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Strömungsmesser für flüssige und gasförmige Medien
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Strömungsmesser für flüssige und gasförmige Medien gibt es in zahlreichen
Ausführungen und nach den verschiedensten Meßprinzipien.
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In letzter Zeit gewinnen sie noch mehr an Bedeutung, insbesondere
aus wirtschaftlichen Gründen, einmal weil die zunehmende Verteuerung der Stoffe
eine Messung zwecks Kostenerfassung notwendig macht und zum anderen, um eine Verschwendung
einzudämmen. Dies gilt insbesondere auch für die Wassermessung, sei es als Kaltwasser-
und Warmwasserverbrauchsmessung oder auch als Warmwasserströmungsmessung in Heizanlagen
zur Messung des Wärmeverbrauchs in Wohnungen. Gerade hier entstehen Aufgaben, die
mit konventionellen Methoden nicht mehr befriedigend gelöst werden können; dies
gilt speziell für das Problem der Wärmemengenmessung.
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Für die Ermittlung der Heizkosten soll die Problematik kurz dargestellt
wrden. Sogenannte1ärmezhler sind in den verschiedensten Ausführungen mechanischer
oder elektrischer Art vorgeschlagen und entwickelt worden, ohne daß bisher eine
durchgreifende Einführung erfolgen konnte. Dies hat verschiedene Gründe, die zum
Teil in der Leitungsführung der Heizungsanlagen liegen, zum Teil in den hohen Kosten
und in der Unzuverlässigkeit der Funktion solcher Meßgeräte.
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In letzter Zeit jedoch rücken elektrische Lösungen für die Messung
des Wärmeverbrauchs in Haushalten in den Bereich der Realisierbarkeit, nachdem integrierte
elektronische Bausteine eine kostengünstige Ausführung ermóglichen. Diese Lösungen
gehen von der physikalischen Formel aus, nach der die Wärmemenge als zeitliches
Integral des Produkts aus der Strömungsmenge und der Temperaturdifferenz zwischen
Vor- und Rücklauf des Heizwassers ermittelt wird. Vorzugsweise benutzt man dabei
zur Bestimmung der strömenden Menge Flügelradzähler oder andere mechanische Zähler,
die in Abhängigkeit von der durchfließenden Menge, d.h. proportional zur Umdrehung
ihres Flügelrades, Impulse an eine elektronische Schaltung geben, die die oben genannten
Operationen ausführt und das Ergebnis in einem Zähler fortlaufend registriert.
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Die elektronische Einrichtung selbst arbeitet mit hoher Genauigkeit
und funktionssicher; jedoch beeinträchtigen die bekannten Nachteile des im heißen
Wasser arbeitenden Wassermessers die Funktion: verscfimutzungen des Gerätes und
Verschleiß der Lagerstellen führen zu Meßungenauigkeiten oder gar zum Ausfall.
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Es gibt genügend Vorschläge und Lösungen, den mechanisch arbeitenden
Wassermesser zu ersetzen, jedoch konnte bisher kein durchschlagender Erfolg erzielt
werden, entweder wegen unzureichender Genauigkeit oder wegen zu. hoher Kosten der
Meßanlagen0 Die vorliegende Erfindung. beschreibt- einen Strömungsmesser, welcher
diese Nachteile vermeidet. Neben einem Höchstmaß an Einfachheit bietet er überdies
die Möglichkeit der Anpassung an die verschiedensten Meßaufgaben. Anhand der schematischen
Darstellung der Figur 1 soll das Prinzip erläutert werden. Das sei 1 zuströmende
Medium tritt über die strahlenförmig liegenden Kante 2 in-den zylindrischen Innenraum-
3 des Strömungsmessers ein und formt sich hier zu einem umlaufendenlim wesentlichen
homogenen:und laminaren, Wirbel rund tritt dann in den Auslauf 4. Im' zylindrischen
Raum 3 befindet sich eine Kugel 5
Caus Stahl, NE-Metallen, Glas,
Kunststoff), die von der kreisförnigen Strömung des Mediums mitgenommen wird Macht
man vorzugsweise die Kugel durch Wahl eines entsprechenden Materials so leicht,
daß sie im Medium nahezu zum Schwimmen kommt, dann erfährt sie beim Umlauf praktisch
keine Reibung an der Lauffläche. Sie wird daher in nahezu idealer Weise vom Medium
mitgeführt, und ihre Umlaufgeschwindigkeit ist unmittelbar ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums.
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Man kann den Umlaufkörper auch als Hohlkörper (Hohlkugel) ausbilden,
erforderlichenfalls mit eingeschlossenem Eisen- oder sonstigem Metallkern, und kann
somit mit praktisch jedem Material, also auch mit Metallen oder metallisiertem Kunststoff
oder Glas, den schwimmenden Zustand erreichen.
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Nimmt man jedoch einen gewissen Anlaufwert in Kauf, dann kann man
auch mit schwereren Kugeln arbeiten, die dann eine kleine Rollreibungskraft zu überwinden
haben, also gegenüber dem umlaufenden Strom des Mediums etwas zurückbleiben.
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Mit der Zahl, Lage und Richtung der Kanäle können die Strömungsverhältnisse
im Strömungsraum beeinflußt werden. Neben der Einfachheit ist ein Hauptmerkmal die
Verschleißfreiheit der Anordnung, da die Kugel praktisch nicht verschleißmäßig beansprucht
wird und durch ihre Bewegung einem fortgesetzten Selbstreinigungsprozeß unterliegt
und auch die Rollbahn im Strömungsraum sauber hält.
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Es ergibt sich ohne weiteres auch die Umkehrung des Prinzips in der
Form, daß die Strömungskanäle in einem von außen nach innen gerichteten Düsenkranz
angebracht sein können.
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Auch eine Anordnung nach Art des Einstrahlwassermessers, bei der nur
eine Zuflußdüse und ein Abflußkanal vorhanden sind, liefert noch gute Ergebnisse,
weil sich im Innenraum auch dann eine dem Durchfluß im wesentlichen proportionale
Umlaufgeschwindigkeit des Mediums einstellt.
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Für den praktischen Einsatz läßt sich das beschriebene Grundelement
in vielfältiger Form ausbauen. Gestaltet man das Gerät oder Teile davon aus durchsichtigem
Material, so kann es ohne zusätzliche Einrichtungen unmittelbar als Strömungswächter
zur Beobachtung des Strömungszustandes eingesetzt werden. Mittels Stoppuhr läßt
sich im Bedarfsfall aus der Umlaufzeit der momentane Durchsatz exakt ermitteln.
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Der hauptsächliche Einsatz liegt jedoch in der dauernden Messung des
Durchflusses. Zu diesem Zweck müssen Vorrichtungen vorgesehen werden, die fortgesetzt
die Umlaufgeschwindigkeit der Kugel bzw. ihre Umlaufzeit ermitteln. Vorzugsweise
eignet sich das Meßprinzip für die Abgabe von Impulsen, wie sie - wie einleitend
beschrieben - z. B. für die neuerdings entwickelten elektronischen Wärmemengenmesser
als Eingangsgröße benutzt werden.
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Die umlaufende Kugel bietet nun in einfacher Weise die Möglichkeit,
solche Impulse zu erzeugen. Da die hierzu notwendigen Einrichtungen Stand der Technik
sind, sollen nur einige bevorzugte Beispiele genannt werden. Wählt man eine Kugel
oder Hohlkugel aus einem Metall, dann kann man einen induktiven oder Hochfrequenz-Initiator
anbringen, bei dem das elektromagnetische Feld durch die Kugel beeinflußt wird,
z. B. nach Art des Flächeninitiators. Auch Ultraschallinitiatoren oder Hall-Generatoren
sind einsetzbar.
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Ebenso können sich fotoelektrische Abgriffe mit sichtbarem oder unsichtbarem
Licht als vorteilhafte Ausgestaltung ergeben, entweder im Durchstrahl- oder im Reflexionsverfahren.
Wenn das Gehäuse selbst nicht aus durchsichtigem Material besteht, sind für diese
Art von Initiatoren entsprechende Fenster aus geeignetem Material im Gehäuse vorzusehen.
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Als besonders elegante Lösung bietet sich ein radioaktiver Initiator
in der Art an, daß im Innern der Kugel ein radioaktives Nuklid
(z.
B. Kobald 60) angebracht ist, das beim Vorbeilaufen der Kugel an dem Zählrohr einen
Impuls auslöst. Diese Methode läßt sich auch im Reflexionsverfahren durch ein außen
angebrachtes Nuklid modifizieren in der Art, daß die vorbeilaufende Kugel die Strahlung
auf ein Zählrohr reflektiert. Statt der Verwendung eines in der Kugel eingesetzten
Nuklids kann auch das Material der Kugel selbst durch vorausgegangene Bestrahlung
aktiviert und auf diese Weise als Strahlungsquelle gestaltet werden. Auch kann die
Kugel mit einem solchen aktivierten Stoff (fest, flüssig, gasförmig) gefüllt werden.
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Die zu den einzelnen Initiatoren gehörenden Abgriffe und elektronischen
Schaltungen sind bekannt und können daher hier außer Betracht bleiben.
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Eine für das vorliegende Meßprinzip spezifische Art soll noch erwähnt
werden, nämlich die beim Vorbeilauf der Kugel an den Strömungskanälen jeweils im
Medium auftretende Druckschwankung, die mittels eines auf Druck ansprechenden Abgriffs
in einen Impuls umgesetzt werden kann.
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Auch ltnt sich die Impulsfolge nach bekannten Methoden zu einer analogen
Anzeige des Durchflusses umformen oder aber auch zur Grenzwertsignalisierung verwenden.
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Ebenso kann es vorteilhaft sein, statt einer Kugel mehrere Kugeln,
lose oder über eine käfigähnliche Spinne verbunden, einzusetzen, un die Impulsfolge
zu vergrößern.
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Ein solcher Käfig kann einen Permanentmagneten oder ein ferromagnetisches
Material tragen, um auf diese Weise unmittelbar einen außen liegenden Kontakt zu
betätigen.
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Der Innenraum bzw. die Umlaufrille kann erforderlichenfalls modifiziert
werden, z. B. nach den in Figur 2 dargestellten Formen als Quadrat Rechteck Rechteck
mit Verrundung der Ecken Dreieck usw.
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Schließlich kann als Umlaufkörper auch ein von der Kugelform abweichender
Körper treten, z. B. ein Zylinder, ein Zylinder nit Kugelkalotten oder dergl.
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An-die-Stelle d-er in Figur 1 dargestellten Konstruktion, bei der
das abströmende Medium in geometrischer Verlängerung der Achse- des einströmenden
Mediums abstromt, können auch andere konst-ruktive Lösungen treten. So kann man
den Abfluß des Mediums z. B. auch am Außenrand der Laufkammer-durch her angebrachte
Bohrungen in eine umgebend? Kammer oder auch direkt ins Freie bewirken, wenn z.
B. bei Strömungsmessungen an Luft das Medium nicht mehr in angeschlossene Leitungen
geführt werden muß.
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Die Eichung des Strömungsmessers kann in bekannter Art, beispielsweise
durch einen Bypass, vorgenommen werden, sei es durch einstellbare Umgehung des Gerätes,
sei es durch eine einstellbare Öffnung in der oberen Abschlußplatte des Zuströmrohres,
durch die ein Teil des Mediums unter Umgehung des Laufraumes direkt in den Auslauf
strömt.
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Diese Methode eignet' sich auch dafür, vorzugsweise bei gasförmigen
Medien eventuell erforderliche Zustandskorrekturen für Druck und Temperatur durch
druckabhängige oder/und temperaturabhängige Verstellelemente den Bypass selbsttätig
zu-verändern.
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L e e r s e i te