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Strömungsmeßvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf Strömungsmesser,
insbesondere auf Flugzeuggeräte, ist aber nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt,
da das neue Gerät so gebaut ist. daß es überall Anwendung finden kann, wo eine strömende
Flüssigkeit zu messen ist.
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Die Grundgleichung für die Berechnung einer durch eine Durchgangsöffnung
fließende Fliissigkeitsmenge lautet: Q = K A # h Darin bedeuten Q) = die Durchflußmenge,
K = eine Konstante, A = den Querschnitt der Durchgangsöffnung. h = das Druckgefällean
der Durchgangsöffnung.
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Man ersieht daraus zwei Meßmöglichkeiten für die Bestimmung von Q.
Man kann den Durchgangsquerschnitt konstant halten und die NTeränderung des Druckgefälles
als Sleßgröße verwenden oder man verändert den Durchgangsquerschnitt, wobei das
Druckgefälle konstant gehalten wird.
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Zu dem zweiten Typ von Strömungsmessern gehört u. a. der so. Schwimmer-Strömungsmesser.
Bei diesem bewegt sich ein Schwimmer auf und nieder in einem in bestimmter Weise
geformten, z. B. konischen Rohr, wobei sich der Durchgangsquerschnitt zwischen den
Kanten des Schwimmers und der Rohrwandung ändert. Die Stellung des Schwimmers im
Rohr ergibt dann die Anzeige für den Durchfluß. In allen diesen Ausführungen ist
das Gewicht des Schwimmers bei der Konstruktion zu berücksichtigen, und sie müssen
alle in senkrechter Richtung angeordnet werden.
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Der Strömungsmesser nach der Erfindung arbeitet im Prinzip ebenfalls
mit Konstanthaltung des I)ruckgefälles an einer Drosselstelle, jedoch in verbesserter
Form, insofern, als das besonders geformte Rohr und die Bindung an eine senkrechte
Anordnung vermieden wird. Außerdem weist das neue Instrument größere Arbeitsgenauigkeit
auf.
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Gemäß der Erfindung enthält der Strömungsmesser einen besonders geformten
Drosselkörper oder Verdrängerkolben, der in einer Durchgangsöffnung beweglich angeordnet
ist, um deren Durchgangsquerschnitt zu ändern. Dieser Verdränger wird durch einen
in einem Zylinder beweglichen Kolben gesteuert, wobei der Zylinder beiderseits des
darin beweglichen Kolbens von Flüssigkeit durchströmt wird. Eine Ventileinrichtung
kontrolliert diese Durchströmung durch den Zylinder, und eine auf Druck ansprechende
Regelvorrichtung, die auf das Druckgefälle im Durchfluß anspricht, beeinflußt wiederum
die Stellung dieses Ventils. Infolgedessen wird unter dem Einfluß dieser Einrichtungen
der im Zylinder bewegliche Kolben so gesteuert, daß er bei allen Betriebsverhältnissen
das Druckgefälle im Durchfluß konstant hält und bei etwa auftretenden Veränderungen
sofort wiederherstellt.
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Die Führung der Flüsigkeit durch die Räume des Steuerzylinders kann
in der Weise erfolgen, daß eine Kolbenseite mit dem Flüsigkeitsraum vor der Durchflußöffnung
und die andere Kolbenseite iiber die Ventileinrichtung mit einem Raum hinter der
Durchflußöffnung in Verbindung steht, wobei die Zyl inderräume beiderseits des Steuerkolbens
durch ein hinreichend großes Spiel zwischen Steuerkolbenumfang und Zylindermantel
unmittelbar in Verbindung stehen. Die Außenform des Verdrängerkolbens kann so gestaltet
sein, daß gleich große Veränderungen der Durchflußmenge gleich große Wege auf einer
Meßskala anzeigen.
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Die Flüssigkeit, die durch den Ringraum zwischen Innenumfang der Durchflußöffnung
und Außenumfang des Verdrängerkolbens hindurchgedrückt wird, weist ein Druckgefälle
auf, und man kann zur Erleichterung des Verständnisses den Druck vor der Durchflußöffnung
als positiv und den Druck hinter der Durchflußöffnung als negativ bezeichnen.
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Ändert sich die Durchströmung, so wird sich zunächst das Druckgefälle
am Durchgangsquerschnitt ändern, so daß der Ventildruck steigt oder fällt, je nachdem,
wie sich die Durchströmung ändert. Diese Änderung des Ventilflüssigkeitsdruckes
vor der Durchgangsöffnung wird benutzt, um den Steuerkolben und damit den Verdrängerkolben
zu bewegen, was den ringförmigen Durchgangsquerschnitt derartig verändert, daß das
vor der Druckveränderung bestehende Druckgefälle wiederhergestellt wird. Sobald
dies geschehen ist, hört die Bewegung des Steuerkolbens auf, und der Verdrängerkolben
verharrt in seiner neuen Stellung, die den neuen Durchströmungsverhältnissen entspricht.
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An einer Verdrängerkolben und Steuerkolben tragenden gemeinsamen
Spindel kann eine Anzeigevorrichtung angeordnet sein, die über einer die Durchströmung
anzeigenden Skala spielt.
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Die Bewegungen der Spindel können aber auch benutzt werden, um einen
elektrischen Widerstand oder eine ähnliche elektrische Einrichtung zu betätigen,
um auf diesem Wege eine elektrische Anzeige herbeizuführen. Sie kann aber auch benutzt
werden, um ein mit Luft gesteuertes Anzeigeinstrument zu betätigen und schließlich
auch beliebige Mittel zu beeinflussen, die ein unabhängiges und irgendwie mit dem
Strömungsmesser verbundenes Anzeigegerät betätigen.
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Es ist ohne weiteres einzusehen, daß selbst erhebliche, auf die Spindel
von außen einwirkende Kräfte die Wirkung des Instrumentes nicht beeinflussen können.
Es ergibt sich ohne weiteres aus der Tatsache, daß, wenn der Durchfluß konstant
bleibt, eine die Spindel bewegende Kraft den ringförmigen Durchgangsquerschnitt
und damit den dort herrschenden Druckabfall verändern muß. Damit wird aber sofort
das Gerät in dem Sinne in Wirkung gesetzt, daß es den Verdrängerkolben in seiner
Ursprungslage zurückführen und damit den Einfluß der äußeren Kraft wiederaufheben
wird.
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Infolgedessen können der Spindelbewegung entgegenwirkende Reibungskräfte
nur vorübergehend wirksam sein und müssen bei jeder Durchströmungsänderung wiederaufgehoben
werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Hier zeigt Fig. I ein Ausführungsbeispiel im Mittelschnitt, Fig. 2 eine weitere
Ausführungsform in gleicher Darstellung, Fig. 3 eine besondere Ausführungsform der
Meßwertübertragung.
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Gemäß Fig. I ist ein in bestimmter Weise geformter Verdrängerkolben
r vorgesehen, der dazu dient, den Durchgangsquerschnitt einer Offnung 2 zu ändern,
durch welche die Flüssigkeit von der mit + bezeichneten Einlaßseite zu der mit -
bezeichneten Auslaßseite des Gerätes hindurchströmt.
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Ein biegsames Diaphragma 3 in Verbindung mit einer Bimetallbrücke
4 betätigt ein Nadelventil 5, das eine in der Gehäusewandung angeordnete Öffnung
6 öffnet oder schließt. Der Bimetallstreifen 4 spricht auf Temperaturänderungen
an und dient dazu, die aus Temperaturänderungen etwa entstehenden Viskositätsänderungen
der zu messenden Flüssigkeit oder auch Temperaturfehler des Instrumentes zu eliminieren.
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Für eine bestimmte Flüssigkeit kann er angewendet werden, um die
Messungen temperaturunabhängig zu machen, gleichgültig, ob die Durchströmung in
Massen- oder Volumeneinheiten gemessen werden soll. Das Diaphragma 3 wird durch
eine Feder 8 gehalten, die das Nadelventil gewöhnlich in Öffnungsstellung hält.
Die Einstellung von Diaphragma und Ventil erfolgt mittels einer Stellschraube I7
und einer zwischen dieser und dem Ventilkörper eingeschalteten Gegenfeder I8. Durch
die Nebenöffnung A strömt ein kleiner Anteil der Flüssigkeit in den Zylinder 7 zunächtst
hinter die mit + bezeichnete Ventilseite eines Steuerkol-
bens 9.
1) esel- Flüssigkeitszweigstrom bedeutet nur einen kleinen enteil der gesamten Durchströmung
und ist für jeden l?)urchströmungsbetrag konstant, beeinflußt somit nicht die Meßgenauigkeit
des Gerätes.
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Der Steuerkolben g hat etwas kleineren Durchmesser als die Innenbohrung
des Zylinders 7, so daß zwischen ihm und der Zylinderinnenwandung ein Ringspalt
10 vorhanden ist. Der Steuerkolben sitzt auf einer Kolbenstange I I, welche die
beiden Stirnseiten des Zylinders durchdringt. Auf einem freien Ende der Kolbenstange
11 ist der Verdrängerkolben 1 befestigt. Diese Befestigung ist federnd ausgebildet
und besteht aus einer Feder I2, die zwischen einem auf der Kolbenstange 1 1 festen
Bund I3 und dem vorderen Ende des Verdrängerkolbens eingeschaltet ist. Sollte einmal
der Druck auf der Ventilseite des Verdrängerkolbens plötzlich sehr hoch ansteigen.
sei es, weil etwa die Kolbenstange 11 sich festsetzt oder aus irgendeinem anderen
Grunde, dann kann der Verdrängerkolben I infolge seiner federnden Anordnung ausweichen
und dadurch den Durchfluß offen halten.
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Das freie Ende der Kollienstange 1 1 trägt einen Zeiger 14. der über
einer Skala 15 spielt. Eine leichte Druckfeder iü wirkt auf den Steuerkolben g in
dem Sinne. daß der Zeiger auf o zurückgeführt wird, wenn die Durchströmung aufhört
und dadurch die Drucksteuerung des Kolbens entfällt.
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Im Betrieb, wenn also die Flüssigkeit durchströmt, ist immer eine
in Richtung des Pfeiles B wirkende Kraft vorhanden, weil der Flüssigkeitsdruck auf
den Verdrängerkolhen wirkt. Sie wird ausbalanciert durch die Druckdifferenz, die
im entgegengesetzten Sinn den Steuerkolben g beeinflußt. Das Nadelventil 5 ist normalerweise
offen. Steigt jetzt die Durchströmung, dann nimmt auch das Druckgefälle an der Durchströmungsöffnung
2 ZU, und das Diaphragma 3 wirkt auf Schließung und Drosselung der Öffnung 6 hin.
Dadurch wird die am Steuerkolben g herrschende Druckdifferenz vermindert oder aufgehoben,
so daß der Verdrängerkolben I sich nach rechts bewegt und dadurch die Durchgangsöffnung
2 erweitert.
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Dies führt aber w ieder zu einer Verminderung des Druckgefälles, und
infolgedessen muß das Nadelventil sich wieder öffnen und dadurch das Druckgefälle
am Steuerkolben g wiederherstellen, das nun der auf den V Verdrängerkolben I wirkenden
Kraft wieder entgegenwirkt. Damit wird das ursprüngliche Druckgefälle an der Meßöffnung
wiederhergestellt. und die Steuerung befindet sich nun in einem neuen Gleichgewichtszustand.
Das Maß der Bewegung des Verdrängerkolbens in die neue Stellung zeigt dann über
Zeiger 14 und Skala 15 den der neuen Einstellung entsprechenden Durchfluß durch
die SIeßöffnung an.
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Sinkt andererseits die Durchströmung ab, dann vermindert sich auch
das Druckgefälle an der Meßöffnung 2, so daß das Diaphragma 3 das Nadelventil anhebt
und damit die Öffnung 6 noch weiter öffnet. Dadurch wird die Druckdifferenz am Steuerkolben
g so vergrößert, daß der Steuerkolben g nach links drückt, damit den Verlängerungskolben
1 iii die Meßöffnung hineinbewegt, wodurch deren Querschnitt vermindert und der
hier herrschende Druckunterschied wieder vermehrt wird. Daraufhin wirkt das Diaphragma
3 wieder auf Schließen der Öffnung 6 durch das Nadelventil hin, wodurch am Steuerkollen
9 ein Druckgefälle wiederhergestellt wird, welches die auf den Verdrängerkolben
I einwirkenden Kräfte ausbalanciert und ihn in eine neue Gleichgewichtslage einsteuert.
Der Weg, den der Verdrängerkolben I von der alten in die neue Gleichgewichtslage
zurückgelegt hat, wird wiederum durch den Zeiger I4 auf der Skala 15 angezeigt,
an der man die neue Durchflußmenge ahliest.
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Die Ausführungsform des Apparates nach Fig. 2, die im wesentlichen
gleiche Bestandteile enthält, besteht aus einem Gehäuse 19 mit Flüssigkeitseinlaß
20 und Auslaß 2I. Das Diaphragma 3 und die mit ihm verbundenen Teile sind in einem
Nebengehäuse 22 angeordnet. Das Bimetallelement 4 und die Feder t8 sind zwischen
der Einstellschraube I7 und dem Kopf des Nadelventils 5 ein geschaltet. Ein Innenflansch
23 bildet einen Anschlag, um die Ausdehnung des Diaphragmas 3 zu begrenzen. Die
Kolbenspindel 1 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht angeordnet und im
Gehäuse nach außen durch eine Dichtung 24 gesichert, die am Kopf des Zylinders 7
angeordnet ist. Oln Ciii Aussickern der Flüssigkeit zu verhindern.
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Im Boden des Gehäuses 19 ist eine Einstellschraube 25 vorgesehen,
Oril die Bewegung des Verdrängerkolbens in einer Endstellung zu begrenzen, die dem
Nullpunkt der Meßskala entspricht.
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In Fig. 3 sind elektrische Mittel dargestellt, um die Meßbewegung
der Kolbenspindel 1 1 auf eine entfernt liegende Meßstelle zu übertragen. Bei dieser
Ausführungsform ist auf dem freien Ende der Kolbenspindel 1 1 ein Einsenkern 27
aufgesetzt, der in einem geschlossenen Endgehäuse 28 des Zylinders 7 längs beweglich
ist. Bei dieser Ausführung entfällt also eine Abdichtung der Kolbenspindel im Gehäuse,
was wertvoll ist, wenn das Gerät unter hohen Flüssigkeitsdrücken arbeitet. Das Gehäuse
28 liegt in einer Induktionswicklung 29, die durch elektrische Leitungen 30 mit
entsprechenden Windungen 3I einer entfernt liegenden Induktionswicklung verbunden
ist. Die Induktionswicklungen 29 und 3I sind in der Mitte an eine Gleichstromquelle
angeschlossen. Innerhalb der Windung 31 ist längs beweglich ein Eisenkern 32 angeordnet,
der einen über einer Skala 34 spielenden Zeiger 33 trägt, der sich infolge dieser
Anordnung nach Maßgabe der Bewegungen der Kolbenspindel 1 1 hin und her bewegt.
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Für eine lineare Skala müßte die Außenform des Verdrängerkolbens
genau parabolisch ausgebildet sein. Indessen ist der Unterschied zwischen einem
Kegelstumpf und einem Paraboloidstumpf in der Praxis so gering, daß ohne Einbuße
an Genauigkeit ein konischer Verdrängerkolben Anwendung finden kann. Da aber die
Außenform des Verdrängerkolbens die Skala bestimmt, ergibt sich ohne
weiteres,
daß jeder Skalenbereich, wenn gewünscht, besonders hervorgehoben werden kann. So
kann z. B. der Verdrängerkolben zwei Steigungen aufweisen, wovon die eine etwa dem
normalen Brennstoffverbrauch eines Flugzeugmotors, z. B. I30 bis 2601 je Stunde,
und die anderen einer stündlichen Entnahme von über 5001 je Stunde entspricht. lEa
der normale Durchschnittsverhrauch weitaus dem wichtigsten Skalenbereich entspricht.
kann also die Steigung des Verdrängerkonus so bemessen werden, daß der Verbrauch
von I30 bis rot 1 je Stunde den größeren Teil der Skala und der dariil)erliegende
Verbrauch von 300 bis 6oo je Stunde den kleineren Teil der Skala l>eherrscht,
PATENTANspttticHE: 1. Strömungsmesser mit einem in einer von der Flüssigkeit durchströmten
Meßöffnung bejeglichen, den Durchgangsquerschnitt einstellenden Verdrängerkolben
(1), der von einem in einem Zylinder (7) beweglichen Steuerkolben (g) verstellt
wird, welcher beiderseits unter Einfluß einer den Zylinder (7) durchströmenden Flüssigkeit
steht, einem dem an der Meßöffnung (2) jeweils herrschenden Druckgefälle unterworfenen
Druckregler (3), der entsprechend den Druckgefälleänderungen an der Meßöffnung ein
Kontrollventil (5) so einstellt, daß das am Steuerkolben wirksame Druckgefälle,
welches dem am Verdrängerkolben wirksamen Druckgefälle entgegenwirkt, in dem Sinne
beeinflußt wird, daß das Druckgefälle an der Meßöffnung (2) immer wiederhergestellt
wird.
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2. Strömungsmesser mit einem in einer von der Flüssigkeit durchströmten
Meßöffnung beweglichen, den Durchgangsquerschnitt einstellenden konisch geformten
Verdrängerkolben (I), der von einem Steuerkolben (g) bewegt wird, welcher in einem
Zylinder (7) sich bewegt, dessen eine Seite mit der Einlaßseite der Meßöffnung und
dessen andere Seite über ein Kontrollventil mit der Auslaßseite der Meßöffnung in
Verbindung steht, wobei zwischen den beiden Zylinderräumen eine gedrosselte Verbindung
angeordnet ist, mit einem dem an der Nfeßöffnung (2) jeweils herrschenden Druckgefälle
unterworfenen Druckregler (3), der entsprechend den Druckgefälleänderungen an der
Meßöffnung ein Kontrollventil (5) so einstellt, daß das am Steuerkolben wirksame
Druckgefälle, welches dem am Verdrängerkolben wirksamen Druckgefälle entgegenwirkt,
in dem Sinne beeinflußt wird, daß das Druckgefälle an der Meßöffnung (2) immer wiederhergestellt
wird.