DE102009039659A1

DE102009039659A1 - Vortex-Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102009039659A1
Application number: DE102009039659A
Authority: DE
Inventors: Henrik Krisch
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-09-03
Also published as: DE102009039659A8; DE102009039659B4

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Vortex-Durchflussmessgerät (1) mit einem von einem Medium durchströmbaren Messrohr (2), einem in dem Messrohr vorgesehenen Staukörper (3) und einem im Wirkbereich des Staukörpers (3) vorgesehenen Druckaufnehmer (4), wobei der Druckaufnehmer (4) eine auslenkbare Membran (5) aufweist und die Auslenkung der Membran (5) messtechnisch zur Detektion des Drucks in dem der Membran (5) benachbarten Medium herangezogen wird. Das Vortex-Durchflussmessgerät ist besonders robust und für den Einsatz in rauer Umgebung dadurch geeignet, dass zur Erfassung der Auslenkung der Membran (5) wenigstens eine optische Faser (7) auf und/oder in der Membran (5) angeordnet ist, wobei die optische Faser (7) in ihrem Verlauf auf und/oder in der Membran (5) zumindest teilweise mit der Membran (5) wirksam verbunden ist, so dass eine durch den Mediumdruck hervorgerufene Auslenkung der Membran (5) in dem wirksam verbundenen Bereich (8) zu einer Streckung und/oder Stauchung der optischen Faser (7) führt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vortex-Durchflussmessgerät mit einem von einem Medium durchströmbaren Messrohr, einem in dem Messrohr vorgesehenen Staukörper und einem im Wirkbereich des Staukörpers vorgesehenen Druckaufnehmer, wobei der Druckaufnehmer eine auslenkbare Membran aufweist und die Auslenkung der Membran messtechnisch zur Detektion des Drucks in dem der Membran benachbarten Medium herangezogen wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Druckaufnehmer für ein Vortex-Durchflussmessgerät mit einer auslenkbaren Membran, wobei die Auslenkung der Membran messtechnisch zur Detektion des Drucks in dem der Membran benachbarten Medium herangezogen wird.
Vortex-Durchflussmessgeräte sind seit langem bekannt, wobei das Messprinzip auf der Tatsache beruht, dass sich in einem flüssigen oder gasförmigen Medium hinter einem Staukörper, der von dem Medium umströmt wird, eine Wirbelstraße ausbilden kann, die durch sich mit der Strömung fortbewegende, sich vom Staukörper abgelöste Wirbel gebildet ist. Die Frequenz, mit der sich Wirbel von dem Staukörper ablösen, ist von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig, wobei dieser Zusammenhang unter gewissen Voraussetzungen nahezu linear ist. Jedenfalls stellt die Messung der Wirbelfrequenz ein geeignetes Mittel zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Medium dar, weshalb indirekt – unter zusätzlicher Berücksichtigung von beispielsweise Druck und Temperatur – eine Bestimmung des Messdurchflusses durch die Wirbelfrequenzmessung möglich ist. Die in einer Wirbelstraße auftretenden Wirbel des Mediums führen zu lokalen Druckschwankungen, die von Druckaufnehmern detektiert werden können. Ein solcher Druckaufnehmer kann eine im Wesentlichen eben ausgestaltete Membran aufweisen und muss so in der Wirbelstraße angeordnet sein, dass die von dem Druckstaukörper erzeugten Wirbel – zumindest mittelbar – an der Membran des Druckaufnehmers vorbeiziehen und damit detektierbar sind. Dazu kann der Druckaufnehmer stromabwärts hinter dem Staukörper vorgesehen sein, er kann in dem Staukörper selbst ausgebildet sein oder beispielsweise über dem Staukörper angeordnet sein, wenn der Druckaufnehmer z. B. über Kanäle im Gehäuse des Durchflussmessgeräts die Druckschwanken der Wirbelstraße mittelbar erfasst.
Aus dem Stand der Technik sind ganz unterschiedliche Methoden bekannt, um die Auslenkung der Membran des Druckaufnehmers zu erfassen, es werden häufig kapazitive oder induktive Effekte genutzt, teilweise auch mit Piezokristallen gearbeitet. Auch ist aus dem Stand der Technik bekannt, optische Fasern zur Erfassung der Membranbewegung einzusetzen, wobei hier beispielsweise Konstruktionen bekannt sind, bei denen die optische Faser praktisch senkrecht vor der Membran des Druckaufnehmers steht und stirnseitig die Membran mit Licht beaufschlagt, das von der Membran reflektiert und nachfolgend zur Bewegungsdetektion verwendet wird. Derartige Konstruktionen sind jedoch für raue Prozessanwendungen wenig geeignet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Vortex-Durchflussmessgerät der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass Durchflussmessungen mit hoher Genauigkeit und in einem rauen Umfeld durchgeführt werden können.
Die zuvor hergeleitete und dargestellte Aufgabe ist bei dem Vortex-Durchflussmessgerät, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, dadurch gelöst, dass zur Erfassung der Auslenkung der Membran wenigstens eine optische Faser auf und/oder in der Membran angeordnet ist, wobei die optische Faser in ihrem Verlauf und/oder in der Membran zumindest teilweise mit der Membran wirksam verbunden ist, so dass eine durch den Mediumdruck hervorgerufene Auslenkung der Membran in dem wirksam verbundenen Bereich zu einer Streckung und/oder Stauchung der optischen Faser führt.
Die optische Faser verläuft bei dem erfindungsgemäßen Vortex-Durchflussmessgerät also praktisch in und/oder parallel zu der Erstreckungsebene der Membran des Druckaufnehmers und stützt sich demnach flächig an der Membran ab. Die optische Faser ist dadurch besonders geschützt und kann so hohen Drücken – auch bei hohen Temperaturen – standhalten. Dadurch, dass die optische Faser die Auslenkung der Membran, indem sie wirksam mit der Membran verbunden ist, mitmacht bzw. mitmachen muss, wird die optische Faser gestreckt oder gestaucht – je nach Auslenkung der Membran-, wobei diese Längenänderung der Faser mit hoher Präzision optisch ausgewertet werden kann, beispielsweise durch an sich bekannte Verfahren, die beispielsweise auf der Interferenz elektromagnetischer Wellen beruhen. Mit diesem Verfahren ist es ohne weiteres möglich, Längenänderungen sicher zu detektieren, die im Bereich der Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlungen liegen.
In den Bereichen, in denen die optische Faser nicht wirksam mit der Membran verbunden ist, liegt die optische Faser vorzugsweise auch auf oder in der Membran, so dass die Faser zwar durch eine Bewegung der Membran selbst nicht gestaucht oder gestreckt wird, sich aber an der Membran abstützen kann.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die optische Faser im wesentlichen nur an den Orten mit der Membran wirksam verbunden ist, die bei einer durch den Mediumdruck hervorgerufenen Auslenkung der Membran zu einer gleichsinnigen Streckung oder Stauchung der optischen Faser führen. Dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt die wichtige Erkenntnis zugrunde, dass eine druckbeaufschlagte Membran nicht ausschließlich nur Bereiche aufweist, die gestreckt sind, oder ausschließlich nur Bereiche aufweist, die gestaucht sind, sondern dass bei einer Druckbeaufschlagung die Membran des Druckaufnehmers sowohl Bereiche aufweisen kann, die gestaucht sind, als auch Bereiche aufweisen kann, die gestreckt sind. Demzufolge ist es also durchaus möglich, dass eine optische Faser, die in beiden Bereichen, also dem gestauchten und dem gestreckten Bereich, wirksam mit der Membran verbunden ist sowohl gestaucht als auch gestreckt werden kann, so dass der Effekt einer resultierenden Längenänderung der optischen Faser im Ergebnis geschwächt wird, was nicht gewünscht sein kann. Aus diesem Grund wird die optische Faser im Wesentlichen nur an den Orten mit der Membran wirksam verbunden, die einheitlich nur für eine Stauchung oder Streckung der optischen Faser sorgen, so dass in Summe ein großer Gesamteffekt erzielt wird, was die Erkennung der Membranauslenkung messtechnisch vereinfacht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verläuft die optische Faser im Bereich der wirksamen Verbindung mit der Membran geradlinig, was insbesondere aus herstellungstechnischen Gründen vorteilhaft ist, aber auch vorteilhaft ist hinsichtlich der Bewertbarkeit der lokalen und insgesamt resultierende Streckung/Stauchung der Membran bei einer Druckbeaufschlagung. Insbesondere ist deshalb vorgesehen, dass der Bereich der wirksamen Verbindung zwischen der optischen Faser und der Membran so gewählt ist, dass die resultierende Stauchung oder Streckung im Wesentlichen maximal ist.
Zur interferometrischen Auswertung der über die optische Faser geführten elektromagnetischen Wellen sind verschiedene Verfahren denkbar, wie beispielsweise die Auswertungen durch einen Michelson-Interferometer oder durch ein Mach-Zehnder-Interferometer. Bei Michelson-Interferometern wird die Phasenlage zweier Lichtwellen relativ zueinander untersucht, die aus einem einzigen Lichtsignal unter Verwendung eines Strahlteilers erzeugt worden sind, verschiedene optische Wege durchlaufen, nämlich beispielsweise einen Referenzpfad, dessen Länge durch eine Druckbeaufschlagung der Membran unbeeinflusst ist, und den Messpfad, der durch die mit der Membran wirksam verbundene optische Faser gebildet ist. Bei Michelson-Interferometern werden die elektromagnetischen Wellen am Ende der beiden Teilpfade reflektiert, was im Falle einer optischen Faser beispielsweise durch eine reflektive Beschichtung erreicht wird, danach werden die reflektierten Wellen zur Interferenz gebracht. Bei Mach-Zehnder-Interferometern wird ebenfalls ein Referenz- und ein Messlichtweg durch einen Strahlteiler erzeugt, wobei die nur in einer Richtung durchlaufenen Lichtwege mittels eines zweiten Strahlteilers überlagert werden, die Lichtwege von den elektromagnetischen Wellen also nur einmal durchlaufen werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, insbesondere bei Vortex-Durchflussmessgeräten, die eine interferrometrische Auswertung nach Mach-Zehnder realisieren, dass die – den Messzweig realisierende – optische Faser in einer Hinführrichtung zu der Membran geführt ist und unter Ausbildung einer Schlaufe in einer zur Hinführrichtung im Wesentlichen gegensinnigen Rückführrichtung von der Membran weggeführt ist. Diese Ausgestaltung ist deshalb vorteilhaft, weil eine zur Erzeugung der elektromagnetischen Wellen notwendige Sendevorrichtung und eine zur Auswertung der Lichtwellen notwendige Auswertevorrichtung in einer einzigen kompakten Auswerteeinheit gemeinsam realisiert werden können, so wie es bei konventionellen Vortex-Durchflussmessgeräten üblich ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist als optische Faser ein Faser-Bragg-Gitter vorgesehen, also eine optische Faser, in deren Kern ein optischer Interferenzfilter eingeschrieben ist, wobei durch Untersuchung der reflektierten oder transmittierten Wellenlänge Aufschluss über den Dehnungs-/Stauchungszustand der optischen Faser erhalten wird. Der Bereich der optischen Faser, dem das Bragg-Gitter einbeschrieben ist, muss in dem wirksam mit der Membran verbundenen Bereich liegen, um einen wahrnehmbaren Effekt bei Auslenkung der Membran zu erhalten. Bei Auswertung des transmittierten Signals bietet sich die zuvor beschriebene Rückführung der Faser durch Schlaufenbildung an.
In jedem Fall ist darauf zu achten, dass der Krümmungsradius der Schlaufe den Krümmungsradius nicht unterschreitet, bei dem noch eine Totalreflexion der Lichtwelle durch die optische Faser erfolgen kann; zusätzlich sind die mechanische Stabilität gewährleistende Minimal-Krümmungsradien zu beachten.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird davon ausgegangen, dass der auslenkbare Bereich der Membran im Wesentlichen kreisförmig begrenzt ist, entlang dieser Begrenzung eingespannt ist und einen Radius R aufweist. Durch die kreisförmige Einspannung entlang des Umfangs des auslenkbaren Bereichs der Membran werden folglich auch Momente auf die Einspannung übertragen. Für den Fall der festen Einspannung gelten bei Beaufschlagung der Membran mit einem Druck p für die Radialspannung: σ_r und die Umfangsspannung σ_φ die folgenden Zusammenhänge:
wobei die Formelzeichen die folgende Bedeutung haben:

σr: = Radialspannung,
σφ: = Umfangsspannung,
p: = Druck,
t: = Dicke der Membran,
R: = Radius der Membran und
μ: = Possionzahl.

Die eigentlich interessierende Deformation der Membran entlang des Pfades, der den Bereich kennzeichnet, in dem die optische Faser wirksam mit der Membran verbunden ist, ist gegeben für eine elastische Deformation durch Gleichung 3:
wobei E das Elastizitätsmodul des Materials der Membran ist, σ_t die Spannung tangential zu dem Verlauf der optischen Faser ist, σ_o die Spannung orthogonal zu dem Verlauf der Faser ist.
Die Gesamtverzerrung ergibt sich dann durch Integration der lokal vorliegenden Verzerrungen entlang des Verlaufs der optischen Faser, in dem Bereich, in dem die optische Faser mit der Membran wirksam verbunden ist, also durch
Durch Ausführung der Integration und Ermittlung der maximalen Verzerrung ergibt sich für eine gradlinig, radial aus dem Zentrum der optischen Membran geführte optische Faser, dass eine Dehnung der Faser im Bereich von r = [0]; R/√3] vorliegt und eine gegensinnige Deformation der Membran in dem verbleibenden Randbereich vorliegt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, dass bei einer radial orientierten optischen Faser der Bereich der wirksamen Verbindungen auf der Membran mit einem kreisförmig begrenzten auslenkbaren Bereich im Bereich von r = [0]; R/√3] vorgesehen ist oder – da ja eine vollkommene Symmetrie vorliegt – der Bereich der wirksamen Verbindung zwischen optischer Faser und Membran im Bereich von r = [–R/√3; R/√3] vorgesehen ist. Bevorzugt werden die angegebenen Bereiche vollständig für die wirksame Verbindung zwischen Membran und optischer Faser genutzt, da dann eine maximale Dehnung erfolgt und daher die Detektion einer Auslenkung besonders sicher ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der wiederum von einer fest eingespannten Membran mit einem kreisförmig berandeten auslenkbaren Bereich ausgegangen wird, ist nunmehr vorgesehen, den Bereich der wirksamen Verbindung zwischen der optischen Faser und der Membran zumindest teilweise entlang eines Kreises oder eines Kreissegments um den Mittelpunkt der Membran verlaufen zu lassen. Durch Anwendung der zuvor aufgezeigten gleichungsmäßigen Zusammenhänge auf den kreisförmigen Verlauf der optischen Faser lässt sich zeigen, dass eine maximale Dehnung und damit ein maximaler messtechnischer Effekt bei einem Radius von r = R/√3 vorliegt, weshalb in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass der kreis- oder kreissegmentförmige Bereich der wirksamen Verbindung zwischen der optischen Faser und der Membran einen Radius von im Wesentlichen r = R/√3 aufweist.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vortex-Durchflussmessgeräts ist vorgesehen, dass – wie zuvor – der auslenkbare Bereich der Membran im Wesentlichen kreisförmig begrenzt ist, nunmehr aber im Wesentlichen momentenfrei gelagert ist und ebenfalls den Radius R aufweist. Der auslenkbare Bereich ist an seinem Umfang diesmal also nicht eingespannt, so dass Momente von der – wie auch immer ausgestalteten – Lagerung der Membran nicht aufgenommen werden. In diesem Fall lassen sich die Radialspannung σ_r und die Umfangsspannung σ_φ wie folgt beschreiben:
Die Kombination der Gleichungen 5 und 6 mit Gleichung 4 gestattet wiederum Berechnung der resultierenden Verzerrung der Membran entlang eines bestimmten Pfades auf der Membran, der hier also durch den Verlauf der optischen Faser auf der Membran bestimmt ist. Es lässt sich wiederum zeigen, dass bei einem gradlinigen Weg, der radial aus dem Zentrum der Membran führt, eine Deformation im Bereich von r = [0; R√((3 + μ)/(3 + 3μ))] vorliegt, dementsprechend eine gegensinnig orientierte Deformation im verbleibenden Außenbereich vorliegt. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vortex-Durchflussmessgeräts mit momentenfrei gelagerter kreisförmig begrenzter Membran ist deshalb vorgesehen, dass der Bereich der wirksamen Verbindung im Bereich von r = [0; R√((3 + μ)/(3 + 3μ))] vorgesehen ist oder im Bereich von r = [–R√((3 + μ)/(3 + 3μ)); R√((3 + μ)/(3 + 3μ))] vorgesehen ist. Bevorzugt werden die angegebenen Bereiche vollständig für die wirksame Verbindung zwischen Membran und optischer Faser genutzt, weil dann der erzielte Summeneffekt am größten ist und wirbelerzeugte Druckschwankungen am sichersten detektiert werden können.
Entsprechend lässt sich auch für den Fall der im Wesentlichen momentenfrei gelagerten Membran und für den Fall, dass die wirksame Verbindung zwischen der optischen Faser und der Membran zumindest teilweise entlang eines Kreises oder eines Kreissegments um den Mittelpunkt der Membran verläuft, zeigen, dass dann ein gewählter Radius r = R√((3 + μ)/(3 + 3μ)) zu einem maximalen Effekt führt und deshalb bevorzugt verwendet wird.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die optische Faser zumindest teilweise entlang eines Kreissegments verläuft, wobei jedoch der Kreismittelpunkt des Kreissegments gegenüber dem Mittelpunkt des auslenkbaren Bereichs der Membran um etwa 3% bis 6% des Radius R des auslenkbaren Bereichs der Membran verschoben ist, bevorzugt um 4,5% dieses Radius verschoben ist, wobei der Kreissegmentradius etwa 50% bis 70% des Radius des auslenkbaren Bereichs der Membran ausmacht, bevorzugt etwa 63% dieses Radius ausmacht, und sich das Kreissegment zum Mittelpunkt des auslenkbaren Bereichs der Membran hin öffnet, wobei diese Öffnung insbesondere symmetrisch zu dem Mittelpunkt des auslenkbaren Bereichs der Membran erfolgt. Numerische Simulationen haben ergeben, dass bei dieser Anordnung der optischen Faser auf der im Wesentlichen eingespannten Membran eine maximale Längenänderung bei Druckbeaufschlagung der Membran verzeichnet werden kann. Die Anordnung ist wiederum insbesondere dann vorteilhaft, wenn wenigstens einer der optischen Pfade in Transmission betrieben wird, wie dies beim Mach-Zehnder-Interferometer der Fall ist; hier bildet das Kreissegment dann bevorzugt im Wesentlichen einen Halbkreis.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass auf jeder Seite der Membran eine optische Faser vorgesehen ist und die Streckung/Stauchung beider Fasern zur Erfassung der Auslenkung der Membran herangezogen werden, insbesondere wobei die optischen Fasern jeweils so mit der Membran wirksam verbunden sind, dass die eine optische Faser gestreckt wird, während die andere Faser gestaucht wird und umgekehrt. Dadurch lassen sich besonders gut detektierbare Differenzeffekte nutzen.
Nach einer eigenständigen Lehre betrifft die Erfindung auch einen Druckaufnehmer für ein Vortex-Durchflussmessgerät, wobei die Auslenkung der Membran messtechnisch zur Detektion des Drucks in dem der Membran benachbarten Medium heranziehbar ist, wobei zur Erfassung der Auslenkung der Membran wenigstens eine optische Faser auf und/oder in der Membran angeordnet ist, wobei die optische Faser in ihrem Verlauf auf und/oder in der Membran zumindest teilweise mit der Membran wirksam verbunden ist, so dass eine durch den Mediumdruck hervorgerufene Auslenkung der Membran in dem wirksam verbundenen Bereich zu einer Streckung und/oder Stauchung der optischen Faser führt.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Vortex-Durchflussmessgerät und den erfindungsgemäßen Druckaufnehmer auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 15 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Vortex-Durchflussmessgeräts mit Druckmeßaufnehmer in Schnittdarstellung,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Membran mit einer optischen Faser, wobei die optische Faser zentral und gradlinig auf der Membran ausgerichtet ist,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Membran mit einer in einem kreisförmigen Bereich wirksam mit der Membran verbundenen optischen Faser,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Membran eines Druckmessaufnehmers mit einer halbkreisförmigen, mittelpunktverschobenen optischen Faser,
5a–5e weitere Ausführungsbeispiele zur Erstreckung einer optischen Faser auf einer Membran in wirksam verbundenen Bereichen und
6a, b die Membran eines Druckaufnehmers mit aufgebrachter optischer Faser im Querschnitt.
In 1 ist in einer Schnittdarstellung schematisch ein Vortex-Durchflussmessgerät 1 dargestellt mit einem Messrohr 2, das von einem nicht weiter dargestellten Medium durchströmbar ist. In dem Messrohr 2 ist ein Staukörper 3 vorgesehen, der von dem Medium angeströmt wird und durch den stromabwärts Wirbel in dem Medium erzeugt werden, die sich vom Staukörper stromabwärts ablösen und mit dem strömenden Medium davongetragen werden und eine Wirbelstraße ausbilden. Die Frequenz, mit der sich Wirbel ablösen, ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Messrohrs 2.
Im Wirkbereich des Staukörpers 3 ist ferner ein Druckaufnehmer 4 vorgesehen, wobei der Druckaufnehmer 4 eine auslenkbare Membran 5 aufweist und die Auslenkung der Membran 5 messtechnisch zur Detektion des Drucks in dem der Membran benachbarten Medium herangezogen werden kann. Wenn davon die Rede ist, dass ”im Wirkbereich des Staukörpers 3” ein Druckaufnehmer 4 vorgesehen ist, dann ist damit gemeint, dass der Druckaufnehmer 4 – durch welche konstruktiven Maßnahmen auch immer – so angeordnet ist, dass er die von dem Staukörper 3 hervorgerufenen Wirbel und die durch diese Wirbel hervorgerufenen Druckschwankungen erfassen kann. Dazu kann der Druckaufnehmer tatsächlich stromabwärts hinter dem Staukörper angeordnet sein, der Druckaufnehmer 4 kann aber auch, wie in 1 dargestellt, im Wesentlichen oberhalb des Staukörpers 3 angeordnet sein, wobei die durch die Wirbel hervorgerufenen Druckschwankungen durch in dem Messrohr 2 vorgesehene Kanäle 6 zu der Membran 5 gelangen.
Gemeinsam ist allen dargestellten Ausführungsbeispielen, dass zur Erfassung der Auslenkung der Membran 5 wenigstens eine optische Faser 7 auf der Membran 5 angeordnet ist, wobei die optische Faser 7 in ihrem Verlauf auf der Membran 5 zumindest teilweise mit der Membran 5 wirksam verbunden ist, so dass eine durch den Mediumdruck hervorgerufene Auslenkung der Membran 5 in dem wirksam verbundenen Bereich 8 zu einer Streckung und/oder Stauchung der optischen Faser 7 führt.
Durch die flächige Anordnung der optischen Faser 7 auf der Membran 5 lässt sich die optische Faser 7 besonders sicher und geschützt an der Membran 5 befestigen, weshalb die Anordnung auch für widrige Einsatzbedingungen geeignet ist, also beispielsweise für Einsatzbedingungen mit hohen Prozessdrücken und -temperaturen.
Besonders vorteilhaft ist bei den in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen, dass die optische Faser 7 im Wesentlichen nur an den Orten mit der Membran 5 wirksam verbunden ist, die bei einer durch den Mediumdruck hervorgerufenen Auslenkung der Membran 5 zu einer gleichsinnigen Streckung oder Stauchung der optischen Faser 7 führen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass mit jeder Erweiterung des wirksam verbundenen Bereiches 8, in dem die optische Faser 7 die Stauchung oder Streckung der Membran 5 mitmacht, zu einer zusätzlichen Auslenkung führt, die sich zu den Auslenkungen addiert, die in den weiteren Punkten des wirksam verbundenen Bereiches 8 vorliegen. Nähere Untersuchungen verschiedener Membranformen haben zu der Erkenntnis geführt, dass durch eine Druckbeaufschlagung die Membran 5 nicht in allen Bereichen gestaucht oder gestreckt wird, sondern vielmehr Bereiche auftreten, in denen eine Stauchung der Membran 5 vorliegt und Bereiche vorliegen, in denen eine Streckung der Membran 5 vorliegt. Damit sich nicht ungünstigstenfalls alle Effekte über den Verlauf der optischen Faser 7 im wirksam verbundenen Bereich 8 aufheben und ein möglichst großer Summeneffekt erzielt wird, sind die optischen Fasern 7 in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 8 auf der Membran 5 in bestimmter Weise angeordnet worden.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 bis 4 ist die optische Faser 7 in einer Hinführrichtung zu der Membran hin geführt und ist die optische Faser 7 unter Ausbildung einer Schlaufe 9 in einer zur Hinführrichtung im Wesentlichen gegensinnigen Rückführrichtung von der Membran 5 weggeführt. Diese Anordnung ist insbesondere bei solchen Vortex-Durchflussmessgeräten sinnvoll, die wenigstens ein über einen vollständig transmittierten Pfad geführtes unreflektiertes elektromagnetisches Signal auswerten, was beispielsweise bei Mach-Zehnder-Interferometern der Fall ist.
In den 1, 2 und 5 verlaufen die optischen Fasern 7 im Bereich 8 der wirksamen Verbindung mit der Membran geradlinig, wobei hier auch darauf geachtet worden ist, dass der Bereich 8 der wirksamen Verbindung so gewählt ist, dass die resultierende Deformation (Stauchung, Streckung) der Membran maximal ist.
Welcher Pfad der optischen Faser 7 auf der Membran 5 innerhalb des wirksam verbundenen Bereiches 8 zu wählen ist, hängt stark von der Geometrie der Membran 5 und der Lagerung der Membran 5 ab, so dass hier Fallunterscheidungen bezüglich verschiedener Randbedingungen und Geometrievorgaben zu treffen sind.
In den 2 bis 4 ist der auslenkbare Bereich 10 der Membran 5 im Wesentlichen kreisförmig begrenzt und entlang dieser Begrenzung in einem Einspannbereich 11 eingespannt, wobei der auslenkbare Bereich 10 der Membran 5 einen Radius R aufweist. Ein runder auslenkbarer Bereich 10 der Membran 5 ist gegenüber eckigen Konturen häufig von Vorteil, da die Rotationssymmetrie per se mechanische Spannungsspitzen an bestimmten Einspannbereichen nicht aufweist. Eine umlaufende Einspannung der Membran im Einspannbereich kann beispielsweise durch eine die Membran unter Vorspannung umgreifende Membranhalterung 12 realisiert sein, wie sie in 1 angedeutet ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die optische Faser 7 radial orientiert, wobei der Bereich 8 der wirksamen Verbindung von Membran 5 und der optischen Faser 7 im Bereich von r = [–R/√3; R/√3] vorgesehen ist, wobei vorliegend dieser Bereich vollständig für den Bereich 8 der wirksamen Verbindung genutzt ist. Wie im allgemeinen Beschreibungsteil ausgeführt worden ist, lässt sich zeigen, dass bei einer fest eingespannten kreisförmigen Membran eine einheitliche – gleichgerichtete – Deformation vom Zentrum der Membran bis zum etwa 0,58-fachen des Radius vorliegt und von dort bis zum Außenbereich eine entgegengerichtete Deformation vorliegt.
Das Ausführungsbeispiel einer Membran 5 gemäß 3 zeichnet sich dadurch aus, dass der Bereich 8 der wirksamen Verbindung zwischen der optischen Faser 7 und der Membran 5 zum Großteil entlang eines Kreises um den Mittelpunkt der Membran 5 verläuft, wobei der Kreis bzw. hier das Kreissegment einen Radius vom im Wesentlichen dem 0,58-fachen des Radius R des auslenkbaren Bereichs 10 der Membran 5 aufweist. Auch hier ist der – wie zuvor bereits erläutert worden ist – Effekt einer gleichsinnigen Deformation in Umfangsrichtung am größten und nimmt sowohl zur Berandung des auslenkbaren Bereichs 10 der Membran 5 wie auch zum Zentrum der Membran 5 hin ab, bis keine Deformation mehr vorliegt und sich die verschiedenen Deformationen aufheben.
Bei anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist der auslenkbare Bereich der Membran ebenfalls im Wesentlichen kreisförmig begrenzt, jedoch im Gegensatz zu den hier dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Membran in Wesentlichen momentenfrei gelagert. Wie weiter oben dargestellt, verläuft dann die Grenzlinie zwischen Streckung und Stauchung viel weiter im Außenbereich als dies bei den fest eingespannten Membranen der Fall ist.
Bei tatsächlich realisierten Membraneinspannungen liegt möglicherweise eine Mischform der beiden ”reinen” Lagerungen vor, also eine Mischform zwischen der momentenfreien und der vollständig Momente aufnehmenden Lagerung. Insoweit wird folglich empfohlen, den Bereich 8 der wirksamen Verbindungen im Bereich von r = [R/√3; R√((3 + μ)/(3 + 3μ)] vorzusehen.
Die in 4 dargestellte Membran 5 zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Faser 7 in dem mit der Membran wirksam verbundenen Bereich 8 entlang eines Kreissegments verläuft, hier entlang eines Halbkreises, wobei der Kreismittelpunkt M_S des Kreissegments um etwa 4,5% des Radius R des auslenkbaren Bereichs 10 der Membran 5 verschoben ist und der Radius r des Kreissegments etwa 63% des Radius R des auslenkbaren Bereichs 10 der Membran 5 ausmacht. Ein solcher mittelpunktverschobener Halbkreis des angegebenen Radius r weist dann eine maximale Deformation auf, wenn er sich symmetrisch zum Mittelpunkt M₀ des auslenkbaren Bereichs 10 der Membran 5 hin öffnet, der Mittelpunkt M₀ also innerhalb des Halbkreissegments liegt und nicht außerhalb.
In 5 sind verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele zur Anordnung und Ausrichtung von wirksam verbundenen Bereichen 8 zwischen optischer Faser 7 und Membran 5 dargestellt. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 5b und 5c verläuft der Bereich der wirksamen Verbindung zwischen optischer Faser 7 und der Membran 5 geradlinig und radial durch das Zentrum der Membran 5, was die Herstellung vereinfacht und gut reproduzierbare Ergebnisse unterstützt. Hier werden ausschließlich Radialspannungen und die durch Sie verursachten Deformationen der Membran 5 erfasst.
Die Anordnung der wirksam verbundenen Bereiche 8 gemäß den 5d und 5e verlaufen ebenfalls geradlinig auf der Membran 5, sind jedoch dezentral auf der Membran 5 angeordnet, so dass sie nicht nur durch Radialspannungen, sondern auch durch Umfangsspannungen beeinflusst werden. Es ist immer darauf zu achten, dass die entstehende Schlaufe 9 einen hinreichend großen KrÜmmungsradius aufweist, damit innerhalb der optischen Faser 7 Totalreflexion erreicht wird. Alle in 5 dargestellten Ausführungsbeispiele eignen sich vor allem zur Verwendung mit einem Interferometer nach Mach-Zehnder, bei dem die verschiedenen Signalpfade im Wesentlichen reflektionsfrei durchlaufen werden und das emittierte und die optische Faser durchlaufende Lichtsignal ohne abschließende Reflexion ausgewertet wird.
6 zeigt den Querschnitt durch eine Membran 5 und durch auf der Membran 5 befestigte optische Fasern 7. Die Membran 5 besteht hier aus einer Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Keramik, wobei die optische Fasern 7 mittels einer großflächig aufgetragenen Beschichtung 13 auf der Membran befestigt sind. Bei dem in 6b dargestellten Ausschnitt ist die Glasfaser 7 durch lokal aufgebrachten Klebstoff 13 benetzt und mit der Membran 5 verbunden.
6a zeigt ferner, dass auf jeder Seite der Membran 5 eine optische Faser 7 vorgesehen ist und die Streckung/Stauchung beider Fasern 7 zur Erfassung der Auslenkung der Membran 5 heranziehbar ist. Die optischen Fasern 7 sind jeweils so mit der Membran 5 wirksam verbunden, dass die eine optische Faser 7 gestreckt wird, wenn die andere Faser 7 gestaucht wird und umgekehrt. Durch die unterschiedlichen Effekte lässt sich dann ein größeres Differenzsignal zur Detektierung der Auslenkung der Membran 5 erreichen.

Claims

Vortex-Durchflussmessgerät (1) mit einem von einem Medium durchströmbaren Messrohr (2), einem in dem Messrohr (2) vorgesehenen Staukörper (3) und einem im Wirkbereich des Staukörpers (3) vorgesehenen Druckaufnehmer (4), wobei der Druckaufnehmer (4) eine auslenkbare Membran (5) aufweist, und die Auslenkung der Membran (5) messtechnisch zur Detektion des Drucks in dem der Membran (5) benachbarten Medium herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Auslenkung der Membran (5) wenigstens eine optische Faser (7) auf und/oder in der Membran (5) angeordnet ist, wobei die optische Faser (7) in ihrem Verlauf auf und/oder in der Membran (5) zumindest teilweise mit der Membran (5) wirksam verbunden ist, so dass eine durch den Mediumdruck hervorgerufene Auslenkung der Membran (5) in dem wirksam verbundenen Bereich (8) zu einer Streckung und/oder Stauchung der optischen Faser (7) führt.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (7) im Wesentlichen nur an den Orten mit der Membran (5) wirksam verbunden ist, die bei einer durch den Mediumdruck hervorgerufenen Auslenkung der Membran (5) zu einer gleichsinnigen Streckung oder Stauchung der optischen Faser (7) führen.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (7) in einer Hinführrichtung zu der Membran (5) hin geführt ist und unter Ausbildung einer Schlaufe (9) in einer zur Hinführrichtung im Wesentlichen gegensinnigen Rückführrichtung von der Membran (5) weg geführt ist.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (7) im Bereich (8) der wirksamen Verbindung mit der Membran (5) geradlinig verläuft, insbesondere der Bereich (8) der wirksamen Verbindung so gewählt ist, dass die resultierende Stauchung oder Streckung der Membran maximal ist.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der auslenkbare Bereich (10) der Membran (5) im Wesentlichen kreisförmig begrenzt und entlang dieser Begrenzung eingespannt ist und einen Radius R aufweist.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (7) radial orientiert ist und der Bereich (8) der wirksamen Verbindung im Bereich von r = [0; R/√3] vorgesehen ist oder im Bereich von r = [–R/√3; R/√3] vorgesehen ist, wobei bevorzugt die angegebenen Bereiche vollständig für die wirksame Verbindung zwischen der Membran (5) und der optischen Faser (7) genutzt sind.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) der wirksamen Verbindung zwischen der optischen Faser (7) und der Membran (5) zumindest teilweise entlang eines Kreises oder eines Kreissegments um den Mittelpunkt M₀ der Membran (5) verläuft, insbesondere wobei der Kreis oder das Kreissegment einen Radius von im Wesentlichen r = R/√3 aufweist.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der auslenkbare Bereich (10) der Membran (5) im Wesentlichen kreisförmig begrenzt und im Wesentlichen momentenfrei gelagert ist und den Radius R aufweist.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (7) radial orientiert ist und der Bereich (8) der wirksamen Verbindung im Bereich von r = [0; R√((3 + μ)/(3 + 3μ))] vorgesehen ist oder im Bereich von r = [–R√((3 + μ)/(3 + 3μ)); R√((3 + μ)/(3 + 3μ))] vorgesehen ist, wobei μ die Poissonzahl des Membranmaterials ist, wobei bevorzugt die angegebenen Bereiche vollständig für die wirksame Verbindung zwischen der Membran (5) und der optischen Faser (7) genutzt sind.
Vortex-Durchflussmessgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) der wirksamen Verbindung zwischen der optischen Faser (7) und der Membran (5) zumindest teilweise entlang eines Kreises oder eines Kreissegments um den Mittelpunkt M₀ der Membran verläuft, insbesondere wobei der Kreis oder das Kreissegment einen Radius von im Wesentlichen r = R√((3 + μ)/(3 + 3μ)) aufweist, wobei μ die Poissonzahl des Membranmaterials ist.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mit der Membran (5) wirksam verbundenen Bereich (8) die optische Faser (7) zumindest teilweise entlang eines Kreissegments verläuft, wobei der Kreismittelpunkt (M_S) des Kreissegments gegenüber dem Mittelpunkt (M₀) des auslenkbaren Bereichs (10) der Membran (5) um etwa 0,03·R bis 0.06·R, bevorzugt 0,045·R, verschoben ist, der Kreissegmentradius etwa 0,5·R bis 0,7·R, bevorzugt 0,63·R, beträgt und sich das Kreissegment, insbesondere symmetrisch, zum Mittelpunkt des auslenkbaren Bereichs (10) der Membran (5) hin öffnet.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreissegment ein im Wesentlichen ein Halbkreis ist.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Seite der Membran eine optische Faser (7) vorgesehen ist und die Streckung/Stauchung beider Fasern (7) zur Erfassung der Auslenkung der Membran (5) herangezogen wird, insbesondere wobei die optischen Fasern (7) so mit der Membran (5) wirksam verbunden sind, dass bei einer Auslenkung der Membran (5) die eine optische Faser (7) gestreckt wird, während die andere optische Faser (7) gestaucht wird und umgekehrt.
Vortex-Durchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Faser (7) eine Multicore-Faser, eine Photon-Crystal-Faser (PCF), eine Solid-Core-Photon-Crystal-Faser (SCPCF) oder eine optische Faser mit Faser-Bragg-Gitter verwendet ist.
Druckaufnehmer für ein Vortex-Durchflussmessgerät (1) mit einer auslenkbaren Membran (5), wobei die Auslenkung der Membran (5) messtechnisch zur Detektion des Drucks in dem der Membran (5) benachbarten Medium herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Auslenkung der Membran (5) wenigstens eine optische Faser (7) auf und/oder in der Membran (5) angeordnet ist, wobei die optische Faser (7) in ihrem Verlauf auf und/oder in der Membran (5) zumindest teilweise mit der Membran (5) wirksam verbunden ist, so dass eine durch den Mediumdruck hervorgerufene Auslenkung der Membran (5) in dem wirksam verbundenen Bereich (8) zu einer Streckung und/oder Stauchung der optischen Faser (7) führt.
Druckaufnehmer nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils wenigstens eines Anspruchs der Ansprüche 2 bis 14.