Bauart
mit um ihre Längsmittellinien verwundenen Schaufeln kann dies vorzugsweise dadurch
geschehen, daß das besagte Steuerglied als Antrieb einer Hilfsvorrichtung dient,
welche durchfluß abhängig gleichzeitig sowohl den Meßquerschnitt als Ganzes längs
der Meßradschaufeln verschiebt wie auch den gegenseitigen Abstand der seine Größe
bestimmenden Berandungen verändert, wobei die Bauteile, welche als Träger dieser
Berandungen dienen, durch Übertragungsmittel miteinander gekoppelt sind.
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Bei Zählern mit normal ausgebildetem Meßrad mit ebenen, radial gerichteten
Schaufeln dagegen kann die Erfindung beispielsweise dadurch verwirklicht werden,
daß das besagte Steuerglied gleichzeitig einerseits als Antrieb einer Leitvorrichtung
für den Meßmittelstrahl dient, deren Leitglieder zugleich als Drosselglieder für
den Meßquerschnitt dienen, andererseits als Antrieb einer Verstellvorrichtung für
eine veränderliche Eigenbelastung des Steuergliedes.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der erstgenannten
Zählerbauart ist in den Fig. I und 2 der Zeichnung in verschiedenen Arbeitsphasen
dargestellt.
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In einem Gehäuse 1, dessen unterer Boden eine ringförmige Öffnung
2 für den Anschluß des Eingangsstutzens 3 besitzt, ist auf der Spitze 4 einer vorzugsweise
höhenjustierbar angeordneten Säule 5 das Meßrad 6 gelagert, dessen dem Antrieb 7,
8 des Zählwerks dienende Welle 9 am oberen Gehäuseboden 10 in einem Spitzenlager
II ruht. Der Raum I2, welcher den Zählwerksantrieb 7, 8 enthält, ist durch eine
zylindrische Kapsel I3 abgeschirmt. Das nicht gezeichnete Zählwerk ist außen auf
dem Gehäuse angeordnet. Es kann irgendeine beliebige bekannte Bauart haben und ist
nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Das Meßrad 6 besitzt die Form eines Turbinenrades mit einem Kranz
nach unten gerichteter Schaufeln 14, welche eine Verwindung um ihre Längsmittellinie
aufweisen. Gleichachsig zur Welle g bzw. zur Säule 5 ist axial beweglich ein Zylinder
15 angeordnet, dessen oberer Rands6 die untere Berandung des Meßquerschnitts bildet
und dessen unterer Rand I7 durch eine leicht bewegliche Membran I8 abdichtend mit
der Wandung des Gehäuses 1 verbunden ist.
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Ferner sind am unteren Rand des Zylinderkörpers 15 nach innen gerichtete
Stützen 19 vorgesehen, welche über Lenker.20 im Punkt 21 an Schwenkhebel 22 angreifen,
welche ihrerseits bei 23 an der Säule 5 angelenkt sind. Die äußeren Enden 24 dieser
Schwenkhebel sind gelenkig mit Gestängen 25 verbunden, die bei 26 an eine Ringscheibe
27 angelenkt sind. Diese Scheibe 27 bildet mit ihrem Umfang 28 die obere Berandung
des Meßquerschnitts. Ihre innere Öffnung 29 ist durch eine ebenfalls leicht bewegliche
Membran 30, deren Mitte abdichtend auf der Säule 5 befestigt ist gegen die Innenseite
des Meßrades 6 abgeschlossen.
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Die gegenseitigen Beweglichkeiten des Zylinders I5 und der Ringscheibe
27 sind durch die Anordnung der Gelenkpunkte 21 und 24 eindeutig bestimmt. Es ist
also jeder Stellung des Schwenkhebels 22 eine ganz bestimmte Höhenlage des Zylindes
15, d. h. eine ganz bestimmte Lage seines oberen Randes I6 zu den Laufradschaufeln
I4, zugeordnet. Gleichzeitig ist aber auch jeder Stellung des Schwenkhebels 22 eine
ganz bestimmte Höhenlage der Ringscheibe 27 vorgezeichnet. Der Abstand der beiden
Berandungen I6 und 28 des Meßquerschnitts ist durch das Verhältnis der Entfernungen
der Gelenkpunkte 2I und 24 vom Schwenkpunkt 22 bestimmt. Es besteht also zwischen
der jeweiligen Höhenlage des oberen Zylinderrandes I6 und seinem Abstand von der
Ringscheibe 27, d. h. von der oberen Berandung 28 des Meßquerschnitts, eine eindeutige
Gesetzmäßigkeit.
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Das durch den Stutzen 3 einströmende und durch den Stutzen 3I ausströmende
Gas erfährt am Meßquerschnitt, d. h. zwischen I6, 28, eine Drosselung, der zufolge
ein Druckunterschied zu beiden Seiten der Drosselstelle entsteht. Dieser Druckunterschied
wird auf die beiden Membranen I8 und 30 wirksam und erteilt dem gesamten mit diesen
Membranen beweglichen System einen Auftrieb. Das Gewicht dieses Systems wirkt dem
Auftrieb entgegen und kompensiert ihn bei allen Durchflußstärken.
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Nimmt dieDurchflußstärke und damit der Druck unterschied zu beiden
Seiten des Meßquerschnitts zu, so wird, weil auch der Auftrieb zunimmt, der Gleichgewichtszustand
zwischen Auftrieb und Gewicht gestört, und das ganze mit den Steuermembranen bewegliche
System wird so weit angehoben, bis der Meßquerschnitt eine Größe erreicht, bei welcher
der durch den Druckunterschied bedingte Auftrieb wieder durch das Gewicht des beweglichen
Systems kompensiert wird. Bei diesem Vorgang hat sich der Meßquerschnitt relativ
zu den Schaufeln 14 verschoben, und der austretende Meßmittelstrahl trifft die Schaufeln
in einer anderen Zone als vorher.
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Ist dabei die Verwindung der Schaufeln 14 50 gewählt, daß die Änderung
des Anstellwinkels der Änderung der Durchfluß stärke entspricht, so ist die Umlaufgeschwindigkeit
des Meßrades bei jeder -Einstellung des Meßquerschnitts proportional der Durchfluß
stärke, was sich ohne weiteres aus folgender Überlegung ergibt: Das konstante Gewicht
des mit den Membranen t8 und 30 auf und ab beweglichen Systems bedingt die Konstanz
des Druckabfalls am Meßquerschnitt und damit auch die Konstanz der Austrittsgeschwindigkeit
daselbst. Die Verschiebung und Größenänderung des Meßquerschnitts ist eine Funktion
der Durchfluß stärke. Wenn nun der Tangens des Anstellwinkels in den jeweiligen
Stellungen proportional der Durchflußstärke ist, so ist ohne weiteres klar, daß
die Drehgeschwindigkeit des
Meßrades eine lineare Funktion der Durchfluß
stärke sein muß.
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Diese Überlegungen gelten für Niederdruckverhältnisse. Damit sie
für alle Betriebsdrucke ihre Richtigkeit behalten, muß dafür gesorgt werden, daß
die Ausströmgeschwindigkeit für alle Betriebsdrucke die gleiche bleibt. Weil aber
diese Ausströmgeschwindigkeit von dem Verhältnis Druckabfall: Gaswichte und damit
von der Veränderlichkeit dieses Verhältnisses abhängt, muß dieses Verhältnis unveränderlich
gemacht werden. Dies geschieht in weiterer Vervollkommnung der Erfindung einfach
dadurch, daß der Belastung des mit den Steuermembranen beweglichen Systems und damit
dem Druckabfall am Meßquerschnitt eine zur Gaswichte lineare Veränderlichkeit gegeben
wird.
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Bei der Ausführung nach den Fig. I und 2 sind zu diesem Zweck zwei
Hilfsmembranen 32 vorgesehen, deren eine Seite jeweils dem Betriebsdruck im Gehäuse,
deren andere Seite dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist. Die Verstellkraft dieser
Memlaranen wird durch Gestänge 33 auf bei 34 schwenkbar gelagerte Hebel 35 und über
Gestänge 36 den Schwenkhebeln 22 mitgeteilt.
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Bei höheren Betriebsdrucken spielt die Veränderlichkeit des Barometerstandes
keine Rolle. Im Niederdruckbereich dagegen, wie z. B. in Stadtgasnetzen, ist der
Einfluß des Barometerstandes auf die Älengenanzeige größer. In solchen Fällen kann
die Berücksichtigung des Barometerstandes einfach dadurch erfolgen, daß man an Stelle
der als Mano meter wirkenden Hilfsmembranen 32 eine oder mehrere Barometerdosen
benutzt. Dann wird die Belastung des mit den Membranen I8, 30 beweglichen Systems
eine Funktion des Barometerstandes und dessen Veränderlichkeit kompensiert. Die
Barometerdosen können selbstverständlich auch ganz im Innern des Gehäuses I untergebracht
sein, so daß dann der Absolutdruck (p = p + ba) berücksichtigt wird.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung
mit einem Zähler der zweitgenannten Bauart. Soweit die Anordnung derjenigen der
Fig. I und 2 entspricht, sind die Teile mit den gleichen Bezugsziffern verstehen.
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Im Gehäuse I befindet sich ein Gefäß 37, welches an einem an der
Gehäusewand I bei 38 abdichtend gelagerten Boden 39 aufgehängt ist. Die obere Öffnung
des Gefäßes 37 ist durch eine Membran I8 geschlossen, deren Mittelzone durch einen
Teller 40 versteift ist. Der Teller 40 besitzt einen Schaft 4r, der bei 42 und 43
längs verschieblich geführt ist.
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Die Bewegung des Tellers 40 wird durch Gestänge 44 über Kurbeln 45
auf verschwenkbare Leitflächen 46 übertragen. Diese Leitflächen sind, wie in Fig.
4 in vergrößertem Maßstab in Seitenansicht dargestellt, je in einem Windfang 47
gelagert, welcher seinerseits mittels eines Flansches 48 in eine entsprechende Öffnung
des Bodens 39 eingebaut ist. Eine Anzahl solcher Windfänge mit schwenkbar darin
eingebauten Leitflächen ist im Kreise um den Mittelpunkt des Bodens 39 herum angeordnet.
In ihm befindet sich die Spitzenlagerung 4 der Welle g des Schaufelrades 6, dessen
radial gerichtete Schaufeln 14 den Öffnungen der Windfänge 47 vorgelagert sind.
Das Meßrad 6 ist in seiner gesamten Schaufelhöhe von einem als Strömungsführung
dienenden Zylinder 49 umgeben.
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Auf der Seite des Eingangsstutzens 3 befindet sich der Einlaß zum
Gehäuse I unterhalb, auf der Seite des Ausgangsstutzens 3I die Auslaßöffnung des
Gehäuses I oberhalb des Bodens 39. Eine Verbindungsleitung 50 leitet den Ausgangsdruck
in das Gefäß 37, so daß auf die Membran I8 und damit auf das ganze mit ihr bewegliche
System der Druckabfall am Meßquerschnitt wirksam wird.
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Hier wirken das Gewicht des mit der Membran 18 beweglichen Systems
und der Auf- bzw. Abtrieb gleichsinnig. Es ist also keine dem Abtrieb entgegenwirkende
Rückstellkraft vorhanden, welche den Gleichgewichtszustand an der Membran 18 bestimmt.
Infolgedessen muß eine solche Rückstellkraft eingeführt werden. Dies geschieht in
weiterer Vervollkommnung dieses Ausführungsbeispiels dadadurch, daß das Gewicht
des mit der Steuermembran I8 beweglichen Systems durch ein an einem zweiarmigen
Hebel angeordnetes Gegengewicht überkompensiert wird, wobei der Mehrbetrag die gewünschte
Rückstellkraft liefert.
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Diese Vervollkommnung ist aus dem unteren Teil der Fig. 3 ersichtlich.
An den Schaft 41 ist bei sr ein Gestänge 52 angelenkt, welches seinerseits bei 53
an einen zweiarmigen Hebel 54, 55 angreift, der bei 56 schwenkbar gelagert ist.
Der Arm 55 dieses Hebels besitzt die Form eines Sektors und liefert die Ausgleichs-
und Rückstellkraft für das mit der Steuermembran 18 bewegliche System.
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Beim Ausführungsbeispiel der Fig. I und 2 war die Austrittsgeschwindigkeit
am Meßquerschnitt nach Größe und Richtung konstant, so daß die eingangs gestellte
Forderung, daß der Tangens des Anströmwinkels der Durchflußstärke proportional sein
muß, durch die entsprechende Verwindung der Meßradschaufeln ohne weiteres erfüllt
war. Bei der Anordnung nach Fig. 3 muß sich jedoch, weil die Meßradschaufeln hier
in allen Zonen den gleichen Anstellwinkel besitzen, zur Erfüllung dieser Forderung
mit der Anströmrichtung zugleich auch die Größe der Anströmgeschwindigkeit ändern,
damit die Umfangsgeschwindigkeit des Meßrades dem Tangens des Anstellwinkels proportional
bleibt.
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Damit nun das mit der Membran I8 bewegliche System den Anstellwinkel
der Leitvorrichtung stets so einstellt, daß diese Forderung erfüllt wird, muß sich
das Gegengewicht 55 mit der Veränderung der Durchfluß stärke stets so ändern, daß
die Strömungsgeschwindigkeit am Meßquerschnitt mit der Veränderung des Tangens des
Anstellwinkels korrespondiert.
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Zu diesem Zweck wird der sektorförmige Hebelarm 55 mit einer Reihe
senkrecht abstehender verschieden langer Stifte 57 versehen. Diese Stifte wirken
mit einer entsprechenden Reihe von Belastungsgliedern 58 zusammen, welche unabhängig
voneinander und unabhängig vom Hebel 55 an dessen Drehpunkt 56 verschwenkbar aufgehängt
sind,
deren freie Enden in der Ruhestellung auf einer gemeinsamen Stütze 59 aufruhen und
die bei der Verschwenkung des Sektors nacheinander von den Stiften 57 aufgenommen
werden. Fig. 5 zeigt in einer um go0 verdrehten Ansicht die gegenseitige Lage der
Teile dieser Anordnung.
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Auch bei der Ausführung der Fig. 3 kann das nicht gezeichnete Zählwerk
außen auf dem Gehäuse angeordnet sein, z. B. innerhalb einer mit einer Glasscheibe
60 abgedeckten Gehäusekappe 6I. Diese Anordnung, wie sie auch bei anderen Zählerbauarten
üblich ist, gehört nicht zur Erfindung und wird hier nur der Vollständigkeit halber
miterwähnt.
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Die gezeigten Ausführungsbeispiele lassen ohne weiteres erkennen,
daß mit der vorliegenden Erfindung der angestrebte Erfolg erreicht wird, indem es
ermöglicht ist, für das mit den Steuermembranen bewegliche System eine Dämpfung
jeder gewünschten Stärke vorzusehen, weil der Lauf des Meßrades von einer solchen
Dämpfung in keiner Weise betroffen wird. Sie lassen ohne weiteres erkennen, daß
zur Steuerung der veränderlichen Größen geringste Verstellkräfte benötigt werden,
so daß die erfindungsgemäßen Zähler nur einen geringen Druckabfall aufweisen und
dadurch einen größeren Meßbereich ergeben als alle bisher bekannten Meßradzählerbauarten.
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Schließlich erkennt man aus den gezeigten Ausführungsbeispielen,
daß bei der vorliegenden Erfindung der Meßquerschnitt des Gerätes selbst bei großen
Durchgängen verhältnismäßig klein bleibt, so klein, daß dort merkliche Querströmungen,
die zu den eingangs erwähnten Verzerrungen des Strömungsbildes führen könnten, nicht
mehr auftreten.
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Die Verwirklichung der Erfindung ist selbstverständlich nicht an
die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele gebunden, sondern gestattet
die verschiedensten Abwandlungen. So könnte man die Anordnung des mit den Membranen
beweglichen Systems z. B. auch so treffen, daß die Strömung von außen nach innen
gerichtet, das Meßrad (Flügelrad, Flügelwalze od. dgl.) also auf der Innenseite
des Systems angeordnet wäre.
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Ferner könnte man z. B. auch bei den Ausführungen nach den Fig. I
und 2 eine Veränderlichkeit der Belastung des mit den Membranen beweglichen Systems
vorsehen, wodurch man die Möglichkeit gewönne, die Verwindung der Meßradschaufeln
um ihre Längsmittellinie zu mildern.