DEP0037167DA - Strömungsmesser - Google Patents

Description

Bei den meisten Strömungsmessern wird die Geschwindigkeit des strömenden Mittels durch Messung des Druckunterschiedes an einer Einschnürung der Leitung oder einem Staurand bestimmt. Bei schwingender Strömung führt eine solche Messung nicht zu einwandfreien Ergebnissen. Auch die Strömungsmesser, bei welchen der Differenzdruck konstant gehalten und der Durchströmquerschnitt verändert wird, wenn sich die strömende Menge ändert, sind bisher nicht mit Erfolg für schwingende Strömung benutzt worden.

Im folgenden wird ein Strömungsmesser beschrieben, welcher besonders einfach zu bauen und auch zur Messung schwingender Strömung geeignet ist. Erfindungsgemäss wird in einer z.B. rechteckigen Leitung eine Pendelklappe angebracht, deren eines Ende an der Innenwand der Leitung drehbar gelagert ist, während das andere Ende in der Nullstellung an der gegenüberliegenden Wand durch das Eigengewicht der Klappe, oder durch eine zusätzliche Belastungsvorrichtung z.B. eine Feder angedrückt wird. Die Breite der Klappe entspricht der lichten Weite der Leitung. Wenn durch diese Leitung Gas, Dampf oder Flüssigkeit strömt, wird die Klappe gedreht. Die untere Kante der Klappe gibt einen bestimmten Strömungsquerschnitt frei. An der einen Seite der Klappe, welche der Strömung zugewandt ist, herrscht ein höherer Druck als an der anderen. Das von diesem Differenzdruck ausgeübte Drehmoment muss dem durch die Gegenbelastung hervorgerufenen Drehmoment gleich sein, wenn die Pendelklappe wieder zur Ruhe kommen soll. Die Belastungsvorrichtung kann so ausgebildet werden, dass sie im Bereich des Ausschlagwinkels der Pendelklappe eine gleichbleibende Kraft ausübt, oder dass diese Kraft eine Funktion des Ausschlagwinkels ist, z.B. mit zunehmendem Anschlagwinkel wächst. In beiden Fällen ist die Stellung der Pendelklappe ein eindeutiges Maß für die durchströmende Menge. Durch Anbringung eines Schauglases in der Seitenwand, durch welches die Stellung der Klappe sichtbar gemacht wird, ist die durchströmende Menge zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann man auf dem Schauglas eine Skala anbringen. Das ist besonders vorteilhaft, wenn man schon aus anderen Gründen das strömende Mittel sehen muss, z.B. bei Kondesatleitungen zwecks Feststellung der einwandfreien Arbeitsweise der Kondenstöpfe. Durch Einbau eines Gerätes gemäß der Anmeldung kann man dann gleichzeitig die Menge messen, also zwei Messzwecke mit einem Gerät erreichen. Ausserdem wirkt die beschriebene Einrichtung als Rückschlagklappe, die ein Zurückströmen des Strömungsmittels verhindert. Wird eine Klappe von geringer Masse eingebaut und als Belastung eine möglichst massenlose Feder gewählt, so folgt die Klappe jeder kurzzeitigen Mengenänderung des strömenden Mittels. Sofern die Strömung sich so schnell ändert, dass man die Schwingungen der Klappe mit dem blossen Auge nicht verfolgen kann, lässt sich durch eine Zeitlupenaufnahme das Schwingungsbild der Strömung festlegen.

Die Erfindung ist in Abbildung 1 beispielsweise erläutert. In der rechteckigen Leitung 1 ist an der drehbaren Welle 2 die Pendelklappe 3 so befestigt, dass sie an der oberen Innenwand der Leitung 1 anliegt. In der Leitung befindet sich die mit einer Skala versehene Glasscheibe 4. Auf die Pendelklappe wird durch die Spiralfeder 5, deren eines Ende an der Welle 2 und deren anderes Ende an der Wand der Leitung 1 befestigt ist, ein bestimmtes Drehmoment ausgeübt. Wenn eine Strömung in Richtung des eingezeichneten Pfeiles einsetzt, wird sich die Klappe entgegen diesem Drehmoment um so mehr nach oben drehen, je stärker die Strömung ist.

Soll nur ein sehr kleiner Druckverlust entstehen, kann die Vorrichtung gemäss Abbildung 2 auch nach Art eines Venturi-Rohres ausgebildet werden. In der Leitung 6 befindet sich an der Welle 7 die Pendelklappe 8, deren unteres Ende vermittels der Welle 9 mit der Scheibe 10 verbunden ist. Am anderen Ende ist diese Scheibe 10 durch die Welle 11 mit dem Hebel 12 und der Scheibe 13 verbunden. Der Hebel 12 ist an der oberen Seite der Leitung 6 durch die Welle 14 drehbar gelagert, während das freie Ende der Scheibe 13 die Welle 15 trägt. Die Enden dieser Welle gleiten in Aussparungen 16, welche in den Seitenwänden der Leitung 6 innen angebracht sind. Die Platte 10 trägt eine Öffnung 17, durch welche ein Druckausgleich zwischen beiden Seiten der Platte eintritt. An der Welle 7 befindet sich die Belastungsfeder 18.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende:

Wenn keine Strömung vorhanden ist, wird die Platte 10 gegen die untere Wand der Leitung 6 gedrückt. Beim Eintreten einer Strömung in Richtung des eingezeichneten Pfeiles nimmt der Druck an der Unterseite der Platte 8 entsprechend dem verkleinerten Strömungsquerschnitt in Richtung der Strömung ab, bleibt an der Unterseite der Platte 10 auf seinem kleinsten Wert und nimmt an der Unterseite der Platte 13 wieder zu, bis er fast seine ursprüngliche Höhe erreicht hat. An den oberen Seiten der Platten 8, 10 und 13 herrscht infolge des Druckausgleichs durch Öffnung 17 überall der geringe, dem engen Strömungsquerschnitt unter der Platte 10 entsprechende Druck. Das System wird sich also so lange verändern, bis der Druckunterschied an der Ober- und Unterseite der Platten 8 und 13 durch die Kraft der Belastungsvorrichtung aufgehoben wird. Bei einer Drehung der Platte 8 verschiebt sich die Platte 10 infolge der Doppelaufhängung durch Platte 8 und Hebel 12, die beide gleich lang sind, parallel zur Unterseite der Leitung 6, während Platte 13 spiegelbildlich zu Platte 8 bewegt wird, wobei das freie Ende an der Oberwand der Leitung entlanggleitet. Die Stellung der Platte 8 oder 10 ist ein eindeutiges Mass für die Strömung. Sie kann durch ein Schauglas, einen Zeiger z.B. mit Magnetkupplung oder dergleichen sichtbar gemacht werden.

Es kann zweckmäßig sein, gemäss Abbildung 3 vor dem freien Ende der Pendelklappe eine Scheibe in die Leitung einzubauen, die einen Schlitz trägt. Zwischen den Leitungsstücken 19 und 20 befindet sich die leicht gekrümmte Scheibe 21 (Krümmungsradius gleich Länge der Pendelklappe) mit dem Schlitz 22 (vgl. Abb. 4). Die Welle 23, die Pendelklappe 24 und die Feder 25 entsprechen den gleichen Einrichtungen in Abb. 1. Für die Strömung steht nur das von der Pendelklappe 24 freigegebene Ende des Schlitzes 22 zur Verfügung. Normalerweise wird man diesen Schlitz rechteckig ausbilden. Solle sich herausstellen, dass der Strömungsbeiwert bei kleiner kleiner Öffnung anders ist als bei grosser, so kann man die Begrenzung des Schlitzes auch durch eine kurvenförmige Linie vornehmen, welche eine evtl. Aenderung des Strömungsbeiwertes ausgleicht, sodass der Ausschlagwinkel der Pendelklappe 24 der durchgehenden Strömungsmenge verhältnisgleich ist, wenn die Feder 25 im gesamten Messbereich ein konstantes Drehmoment hervorruft.

Durch Auswechseln der Platte 21 und Anbringung verschieden grosser Schlitze lässt sich der Messbereich des Strömungsmessers ändern, ausserdem kann man den Messbereich durch Veränderung der Belastung der Pendelklappe, also z.B. durch Anziehen der Spiralfeder, durch Aenderung des Hebelarmes, an welchem die Federkraft angreift oder dergleichen ändern.

Nun entstehen gewisse Undichtigkeitsverluste an den drei freibeweglichen Kanten der Pendelklappe, während die vierte drehbar gelagerte Kante z.B. durch Aufkleben eines Gummistreifens oder dergleichen abgedichtet werden kann. Diese Undichtigkeitsverluste sind dem Wurzelwert aus dem Differenzdruck vor und hinter der Klappe verhältnisgleich. Wird der Differenzdruck so gross, dass sich die Platte hebt, so erreichen sie einen bestimmten Festwert, der bei der Messung von vornherein berücksichtigt werden kann. Auch die unterhalb dieses Grenzwertes liegenden Mengen lassen sich messen, beispielsweise dadurch, dass das untere Ende des Schlitzes 22 (vgl. Abb. 3 u. 4) etwa bei 10% des Messbereiches liegt und dass im Bereich von 10 - 0% der Kraft der Feder 25 eine zweite Kraft z.B. die einer anderen Feder entgegengeschaltet wird, welche in der Nullstellung der Kraft der Feder 25 gleich ist, in der 10% entsprechenden Stellung jedoch gleich null wird. Eine geringe Strömung wird dann die Pendelklappe 24 schon aus der Nullstellung bringen und die Undichtigkeitsverluste an den Kanten der Pendelklappe brauchen nicht zu Messfehlern führen.

Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen Strömungsmessers besteht darin, dass er zur Messung schwingender Strömungen benutzt werden kann. Wird nämlich erfindungsgemäss ein Gerät benutzt, bei welchem die bewegten Teile möglichst massefrei sind und der Ausschlag der durchströmenden Menge je Zeiteinheit verhältnisgleich ist, z.B. ein Gerät gemäss Abb. 3, so kann der Schwingungsverlauf mit blossem Auge oder auf fotografischem Wege genau festgelegt werden. Darüber hinaus ist aber auch eine Mittelwertbildung oder Integrierung der Werte M mal dt möglich, wobei M die Strömungsmenge je Zeiteinheit und t die Zeit ist, selbst wenn M eine beliebige Funktion von t ist. Es ist lediglich notwendig, die Schwingungen der Pendelklappe 24 (Abb. 3) in geeigneter Form zu dämpfen und auf eine Anzeigevorrichtung zu übertragen.

Die leichte Verstellbarkeit des Messbereiches durch Aenderung der Kraft der Belastungsvorrichtung macht es möglich, diese so auszubilden, dass die Gegenkraft eine Funktion des Druckes oder der Temperatur oder des spezifischen Gewichtes des Strömungsmittels wird, sodass der Einfluss dieser Zustandsgrössen bei der Anzeige der Strömungsmenge selbsttätig berücksichtigt wird, z.B. unmittelbar Normalkubikmeter angezeigt werden.

Die drehbare Aufhängung einer Pendelklappe kann dadurch erfolgen, dass ein Leder- oder Gummistreifen an der Wand der Leitung und an der Pendelklappe in geeigneter Form befestigt wird. Wird an Stelle des Leders ein elastisches Material z.B. Stahlblech vorgesehen oder die ganze Pendelklappe aus Stahlblech hergestellt, so wird eine besondere Belastungsfeder entbehrlich und eine besonders einfache Bauweise erreicht. Bei einer Ausführung gemäss Abb. 3 ist vorgesehen, dass die Belastungsvorrichtung im ganzen Messbereich eine konstante Kraft erzeugt. Wenn diese Forderung bei der Aufhängung der Klappe mittels einer Federplatte nicht voll erreicht wird, kann man durch entsprechende Formgebung des Schlitzes 22 die Fehler ausgleichen.

So sind noch zahlreiche Ausführungen des beschriebenen Strömungsmessers möglich, bei welchen grösste Messgenauigkeit trotz einfachster Bauweise erreicht wird.

Claims (10)

1.) Strömungsmesser, gekennzeichnet durch eine in einer Leitung angeordnete Pendelklappe, welche durch ihr Eigengewicht oder eine geeignete Belastung einerseits und durch den Differenzdruck der Strömung andererseits belastet wird und unter dem Einfluss dieser Kräfte eine der Strömungsmenge entsprechende Strömungsöffnung freigibt.

2.) Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pendelklappe mit einer oder mehreren Klappen verbunden ist, welche zwecks geringen Druckverlustes eine langsame Verengung und Erweiterung des Strömungsquerschnittes ermöglichen.

3.) Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem schwingenden Ende der Pendelklappe eine Scheibe mit einem Drosselschlitz angebracht wird.

4.) Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselschlitz eine kurvenförmige Begrenzung erhält.

5.) Strömungsmesser nach Anspruch 1 - 4, gekennzeichnet durch ein Schauglas zur Beobachtung der Pendelklappe oder der Beschaffenheit des Strömungsmittels, z.B. in Kondensatleitungen.

6.) Strömungsmesser nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erzielung grösserer Messgenauigkeit bei kleiner Strömungsmenge im unteren Messbereich eine der Stellkraft der Pendelklappe entgegengesetzte, bis auf Null abnehmende Kraft wirksam ist.

7.) Strömungsmesser nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei schwingender Strömung die Bewegungen der Pendelklappe auf fotografisch aufgezeichnet werden.

8.) Strömungsmesser nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen der freischwingenden Pendelklappe durch eine Dämpfungsvorrichtung auf eine Anzeigevorrichtung übertragen werden.

9.) Strömungsmesser nach Anspruch 1 - 8, gekennzeichnet durch die drehbare Aufhängung der Pendelklappe mittels eines Streifens aus Gummi oder dergleichen.

10.) Strömungsmesser nach Anspruch 1 - 8, gekennzeichnet durch die Aufhängung der Pendelklappe mittels eines elastischen Verbindungsstückes beispielsweise eines Streifens aus Stahlblech, welcher der Drehung der Pendelklappe mit einer bestimmten Kraft entgegenwirkt.