DD250180A1 - Stroemungsgeschwindigkeitsmesser fuer kleine rohrnennweiten - Google Patents

Abstract

Ziel und Aufgabe dieses Stroemungsgeschwindigkeitsmessers, der nach dem Prinzip der Karmanschen Wirbelstrasse mit Ultraschall-Abtastung arbeitet, ist es, die Einfluesse von Messfehlern weiter zu verringern und so eine Messeinrichtung hoher Genauigkeit fuer einen breiten Stroemungsgeschwindigkeitsbereich zu entwickeln. Geloest wird diese Aufgabe durch Anordnung eines Messrohres mit einer duesenfoermigen Einschnuerung in der Einlaufstrecke und einem Diffusor in der Auslaufstrecke. In einem definierten Abstand hinter dem Widerstandskoerper sind der Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfaenger senkrecht zur Stroemungsrichtung und mit einem Versatz zueinander gekapselt in Messrohrausnehmungen angeordnet. Zur Druckentlastung der Ultraschall-Sensoren sind Bohrungen in die Messrohrwand im Bereich der Kapseln eingebracht. Anwendungsgebiet: Chem. Industrie, Chemieanlagenbau, Hydraulikindustrie, Medizintechnik, Getraenkeindustrie. Figur

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Stromungsgeschwindigkeitsmesser fur kleine Rohrnennweiten fur Durchsatzmessungen von Flüssigkeiten und Gasen Eine derartige Meßeinrichtung ist besonders fur den Einsatz in der chemischen Industrie, in der Hydraulik- und Getränkeindustrie sowie in der Medizin geeignet

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Der in DE-OS 1498271 beschriebene Massendurchflußmesser basiert auf einer Ringwirbelbildung durch eine plötzliche Erweiterung der Rohrleitung Infolge der durch die Rohrquerschnittserweiterung bedingten Verkleinerung der Stromungsgeschwindigkeit und somit der Reynolds-Zahl ist dieses Verfahren fur Durchsatzmessungen in Rohrleitungen kleinerer Nennweiten bei Abtastung einer Karman'schen Wirbelstraße nicht geeignet Es ist weiterhin nach dem in der DE-OS 3033949 vorgestellten Stromungsgeschwindigkeitsmesser bekannt, daß infolge der relativ hohen Reflexionsrate beim Übergang des Schalls von der metallischen Rohrwand in stromenden gasformigen Medien hier nur eine Durchsatzmessung von stromenden Flüssigkeiten möglich ist

In GB-PS 21 25549 wird ein Wirbelfrequenz-Durchflußmeßgerat mit Ultraschall-Abtastung der Karman'schen Wirbelstraße vorgestellt, das die Durchsatzmessungen in Luftströmungen ermöglicht Die zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ausgewertete Phasenmodulation des Ultraschalles liefert aber in bestimmten Fallen keine auswertbaren Ergebnisse Außerdem ist die hier dargestellte Meßeinrichtung nur zur Durchsatzmessung bei größeren Stromungsgeschwindigkeiten geeignet, wie sie beispielsweise in Klimakammersystemen auftreten

Bekannt ist weiterhin nach der in der US-PS 3881 352 vorgestellten Wirbelfrequenz-Durchflußmeßemrichtung fur Durchsatzmessungen in Rohrleitungen die Anwendung einer Meßeinrichtung, die nach dem Prinzip der Laufzeitmessung arbeitet Diese Einrichtung ist für kiemeRohrleitungsabmessungen ungeeignet, da sie nur schlecht auswertbare Signalqualltaten ermöglicht

In der US-PS 4173143 werden prinzipielle geometrische Anordnungen der Ultraschall-Sensoren zur Wirbelabrißebene sowie verschiedene Storkorperformen beschrieben Diese Durchsatzmeßeinrichtung ist auch fur Durchsatzmessungen von Gasen prinzipiell geeignet Die bevorzugte Variante, die Abtastung der Strömung vor dem Widerstandskörper zu realisieren, ist allerdings fur Durchsatzmessungen in Rohrleitungen kleinerer Nennweiten zu unempfindlich

Schließlich ist noch in der US-PS 4299121 eine Wirbelfrequenz-Durchfiußmeßeinrichtung fur Gasdurchflußmessungen beschrieben Auf Grund der relativ großen Druckverlustes und der kunstlichen Erzeugung einer gewissen Stromungspulsation treten bei der Durchflußmessung größere Meßfehler auf Außerdem werden durch einen gewissen Staudruckeinfluß infolge einer starken Verringerung des Stromungsquerschnittes weitere Meßfehler provoziert Bei großen Stromungsgeschwindigkeiten ist bei den samtlichen vorgestellten Durchflußmeßeinrichtungen eine zu starke stromabwartige Ablenkung des Ultraschall-Strahles zu registrieren, so daß ab einer bestimmten Stromungsgeschwindigkeit der emittierte Ultraschall-Strahl den Sender nicht mehr erreicht und somit keine Signalbildung mehr möglich ist Zur Vergrößerung des Meßbereiches ist in der hier vorgestellten Erfindung ein geringes stromabwartiges Versetzen des Ultraschall-Empfangers vorgesehen, so daß eine Signalbildung auch bei großen Stromungsgeschwindigkeiten noch möglich ist

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Einflüsse von Meßfehlern fur Rohrleitungen auch geringer Nennweiten zu verringern

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromungsgeschwindigkeitsmesser hoher Genauigkeit fur kleine Nennweiten bei Berücksichtigung eines breiten Stromungsgeschwindigkeitsbereiches zu entwickeln Die Erfassung der erzeugten Wirbelfrequenz in der Karman sehen Wirbelstraße soll mittels Ultraschallsensoren erfaßt werden Fur genaue Wirbelfrequenz-Durchflußmessungen darf die Strouhal-Zahl über weite Bereiche nicht von der Reynolds-Zahl abhangig sein Zur Gewährleistung einer dementsprechenden linearen Kennlinie muß die Strömung in der Einlaufstrecke durch eine dusenformige Einschnürung beschleunigt werden Neben einer Vergrößerung der Reynolds-Zahl wird durch diese Maßnahme das Stromungsprofil vergleichsmaßigt, so daß die bei kleinen Reynolds-Zahlen häufig zu beobachtende Tendenz zur instabilen Wirbelablosung abnimmt Die Wirksamkeit dieses Effektes wird allerdings nur dann gewährleistet, wenn der Abstand des Widerstandskorpers von der Düse den Betrag des Rohrdurchmessers nicht übersteigt Da eine zu starke Stromungsbeschleunigung infolge störender Turbulenzen bzw Stromungsinstabilitaten zusatzliche Meßfehler hervorrufen kann, ist fur das Verhältnis Rohrdurchmesser zu Austrittsoffnung der Düse ein Betrag von ¹⁰/э vorgesehen Zur Vermeidung des Auftretens eines Staudruckes im Nachlauf hinter dem Widerstandskörper ist am Endeder Meßstrecke ein Diffusor vorgesehen, so daß keine konstruktiv bedingten zusätzlichen Meßfehler auftreten Fur den Abstand zwischen Widerstandskörper und Abtastebene mittels Ultraschall ist ein Betrag von (3,5 4) χ der maximalen Storkorperbreite vorgesehen Bei einer Ultraschall-Abtastung einer Karman'schen Wirbelstraße bei Rohrleitungen kleinerer Nennweiten sind in diesem Bereich die besten Signalqualltaten zu registrieren Ultraschall-Sender und Empfanger sind mit geringem Versatz des Empfangers in Stromungsrichtung gegenüberliegend in Rohrausnehmungen, von einer elastischen Gummiummantelung umhüllt, angeordnet Sie sind in Kapseln untergebracht, deren Deckel druckdichte Durchfuhrung fur die elektrischen Zu- und Ableitungen besitzen Die Emission der Ultraschall-Wellen erfolgt dabei senkrecht zur Stromungsnchtung und senkrecht zur Lage des Storkorpers Zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Meßeinrichtung arbeiten die Ultraschall-Sensoren im kontinuierlichen Resonanzbetrieb, d h es bilden sich zwischen Sender und Empfanger stehende Wellen aus Aufgrund einer Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Fluidtemperatur, vom statischen Druck und von der Stromungsgeschwindigkeit ist eine von den Fluidparametern unabhängige Anordnung zur automatischen Resonanznachfuhrung vorgesehen Da eine Ankopplung der Ultraschall-Sensoren an die Rohraußenwand bei Wirbelfrequenz-Durchflußmessungen in Gasen infolge der relativ großen Reflexionsrate beim Übergang des Schalles von der metallischen Rohrwand in das gasformige Medium keine hinreichend guten Meßergebnisse liefert, ist eine direkte Ankopplung in Rohrausnehmungen vorgesehen Zur Druckentlastung der U'traschall-Sensoren sind Bohrungen in der MeßsUecke vorgesehen, so daß sich innerhalb einer die Sensoren umgebenden Kapsel derselbe statische Druck wie innerhalb der Rohrleitung aufbauen kann Dadurch sind die Ultraschall-Sensoren auch bei hohen Systemdrucken keinen großen Kräften ausgesetzt, was die Ankopplung dieser vereinfacht Die Lage der Bohrungen wurde dabei so gewählt, daß die Wirbelstraße zwischen Storkorper und Abtastebene unbeeinflußt bleibt, so daß keine Meßergebnisverfalschungen auftreten

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel naher erläutert werden Die Gesamtlange der Meßstrecke betragt hier das 5,5 7,5fache des Wertes der Rohrnennweite Zur Meßstrecke gehört auf der Einlaufseite eine dusenformige Einschnürung 1 Hierdurch wird neben einer Beschleunigung der Strömung eine Vergleichsmaßigung des Stromungsprofils gewahrleistet Mittels dieser Maßnahme ist es möglich, die Linearität der Kennlinie auch bei kleineren Re/nolds-Zahlen zu gewahrleisten und derTendenzzur instabilen Wirbelablosung bei kleinen Reynolds-Zahlen zu begegnen Zur Vermeidung des Auftretens störender Turbulenzen bzw Stromungsinstabilitaten muß das Verhältnis der Durchmesser der dusenformigen Einschnürung bei einer derartigen Verjüngung der Rohrleitung im Bereich von ¹⁰/э liegen Somit wird gleichzeitig eine bessere Signalqualltat bei der Abtastung einer Karman'schen Wirbelstraße mittels Ultraschall im Nachlauf hinter einem Widerstandskörper gewährleistet Durch die Beschleunigung und Vergleichsmaßigung der Strömung spielt außerdem der Betrag der Einlauflange nur noch eine untergeordnete Rolle, so daß diesbezüglich andenEinbauortgeringe Ansprüche gestellt werden können

Am Auslauf der Meßstrecke ermöglicht ein Diffusor 7 die Zuruckgewinnung eines Teiles des statischen Druckes und tragt somit zur Minimierung des Gesamtdruckverlustes bei Durch die Rückführung auf die Ausgangsnennweite wird außerdem das Auftreten eines Staudruckes vermieden, so daß diesbezüglich keine zusätzlichen konstruktiv bedingten Meßfehler provoziert werden

In das Meßrohr 6 ist ein Widerstandskörper 2 integriert Dieser vorzugsweise prismatische Widerstandskörper 2 dient der möglichst optimalen Erzeugung einer Karman'schen Wirbelstraße Zur Unterstützung der Effekte, die durch die dusenformige Einschnürung zu verzeichnen sind, darf sein Abstand von der Düse 1 den Wert des Durchmessers der Meßstrecke nicht übersteigen

Die optimale Abtastebene einer Karman'schen Wirbelstraße ist in Rohrleitungen kleinerer Nennweiten im Abstand von 3,5 4x der maximalen Storkorperbreite im Nachlauf hinter dem Widerstandskörper zu verzeichnen Die Ultraschall-Sensoren Sender ЗА und Empfanger 3B sind dabei senkrecht zur Stromungsrichtung und senkrecht zur Lage des Widerstandskorpers 2 angeordnet Durch ein geringes stromabwartiges Versetzen des Empfangers 3 B gegenüber dem Sender ЗА ist eine zu verlassige Signalbildung auch bei größeren Stromungsgeschwindigkeiten noch möglich, wodurch eine Meßbereichserweiterung möglich wird Zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Meßeinrichtung arbeiten diese im kontinuierlichen Resonanzbetneb, d h zwischen Sender ЗА und Empfanger 3 B bilden sich stehende Wellen aus Dadurch ist es möglich, bereits bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten ein a mpl ι tu den moduliertes Ultraschall-Signal einer Auswerteeinheit zuzuführen Auf Grund der Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von verschiedenen Fluidparametern wird die Resonanz von einer entsprechenden, nicht dargestellten Elektronik automatisch nachgefuhrt

Bei der Durchsatzmessung von gasformigen Fluiden werden dabei Frequenzen im Bereich von 100 20OkHz verwendet, um einerseits die Modulationsfahigkeit durch die Karman'schen Wirbel und andererseits die Durchdringungsfahigkeit von Gasen zu gewährleisten Auf Grund der besseren Schalleitfähigkeit von Flüssigkeiten können bei der Durchsatzmessung von flussigen stromenden Medien höhere Ultraschall-Frequenzen im Bereich von 1 2 MHz angewandt werden.

An das Meßrohr 6 angeschweißt sind die die Ultraschall-Sensoren umgebende Kapseln 5 Innerhalb der Kapseln kann sich der gleiche statische Druck wie innerhalb der Rohrleitung aufbauen, da die Kapseln über eine Bohrung 8 mit der Meßstrecke verbunden sind Durch diese Maßnahme werden die Ultraschall-Sensoren ЗА und 3 B keinen großen Kräften ausgesetzt, was die Anforderungen an die Ankopplung dieser wesentlich vereinfacht Die Bohrung 8 ist stromabwärts eingebracht, um eine Beeinflussung zwischen Storkorper und Abtastebene zu vermeiden

Zur Gewährleistung der Dichtheit sind die Kapseln 5 mit jeweils einem abschraubbaren Kapseldeckel 4 versehen Diese Kapseldeckel bilden den äußeren Abschluß der Meßstrecke Diese ermöglichen eine genaues Einsetzen der Ultraschall-Schwinger in die dafür vorgesehenen Ausnehmungen des Meßrohres 6 sowie eine relativ einfache Auswechslung dieser Innerhalb der Kapseldeckel ist eine druckdichte Durchfuhrung 9 der elektrischen Anschlüsse fur die Ultraschall-Schwinger vorgesehen, so daß gleichzeitig eine Weiterleitung der Ultraschall-Signale möglich ist, ohne daß diese Durchfuhrung dem anliegenden statischen Druck nachgibt

Die Gummiummantelung 11 dient zur elastischen Ankopplung der Ultraschall-Sensoren 3 an das Meßrohr 6 Des weiteren wird durch den Gummimantel die seitliche Schallabstrahlung vermindert, so daß einerseits der Korperschall keinen Einfluß auf die Signalqualitat hat und andererseits die Schallemission in das stromende Fluid verbessert wird

Claims (5)

1. Stromungsgeschwindigkeitsmesser fur kleine Rohrnennweiten, der nach dem Prinzip der Karman'schen Wirbelstraße arbeitet und zur Erfassung der erzeugten Wirbelfrequenzen an das Meßrohr angekoppelte Ultraschall-Sensoren aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß das Meßrohr (6) in der Einlaufstrecke eine dusenformige Einschnürung (1) und in der Auslaufstrecke einen Diffusor (1) aufweist, daß im Abstand des 3,5 ...4fachen der Widerstandskorperbreite (b) Ultraschall-Sensoren (ЗА; 3B) senkrecht zur Strom ungsrichtu ng und senkrecht zum Widerstandskörper (2) mit einem Versatz (10) gegeneinander in Ausnehmungen der Meßrohrwand, von einer elastischen Gummiummante!ung"(11) umhüllt, angeordnet sind, daß zur Aufnahme der Sensoren (ЗА; 3B) Kapseln (5) an der Meßrohrwand angebracht sind und zwischen Kapselraum und Meßstrecke neben den Sensoren stromabwärts Bohrungen (8) in die Meßrohrwand eingebracht sind.

2. Stromungsgeschwindigkeitsmesser nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kapseln (5) mit einem abschraubbaren Deckel (4), der eine druckdichte Durchfuhrung (9) aufweist, verschlossen sind.

3. Stromungsgeschwindigkeitsmesser nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich Rohrnennweite (D 1) zu Meßrohrnennweite wie etwa 10/9 verhalten.

4. Stromungsgeschwindigkeitsmesser nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand von der Auslaufseite der Düse (1) zum Widerstandskörper (2) kleiner als die Meßrohrnennweite ist.

5. Stromungsgeschwindigkeitsmesser nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Ultraschall-Sensoren (ЗА; 3B) im kontinuierlichen Resonanzbetrieb arbeiten und eine Anordnung zur automatischen Resonanznachführung nachgeordnet ist.