DE1964280A1 - Durchflussmesseinrichtung - Google Patents

Description

1964290

Patentanwalt

Dipl.-Ing. Walter Jackisch

7000 Stuttgart 1, ·

Menzelstraße 40 Den 20. 12. 1969

A 31 421 - s Anmelder: ·

EASTEOH, INC.

2381 South Clinton Avenue

South Plainfield

Jersey, USA , ,- ". ■

"Durchflußmeßeinrichtung"

Die Erfindung "betrifft eine. Durchflußmeßeinrichtung mit einem ortsfest innerhalb eines Strömungskanals sowie quer zu dessen Längsachse angeordnetem Wirbelkörper, der innerhalb des Strömungsmediums eine nichtintermittierende, schwingende Strömungsbewegung mit einer der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Frequenz erzeugt. » -

Die Wirkungsweise derartiger Durchflußmeßeinrichtungen beruht auf der Erzeugung einer vergleichsweise starken, nichtintermittierenden Schwingbewegung' in einem Strömungsmedium, wobei diese Schwingungen in elektrische Signale umgesetzt werden, deren Frequenz ein Maß für die Durchflußgeschwindigkeit und damit für den Mengenstroin innerhalb des Strömunga-

- kanals darstellt. Für diesen "Zweck sind bereits verschiedene Wirbelkörper bekannt geworden, die" starke, regelmäßige Strömungsschwingungen mit hohem Futz-Störsignalverhältnis erzeugen sollen, wobei die Meßfühler außerhalb der durch ..den Wirbelkörper innerhalb des Strömungsmediums ,erzeugten /Wirbelstraße angeordnet sind. Hierbei ist es z.B. üblich,"

ein entsprechendes Üihlglied durch eine öffnung einer Rohrwandung in eine Zone periodischer, schwacher Turbulenz außerhalb der eigentlichen n'irbelzone in den Strömungskanal einzuführen.

Beim praktischen Betrieb von Durchflußmefeinrichtungen der •vorliegenden Art, müssen die Hihlglieder und Wirbelkörper für Zwecke· der Wartung, Prüfung und Instandsetzung zugänglich sein Insbesondere ist es bei Meßeinrichtungen in stark schmutzbeladenen, oder Pestkörper führenden Strömungsmedien erforderlich, die V/irbelkörper und Meßfühler vergleichsweise oft zu reinigen, da die Meßempfindlichkeit und die Genauigkeit der Meßeinrichtung von der wirksamen Form der Wirbelkörper abhängen, weigh letztere aber wiederum durch Ablagerung von Schmutz und anderen !Feststoffen einer raschen Veränderung unterliegen kann.

Weiterhin ist eine Anordnung der Meßfühler innerhalb des Strömungskanals in der Weise erwünscht, daß die ITutzslgnale der Strömungsschwingungen gegenphasig, Unterbrechungen und sonstige pulsierende Störsignale dagegen gleichphasig erfaßt werden, um letztere auszuschalten und.das wirksame Nutz-Störsignalverhältnis und damit die Meßgenauigkeit zu ver-, ;,

bessern. Hierfür ist bei den üblichen; Einrichtungen jedoch die Anbringung einer Vielzahl von Meßfühlern und Wirbelkörper mit entsprechenden Durchbrechungen und Durchführungen der Kanalwandung 'für Halt er ungs organe und:^: Zuführungen erforderlieh. Dies ist nicht nur mit einem allgemein hohen Konstruktion»- und Ifertigungsaufwand, sondern auch insbesondere mit Dichtungsprolfrlemen verbunden. ._

Weiterhin komaen für Meßeinrichtungen der vorlitgtnden Art z.B. auf die]Strömungsgeschwindigkeit! ansprechende Meßfühler in Betracht, und zwar etwa selbstbehfizte Widerstandselemente

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wie z.B. tropfenförmige Thermistor-Fühler*und dergleichen. Derartige Fühler sind hinsichtlich ihrer Abmessungen häufig klein gegenüber der Ausdehnung der zufällig verteilt auftretenden Strömungsstörungen (Turbulenzrauscheii), welche die regulären Strömungsschwingungen begleiten. Die geringe Größe dieser Fühler bewirkt eine Begrenzung des Nutz-Störsignalpegels und kann daher die Zuverlässigkeit der Meßung beeinträchtigen. Weiterhin kommen als Meßfühler Druckübertrager in Betracht, deren Meßflächen über Meßdruckleitungen mit den vorgesehenen Meßstellen verbunden sind. Wenn hierbei jedoch im Interesse der Kompensation von Störschwingungen die Meßstellen diametral gegenüberliegend am Meßkanal angeordnet werden, so ergibt sich selbst bei Verwendung eines einzigen Differenzdruckmessers mit entsprechend kürzeren Meßleitungen noch eine insgesamt vor allem bei Rohrleitungen größeren Durohmessers unerwünscht große Länge der Meßdruckleitungen. Mit aunehmender Leitungslänge ergibt sich aber die Gefahr von Rohrlängsschwingungen erster Ordnung, de.ren Frequenz innerhalb des NutE-Signal-Frequenzbereiches der Durchflußmeßung liegen kann. Hierdurch wird sodann der wirksame Störsignalpegel stark angehoben und das Nutz-Störsignalverliältnis wesentlich verschlechtert. In der Praxis ist sogar ölt mit einem Überwiegen dieser Rohrschwin^ungen bezüglich der IJutz- -signale zu rechnen, was einen Ausfall der Megung bedeutet.

Ein weiterer Kachteil der bekannten Meßeinrichtungen vorliegender Art-besteht darin, dal; die für sich in den Strömungskanal 'einzuführenden Meßfüliler mehr cder weniger mechanisch .empfindlich und zerbrechlich sind, woraus sich bei Vartungsarbeiten und.dergl. oft Ausfall und Störungen.ergeben.

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Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer Durchflußmeßeinrichtung, die bei geringem Bauaufwand und.· hoher Robustheit eine genaue Meßung mit hohem Nutz-Störs ignalverhältnis ermöglicht und insbesondere auch beim Betrieb in schmutz- und festkörperheladenen Strömungsmedien einen zuverlässigen Meßbetrieb mit einfach durchzuführender Wartung ermöglicht. Die erfindungsgemäße lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art hautbsächlich dadurch, daß innerhalb einer mit dem Strömungsmedium in Wirkverbindung stehenden Oberfläche des Wirbelkörpers Kühlmittel zur Feststellung der Schwingungen des Strömungsmediums angeordnet sind. Eine"besonders vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung unter Verwendung voll Differential-Fühlmitteln kennzeichnet sich dadurch, daß als sehwingungserzeugendes Element des Wirbelkörpers eine Stirnfläche desselben vorgesehen- ist und daß die Kühlmittel wenigstens einen im Bereich dieser Stirnfläche angeordneten "Fühler aufweisen.

Weitere Kerkmale und Tor teile der Erfindung ergeben" sich aus der folgenden EesoLreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen-, hierin zeigt: '

Pig.IA den Querschnitt eines, Strömungskanals mit eingesetztem Wirbelkörper gemäß der Erfindung,

Pig.IB den Querschnitt des erfindungsgemäßen Wirbelkörpers aus der in Pig«IA dargestellten Einrichtung in größerem Maßstab_}

Pig.IG und V- . --, "

Pig.ID einen Querschnitt bzw. eine Flächendraufsieht eines erfindungsgemäßen, als beheiztes Widerstandsglied' ausgebildeten Meßfühlers und

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Fig.2 das Schema einer Meßschaltung für die erfindungsgemäße Durchflußmeßeinrichtung.

In Fig.IA ist eine einstückige Ausführung eines Wirbelkörpers 6 mit Fühlern 7 und 7¹ angedeutet, welch letztere in die Basisfläche 6a des Wirbelkörpers eingelassen sind. Der Wirbelkörper ist in der aus Fig.IA ersichtlichen Weise quer in ein das' Strömungsmedium enthaltendes Rohr 1 mit Außenfläche 2 und Innenfläche 3 eingesetzt, und zwar in eine seitliche Wandausnehmung 17 des Rohres. Der Wirbelkörper ist mit seiner Basisfläche 6a dem anströmenden Medium zugewandt und rechtwinklig zu der Strömungsrichtung angeordnet. Durch die Wandausnehmung 17 kann der Wirbelkörper herausgenommen bzw. ausgewechselt werden. Die Fühler 7 und 7' schließen vorzugsweise glattflächig mit der Basisfläche 6a des Wirbelkörpers ab, wie aus dem Querschnitt des Wirbelkörpers gemäß Fig.IB hervorgeht. Innerhalb des Wirbelkörpers ist ein Kanal 9 für Anschluß- · leitungen 8 der Fühler vorgesehen, ^:

Die Fühler 7 und 7' werden in einer Differentialanordnung betrieben, um die Amplitude der. ITutzsignalschwingungen zu erhöhen und gleichzeitig die Amplitude von gleichphasigen· Störsignalen infolge von Strömungsturbulenz und innerhalb des Rohrleitungssystems vorhandenen Schallwellen herabzusetzen. Auf diese Weise ergibt sich ein hohes Eutz-Störsignalver- · hältnis.

Es können selektiv auf eine physikalische Größe» z.B. auf !Temperatur, Druck oder Strömungsgeschwindigkeit bzw. auf Veränderungen dieser Größen ansprechende Fühler verwendet werden. Eine bevorzugte Fühler aus führung ist in den Fig.JLO und ID in / Form eines aus elektrischem Widerstandsdraht bestehenden Gitters 11 angedeutet, welch letzteres auf der rückwärtigen

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Oberfläche eines keramischen Tragkörpers 10 angebracht ist. Das Gitter wird durch entsprechende Stromspeisung von außen auf eine Temperatur oberhalb derjenigen des Strömungsmediums erwärmt und spricht dann auf Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit, wie sie mit den Strömungsschwingungen verbunden sind, durch entsprechende TemperatürSchwankungen an. Zur Erhöhung der mechanischen Widerstandsfähigkeit des Fühlers ist das dritter 11 mit der Rückseite des keramischen

Tragkörpers IO verklebt. Dem Strömungsmedium ist sodann nur die freie Oberfläche des Tragkörpers ausgesetzt. Als Material für den Tragkörper kommt z.B. Beryllium-Oxyd in Betracht, welches den Vorteil der hohen Wärmeleitfähigkeit mit demjenigen hoher elektrischer Isolierfähigkeit verbindet und außerdem infolge seiner Härte einen wirksamen Abrieb, sowie außerdem einen Korrosionsschutz darstellt.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Anordnung der Fühler gemäß Fig.IA und.IB an der Basisfläche 6a des Wirbelkörpers erwiesen. Die Fühler sind hiernach parallel und in geringem Abstand zu jeweils einer von zwei entgegengesetzten Kanten der Basisfläche 6a angeordnet, und zwar in der Weise, daß . dielängsmittellinie eines jeden Fühlers näher zur Kante als zur Achse des Wirbelkörpers liegt. Die Fühler sind im übrigen flächenhäft und in der Ebene dieser Flächenausdehnung vergleichsweise lang und schmal ausgebildet. Die Längenausdehnung eines¹ jeden Fühlers entsprichU einem beträchtlichen Teil der Längenausdehnung der Basisfläche 6a des Wirbelkörpers. Diese geometrischen Verhältnisse haben sieh im Hinblick auf den Ausgleich von StorSignalen infolge Strömungsturbulenz als zweckmäßig erwiesen. i

Bei Verwendung eines einzelnen Druckflhlers, der über ent-' sprechende Meßdruckleitungen von der itrömungsseitigen Stirnfläche dea Wirbelkörpers aus differenziell beaufschlagt wird

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(nicht dargestellt), so ergibt sich der toi teil einer geringeren länge des Leitungssystems für die unmittelbare Übertragung der Meßdrücke in Vergleich, zu den üblichen Differenzdruckmeßernj die an der Außenseite des Strömungskanals angebracht und über Verbindungsleitungen mit diametral zum StrÖmungskanal angeordneten Meßöffnungen verbunden sind. Erfindungsgemäß wird der Druciefühler vorteilhaft unmittelbar innerhalb des Wirbelkörpers angeordnet, in welchem die Druclcschwingungen in elektrische Signale umgesetzt werden. Die lange der Druckleitungen wird dadurch ersichtlich besonders stark vermindert. -

Erfindungsgemäß kann weiterhin auch ein einzelner Differenz-Druckfühler außerhalb des Ströaungskanals angeordnet und durch Meßdruckleitungen an die Meßstellen im Bereich der Wirbelkörperstirnfläche angeschlossen werden. Auch hierbei ergibt sich noch eine vevghichsweise geringe !fange "der meßdruckübertragenden Leitungen. »

Die vorangehenden Darlegungen betrafen zwar unmittelbar die Verwendung eines einzelnen DifferenZdruckfuhlers bzw. Differenzdruoknießers, entsprechende Gesichtspunkte gelten jedoch auch für Anordnungen mit zwei einzeln über entsprechende Druckmeßleitungen beaufschlagten Druckfühlern, die bei entsprechender SusammeBsehaltung ein geeignetes Differenz-Ausgaogssigaal liefern»

wird anhand von Pig.2 eine ließschaltung für eine erfitadLungsgeaaäße BuEehfluSmeßeinrichtung beschrieben. Üie in 4er Schaltung als ©lektrisohe Widerstände angedeuteten Fühler ? und 7^r werde» von einer. Stromquelle 12 für ihre Auf~ heizung gespeist and erfahren durcl: die Beeinflussung seitens des StrÖiaungsmediumB eine entsprechende Veränderung eines

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elektrischen Parameters oder mehrerer derselben. Diese Änderungen' werden durch die angedeutete Brückenschaltung in \ elektrische Ausgangssignale umgesetzt und einem Meßverstärker 13 zugeführt. Anschliessend werden die Meßsignale über einen Entzerrer 14 geführt, der einen zu den Fühlern inversen Amplituden-Frequenzgang aufweist. Änschliessend durchlaufen die Meßsignale ein Filter 15 zur Unterdrückung τοπ breitbandigen Turbulenzsignalen und elektrischen Stör-Signalen, die den Meßsignalen überlagert sind.

Die Schaltung innerhalb des in Mg.2 als strichpunktierter Block angedeuteten Meßgebers hängt von der Art der verwendeten iiihler ab. Im Falle von beheizten Widerstandsfühlern 7 und. 7'* beispielsweise in Drahtform oder in Form einer Filmanordnüng odir in Form von Thermistoren,' kommt für die Speisung verzugsweise eine Gleichstromquelle: in Betracht. Bei "Verwendung von ^Fühlern, deren Wirkungsweise auf der Permeabilitätsänderung eines magnetischen Meßelementes beruht, ist, eine Wechselstromquelle einzusetzen. In diesem Fall wird in der Schaltung gemäß Fig.2 der strichliert angedeutete: Demodulator 16 zur Beseitigutag der Speisewechselstromfrequenz eingefügt. Für den Meßgeber selbst■ kommt z.B. wie in Fig. 2 angedeutet, eine Brückenschaltung in Betracht.

Die Umsetzung der Strömungsparameter in elektrische Signale erfolgt bei einem beheizten Widerstandsfühler nach Art der zuerst beschriebenen Ausführung nach den bekannten Gesetzmäßigkeiten des Wärmeüberganges. Die sieh einstellende Temperatur eines solctien in einem Strömungsmedium angeordneten Fühlers ist abhängig.von der zugeführtenHeizleistung und dem durch Konvektion, wie auch durch Strahlung und Wärmeleitung abgeführten ^ärnestrθα, wobei auch die Thermodynamik des, Strö— sungsmediums und dessen eigene Temperaturänderung zu berück—

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sichtigen ist. Bei einem Wlrbelkörper-Durchflußmesser rufen die örtlichen Schwingungen des Strömungsmediums Geschwindigkeit sänderungen hervor, die in der erläutertenWeise von dem Fühler erfaßt werden. , '- ■

Die Brückenschaltung des Meßgebers- gemäß J¹Ig. 2 wird beispielsweise ebenfalls durch die Stromquelle 22 gespeist,. Die !Fühler sind räumlich so angeordnet, daß die den Strömungsparametern entsprechenden Signalschwingungen eine gegenseitige Phasenverschiebung von 180 aufweisen. Ein Temperaturanstieg an einem Fühler fällt also zeitlich mit einem Temperäturabfall an dem anderen Fühler zusammen. Über die lemperaturabhängigkeit des elektrischen Fühlerwiderstandes ergibt sich ein Ausgangssig- " nal der Brückensehaltung, welches eine Funktion der dynamischen. Strömungsparameter ist. Die Ausgangssignale durchlaufen dann, wie bereits erläutert, den Meßverstärker 13, den Entzerrer 14 und das als Bandpass ausgebildete Filter 15. Der Einsatz eines Entzerrers ist durch den nichtlinearen !Frequenzgang von beheizten Widerstandsfühlern bedingt. Dies gilt insbesondere bei der Dürchflußmeßung von Gasströmungen.

Zusammenfassend sollen nun noch einige Merkmale der Fühler·* anordnung gemäß Fig.l aufgeführt werden: . .

Der Wirbelkörper 6 mit den Fühlern· 7 und 7^f ist.durch die bereits erwähnte Wandausnehmung 17 des Rohres 1 diametral in den zylindrischen StrÖmungskanal 5 gemäß Fig.IA eingefühöt. Der in Diametralrichtung langgestreckt ausgebildete Wirbelkörper weist einen Querschnitt entsprechend einem gleichschenkligen Dreieck auf, wobei die Bäsisflache 6a dem anströmenden Medium zugewandt und vorzugsweise rechtwinklig zur Strömungsrichtung angeordnet 1st. Die im Querschnitt gleichlangen Seitenflächen 6b und 6o des Wirbel-'

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körpers liegen daher auf der Abströmseite. Das Verhältnis der in Strömungsrichtung gemessenen Querschnittsbreite des Wirheikörpers zur Querschnittshöhe der Stirnfläche 6a ist von wesentlicher Bedeutung und liegt zwischen dem Zahlenwert 1 und 2. Das Terhältnis der Höhe der Basisfläche 6a zum Innendurchmesser des Rohres 1 liegt zwischen 0,15 und 0,4. Die Fühler 7 und 7* selbst sind in der aus Pig.IB ersichtlichen Weise in Ausnehmungen 6d bzw. 6d' der Basisfläche 6a eingelassen, wobei die keramischen Tragkörper und 10"* der Fühler dem anströmenden Medium zugewandt sind und die als Widerstandselemente vorgesehenen Gitter 11 bzw. 11^f gegen Berührung durch das Strömungsmedium abschirmen. Die thermischen Umgebungsparameter werden dabei infolge der erwähnten_s hohen Wärmeleitfähigkeit der Tragkörper rasch auf die elektrischen Widerständselemente übertragen. Die Gitter 11 und II^s selbst sind in Schichten 12; bzw. 12» aus einem geeigneten Isoliermaterial, etwa einem Epoxydhara, eingebettet.

ÖOffli/tOOt

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Claims (1)

1. Den 20."12. 1969 A 31 421 - s

   Ans ρ r ü c h e

   Durchflußmeßeinriehtung mit einem ortsfest innerhalb Strömungskanals sowie quer zu dessen Längsachse angeordnetem Wlrbelkörper, der innerhalb des Strömungsmediums eine nichtintermittierende, schwingende Strömungsbewegung mit einer der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Frequenz erzeugt, dadurch gekennzeichnet» daß innerhalb einer mit dem Strömungsmedium in Wirkverbindung stehenden Oberfläche (6a) des Wirbelkörpers t6) Fühlmittel (7, 7') zur Feststellung der Schwingungen des Stromungsmediums ungeordnet sind.

   2, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wirbelkörper Differential-Fühlmittel (7, 7') für die Erfassung der Schwingungen des Strömungämediums vorgesehen Bind.

   3* Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als sehwingungserzeugendes Element des Wirbelkörpers eine Stirnflfäche desselben vorgesehen ist und daß die Fühlralttel wenigstens einen im Bereich dieser Stirnfläche angeordneten Fühler (11 bzw. 11*) aufweisen.

   4·. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlmittel ein.Paar von gesonderten Fühlern (7, 7^f) aufweisen, deren Qeder mit einem im Eereich der Stirnfläche (6a) des Wirbelkörpers (6) angeordneten Tragkörper (10 bzw. -10») verbunden ist.

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   5.: Einrichtung: nach Anspruch 4> dadurcla gekennzeichnet', daß die Fühler. (7, 7*) "beheizte elektrische Widerstandseile- * iiiente (11, 11') aufweisen und daß die Tragkörper (10, 10*) , aus stark ^ärmeieitfähig em Material bestehen-.- ^;

   6-. ■ ■ Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet', daß die Tragkörper (10, 10') aus Keramik bestehen und daß die heizbaren',ilderstandselemente (11, 11^f) in an den Trag— korpern befestigten Einbettungen (12,-12·) angeordnet sind.

   7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkörper (10, 10') mit den elektrischen Widerstandselementen (11, 111) in Ausnehmungen (6d, 6d') der Stirnfläche (6a) des Viirbelkörpers (6) eingelassen sind und daß die den Widerstandselementen entgegengesetzten Oberflächenabschnitte der Tragkörper unter Abschirmung der Widerstandselemente dem Strömungsmedium zugewandt angeordnet sind. ·

   6. Einrichtung nach Anspruch 6 oder nach diesem und einem der übrigen vofangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbettungen (12, 12') der Widerstandselemente (11, 11') als thermische Isolierung gegenüber dem -vorzugsweise mit Kanälen (9j für die Durchführung von Anschlußleitungen (ε) versehenen Wirbelkörper (6) ausgebildet sind.

   9. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strömungslängsrichtung gemessene ^uerscanittsbreite des Wirbelkörpers (6) zu der Querschal·ttshöhe der dem anströmenden Medium zugewandten Stirnfläche (6a) des_; V.'irbe!körpers in einem Verhältnis zv/ischen 1 und 2 steht., da£ die Querschnittshöiie der Stirnfläche des vrirbelkörpers sumDurclimesser des Strömungskan&ls in eineia Verhältnis zwischen C, 15 und 0,4 steht und.daß die SHihler (7, 7^f) ι™ wesentlichen parallel zu entgegengesetzten Kant.en der Stirnfläche (6a). des Wirbel-körpers und in der Hähe dieser.. Kanten angeordnet: sind. , '■".-"' ' '. · '

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   10.· Einrichtung nach Anspruch 2 oder, nach diesem und einem oder mehreren der übrigen vorangehenden Ansprüche, dadurch ge-' kennzeichnet, daß die Differential-iHihlmittel zwei die Strömungs-Nutzrsignalschwingungen mit gegenseitiger Phasenverschiebung erfassende und mit entsprechendem Anstand am Wirbelkörper' angeordnete Itihler (7, 7') aufweist, die vorzugsweise an eine Brücken-Meßschaltung mit einem Entzerrer (14) und einem Pilter (15) angeschlossen, sind. ·

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