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Die
Erfindung betrifft einen Strömungsgleichrichter
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung
zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit
und/oder des Durchflusses eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
6.
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Das
Messprinzip eines derartigen Ultraschall-Durchflussmessers besteht
in einer Detektion einer Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallsignale,
die einmal eine Komponente in Strömungsrichtung und einmal eine
Komponente entgegen der Strömungsrichtung
aufweisen. Ein wesentliches Problem derartiger Durchflussmesser
besteht in der Gleichmäßigkeit
der Strömung.
Wenn nämlich
die Strömungsgeschwindigkeit
(bzw. der Durchfluss) nur entlang einzelner Messpfade und damit
nur entlang einzelner Linien innerhalb eines Messrohres ermittelt
wird, wirken sich Strömungsänderungen
oder Strömungsdifferenzen
auf einem Querschnitt sehr stark auf die Messgenauigkeit aus. Bei
derartigen Durchflussmessern ist aber eine sehr hohe Messgenauigkeit
wesentliche Voraussetzung. Beispielsweise in der Anwendung als Erdgaszähler können bereits
Ungenauigkeiten im Zehntel-Prozent-Bereich immense Kosten bedeuten.
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Mit
Hilfe von Strömungsgleichrichtern
soll die Strömung
des Fluids, d. h. eines Gases oder einer Flüssigkeit, in einer Rohrleitung
nach erheblichen Vorstörungen,
beispielsweise nach Fluss des Fluids um Rohrbiegungen, so beeinflusst
werden, dass im Anschluss an den Strömungsgleichrichter eine weitgehend
störungsfreie
Durchflussmessung vorgenommen werden kann. Die Vorstörungen können dabei
derart ausgebildet sein, dass sich ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilungen
im Querschnitt durch das Rohr und zusätzlich nichtaxiale Strömungskomponenten,
die zu Drallbewegungen im Rohr führen,
ergeben.
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Bekannt
sind verschiedene Ausführungen von
gleichrichtenden Vorrichtungen. Beispielsweise sind der
DE 22 12 746 Strömungsgleichrichter
zu entnehmen, welche aus einer quer zur Strömung angeordneten gelochten
Platte, einem Gitter, einem Drahtnetz oder auch einer Kombination
einer gelochten Platte mit einem stromabwärts angeordneten Gitter bestehen.
Weiterhin ist dieser Druckschrift zu entnehmen, dass die Löcher in
der gelochten Platte unterschiedlich große Durchmesser aufweisen können und
insbesondere im Zentrum der Platte größer sind als am Rand der Platte.
Weiterhin offenbart diese Druckschrift auch eine gelochte Platte
mit einer Vielzahl runder Löcher
desselben Durchmessers, die so angeordnet sind, dass die Abstände zwischen
benachbarten Löchern
im Zentrum der Platte geringer sind als zum Rand der Platte hin.
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Die
DE 197 55 905 C1 beschreibt
ein Strömungsgleichrichtermodul,
welches ein Rohr aufweist, an dessen Innenwandung zumindest ein
in Längsrichtung
angeordnetes Trägerelement
angeordnet ist, welches zumindest eine durch das Trägerelement
gestützte
Ablenkplatte zur Vergleichmäßigung der
Strömung
aufweist.
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Der
DE 697 24 436 T2 ist
ein Strömungsgleichrichter
für einen
Turbinenraddurchflussmesser zu entnehmen, welcher durch konzentrische
Ringe gebildet wird, wobei die Ringe über mehrere radiale Trennwände in entsprechende
Kammern abgeteilt werden. Dabei kann die Ausbildung der Kammern unterschiedlich
sein, wobei insbesondere die Kammern zum Teil im Zentrum größer ausgebildet
sind als am Rand.
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Schließlich sind
noch Strömungsgleichrichter
bekannt, welche mehrere im Wesentlichen rechteckige Leitflächen aufweisen,
welche sternförmig
angeordnet sind. Dazu sind die Leitflächen entweder mit einer Längskante
direkt aneinander und um die Längskante
um unterschiedliche Winkel verschwenkt oder an einem Befestigungszylinder
angeordnet, wobei bei Anordnung an dem Befestigungszylinder die Leitflächen jeweils
in Verlängerung
eines Radius des Befestigungszylinders verlaufen. Eine derartige sternförmige Anordnung
wird auch als Radialschaufelgleichrichter oder Etoile-Gleichrichter
bezeichnet.
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Grundsätzlich arbeitet
ein Gleichrichter nach dem Prinzip der Strömungsvergleichmäßigung durch Druckverlust.
Dabei erzeugen einige der beschriebenen Gleichrichter jedoch einen
unerwünscht
hohen Druckverlust. Den kleinsten Druckverlust erzeugt der Etoile-Gleichrichter.
Allerdings hat der Etoile-Gleichrichter den Nachteil, dass seine
Wirkung auf asymmetrische Strömungsprofile
geringer ist als bei anderen Gleichrichtern, da aufgrund der durchgehenden Leitflächen, die
das durchströmte
Rohr in mehrere Bereiche abtrennt, keine Querströmungen zum Abbau der Asymmetrie
zugelassen werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung
zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit
und/oder des Durchflusses eines Fluids bereitzustellen, die noch
zuverlässigere
Messergebnisse liefert, sowie einen Gleichrichter bereitzustellen,
welcher bei möglichst
geringem Druckverlust unabhängig
von der Vorstörung der
Strömung
ein reproduzierbares Strömungsprofil am
Ausgang des Strömungsgleichrichters
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Strömungsgleichrichter
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit
den Merkmalen des Patentanspruches 6.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weisen
die Leitflächen
des als Etoile-Gleichrichter ausgebildeten Strömungsgleichrichters Durchgangsbohrungen
auf, welche eine Querströmung
ermöglichen.
Dadurch können auch
asymmetrische Strömungsprofile
effektiver gleichgerichtet werden als mit einem herkömmlichen Etoile-Gleichrichter.
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Ein
verbesserter Effekt ergibt sich, wenn die Durchgangsbohrungen in
regelmäßigen Abständen, insbesondere
auf Schnittpunkten eines gedachten Gitters, angeordnet sind, da
somit die Durchtrittsfläche
durch die einzelne Leitfläche
besonders groß wird
und somit auch stark asymmetrische Strömungsprofile durch Querströmungen abgebaut
und gleichgerichtet werden können.
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Vorzugsweise
weist der Strömungsgleichrichter
sechs bis zehn, insbesondere acht Leitflächen auf, welche vorzugsweise
im gleichen Winkelabstand zueinander versetzt angeordnet sind, um
das Strömungsprofil
möglichst
symmetrisch gleichrichten zu können.
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Aus
Stabilitätsgründen sind
die Leitflächen vorzugsweise
aus Metall gefertigt.
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Mit
besonderem Vorteil wird ein solcher Strömungsgleichrichter in einer
Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit
und/oder des Durchflusses eines Fluids eingesetzt. Auf Grund der
durch den Strömungsgleichrichter
bewirkten Beruhigung der Strömung
kann ein reproduzierbares und von der Vorgeschichte der Strömung unabhängiges Strömungsprofil
erzeugt werden, was eine besonders zuverlässige Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise
des Durchflusses ermöglicht.
Es wird dadurch möglich,
die erfindungsgemäße Vorrichtung
in verschiedenen Rohrführungsverläufen einzusetzen,
denn auf Grund des Strömungsgleichrichters
werden stets annähernd
gleiche Strömungsverhältnisse
im Messbereich erreicht.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der folgenden Figuren ausführlich erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
perspektivische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strömungsgleichrichters,
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2 eine
Draufsicht auf die Stirnseite des Strömungsgleichrichters gemäß 1,
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3 einen
Axialschnitt entlang einer Linie A-A in 2,
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4 eine
Ausschnittsvergrößerung des
in 3 dargestellten Ausschnitts und
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5 eine
perspektivische Ansicht des Strömungsgleichrichters
gemäß 1,
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6 eine
schematische Ansicht einer Messvorrichtung mit Strömungsgleichrichter.
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In
den 1 bis 5 sind unterschiedliche Ansichten
eines Strömungsgleichrichters 10 dargestellt,
wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Der besseren Übersicht
halber sind jedoch nicht sämtliche
Bezugsziffern in allen Figuren eingetragen.
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Der
Strömungsgleichrichter 10 weist
acht Leitflächen 12 auf,
welche im Wesentlichen rechteckig mit zwei einander gegenüberliegenden
Längskanten 12a, 12b,
einer Vorderkante 12c und einer der Vorderkante 12c gegenüberliegenden
Hinterkante 12d ausgebildet sind. Die Längskanten 12a, 12b sind in
der dargestellten Anordnung etwa vier mal so lang wie die Vorderkante 12c bzw.
die Hinterkante 12d. Sämtliche
acht Leitflächen 12 sind
mit ihrer Längskante 12a an
der Außenfläche eines
Befestigungszylinders 14, welcher genau so lang ist wie
die Längskante 12a der
Leitfläche 12,
angeordnet. Der Befestigungszylinder 14 ist als Hohlrohr
ausgebildet, kann jedoch auch als Vollzylinder ausgebildet sein
oder alternativ gänzlich
entfallen. Die Leitflächen 12 sind
dabei so ausgerichtet, dass sie in Verlängerung eines Radius des Befestigungszylinders 14 stehen,
so dass sich insgesamt eine sternförmige Anordnung der Leitflächen 12 ergibt.
Die Leitflächen 12 sind
dabei jeweils um den gleichen Winkel α gegeneinander verschwenkt an
der Außenfläche des
Befestigungszylinders 14 angeordnet.
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Die
genannten konkreten Abmessungen und Längenverhältnisse sind lediglich beispielhaft
zu verstehen. Die Abmessungen eines Strömungsgleichrichters sollten
in Strömungsrichtung
so kurz wie möglich
sein und nur so lang wie erforderlich.
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Jede
Leitfläche 12 ist
dabei vorzugsweise an den Befestigungszylinder 14 geheftet,
wobei entlang der Längskante 12a mindestens
fünf Heftstellen,
insbesondere eine in der Nähe
der Vorderkante 12c und eine weitere im Bereich der Hinterkante 12d,
angeordnet sind.
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Zwischen
jeweils zwei Leitflächen 12 kann ein
Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit
oder ein Gas, von der Stirnfläche
des Strömungsgleichrichters 10,
in welcher die Vorderkanten 12c der Leitflächen 12 liegen,
zu der rückwärtigen Fläche, in
welcher die Hinterkanten 12d der Leitflächen 12 liegen, strömen. Dabei
wird eine mit erheblichen Vorstörungen
versehene Strömung
derart beeinflusst, dass nach Durchtritt durch den Strömungsgleichrichter 10 im
Wesentlichen ein reproduzierbares und von der Vorgeschichte der
Strömung
unabhängiges
Strömungsprofil
der Strömung
vorhanden ist, so dass im Anschluss an den Strömungsgleichrichter eine Vorrichtung
zur Messung der Strömung
angeordnet werden kann, wie dies in 6 schematisch
dargestellt ist, wobei gewährleistet
ist, dass eine störungsfreie Durchflussmessung
vorgenommen werden kann.
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Bei
innerhalb des Rohrquerschnitts stark asymmetrischen Strömungen wird
der Gleichrichtungseffekt dadurch verbessert, dass in den Leitflächen 12 mehrere
Durchgangsbohrungen 16 angeordnet sind, welche eine Querströmung aus
den unterschiedlichen durch jeweils zwei nebeneinander liegenden
Leitflächen 12 begrenzten
Kammern ermöglichen,
so dass auch stark asymmetrische Strömungen effektiver gleichgerichtet
werden können.
Jede Leitfläche 12 weist
dazu insbesondere eine große Anzahl
von Durchgangsbohrungen 16 mit vergleichsweise kleinem
Durchmesser auf. Die Durchgangsbohrungen 16 sind vorzugsweise
gleichmäßig über die
Leitfläche 12 in
regelmäßigen Abständen angeordnet,
wobei die Durchgangsbohrungen 16 insbesondere auf Schnittpunkten
eines gedachten Gitters angeordnet werden können, dessen Gitterlinien zum Beispiel
parallel zu den Längskanten 12a, 12b bzw. der
Vorderkante 12c verlaufen können. Dabei sind direkt benachbarte
Schnittpunkte vorzugsweise im gleichen Abstand zueinander angeordnet.
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Um
den Strömungsgleichrichter 10 in
einem vom Fluid durchflossenen Rohr befestigen zu können, ist
in der Ebene der Stirnfläche
des Strömungsgleichrichters 10,
in welcher die Vorderkanten 12c der Leitflächen 12 zum
Liegen kommen, ein Dichtring 18 angeordnet. Dieser ist
insbesondere an den Eckpunkten der Leitflächen 12, an welchen
die nach außen
gewandte Längskante 12b auf
die Vorderkante 12c trifft, an die Leitflächen 12 geheftet.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Messen
der Strömungsgeschwindigkeit
und/oder des Durchflusses des Fluids mittels Ultraschall ist in 6 gezeigt
und umfasst ein Leitungsrohr 2 für ein in Pfeilrichtung 5 strömendes Fluid,
das ein Gas oder eine Flüssigkeit
sein kann. In einer Wandung 4 des Leitungsrohres 2 sind
zwei Ultraschallwandler 6 und 8 derart angeordnet,
dass der jeweils andere in dem Abstrahlungskegel des einen liegt,
wobei einer der Wandler 8 stromab des ersten Wandlers 6 angeordnet
ist. Ultraschallsignale des Wandlers 6 werden vom Wandler 8 empfangen
und haben in ihrer Ausbreitungsrichtung, also entlang eines Messpfades 7, eine
Komponente in Strömungsrichtung
und Ultraschallsignale, die vom Wandler 8 in Richtung des Wandlers 6 ausgesandt
und vom Wandler 6 empfangen werden, haben eine gleichgroße Komponente entgegen
der Strömungsrichtung 5,
so dass Laufzeitdifferenzen auf Grund der Strömung 5 des Fluids messbar
sind. Damit im Messbereich der Vorrichtung 1 stets ein
reproduzierbares Strömungsprofil
vorhanden ist, ist stromaufwärts
der erfindungsgemäße Strömungsgleichrichter 10 angeordnet.
Selbstverständlich
ist es möglich,
dass die Vorrichtung 1 mehrere Messpfade mit einer entsprechenden
Anzahl von Ultraschallwandlern aufweist. Vorzugsweise sind die Messpfade
parallel zueinander angeordnet und verlaufen in unterschiedlichen
Bereichen des Strömungsprofils,
um insgesamt eine möglichst
genaue Messung des Durchflusses zu ermöglichen.