DE2229583A1 - Stroemungsmesser - Google Patents

Description

DIPL.-ING. O. R. KRETZSCHMAR

2 HAM BU RG 1

BEIM STROHHAUSE 34 PATENTANWALT RUF 0411/24 67*3

ΚΕΝΟ? INSTRUMENTS LIMITED 2229583

Luton, Bedfordshire/England

Anwaltsakte: 4151

Strömungsmesser

I¹Ur diese Anmeldung wird die Priorität der britischen Patentanmeldungen No. 28510/71 vom 17. Juni 1971 und No. 15054/72 vom 30. März 1972 in Anspruch genommen

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser, insbesondere einen Strömungsmesser, in welchem ein Körper in einem einen Strömungsmittelfluß begrenzenden Kanal angeordnet ist und ein elektrisches Signal von den Störungen abgeleitet wird, die im Strömungsmittelfluß durch die Gegenwart des Körpers hervorgerufen werden.

Gemäß der Erfindung wird ein Strömungsmesser vorgeschlagen, der sich auszeichnet durch einen Kanal zur Aufnahme eines Stromungsmittelflusses; einen Körper, der sich quer durch den Kanal erstreckt und an der Wandung des Kanals befestigt bzw. dicht angebracht ist; sowie eine von dem Körper getragene bzw. an diesem vorgesehene Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtung, die auf Störungen des Stromungsmittelflusses anspricht, welche durch den Körper verursacht worden sind.

Bei einer Ausführungsart der Erfindung ist der Körper ein einheitlicher Körper, der ortsfest innerhalb des Kanals be-

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festigt ist, und die Nachweis-, Fühl-, Abtast- o.dgl. -einrichtung spricht direkt auf die Wirbel an, die durch den Körper im Strömungsmittel verursacht bzw. verbreitet werden, so daß der Körper starr sein kann. In einer anderen Ausführungsart der Erfindung ist der Körper in Ansprechung auf die verbreiteten bzw. ausgesandten Wirbel beweglich. Der Körper kann als Ganzes relativ zu der Einrichtung, durch die er innerhalb des Kanals befestigt ist, beweglich sein; oder der Körper kann alternativ so ausgebildet sein, daß er wenigstens einen Wandteil bzw. -bereich besitzt, der sich relativ zu dem Rest des Körpers bewegt. Die Bewegung eines derartigen Wandteils bzw. -bereichs kann direkt festgestellt werden, oder es ist auch möglich, diese Bewegung durch einen sekundären Strömungsmittelfluß innerhalb des Körpers festzustellen, der in Ansprechung auf die Bewegung der Wandteile bzw. -bereiche erfolgt.

Bei allen Ausführungsarten der Erfindung ist der Körper vorzugsweise so ausgewählt, daß er eine Gestalt besitzt, die gut definierte Wirbel im Strömungsmittelfluß erzeugt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsart der Erfindung ist der Körper, der die Störungen im Strömungsmittelfluß verursacht, in zwei Teilkörper aufgeteilt. Auf diese Weise können zwei gleichartige oder ähnliche Körperteile vorgesehen werden, von denen der eine direkt stromabwärts vom anderen angeordnet ist. Hierbei hängt die Anordnung weniger von der Ausbildung der Wirbel durch den Körper ab, als vielmehr von der Änderung der Richtung des Strömungsmittelflusses zwischen den Körpern. Eine entsprechende bzw. gleichartige oder ähnliche Änderung der Richtung des Strömungsmittelflusses zwischen den beiden Körperteilen des geteilten Körpers tritt in einer anderen erfindungsgemäßen Einrichtung auf, in der wiederum zwei Körperteile vorgesehen sind, von denen der eine im Abstand stromabwärts vom anderen angeordnet ist, wobei der stromabwärtige Körperteil am stromaufwärtigen Körperteil befestigt ist, und zwar entweder zum Zwecke einer Schwenk-, Schwing-, Dreh- o.dgl.

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-bewegung in bezug auf diesen oder zum Zwecke der vorerwähnten Bewegung zusammen mit dem stromaufwärtigen Körper.

Die Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtung hängt im Ergebnis von der Form des Strömungsmessers ab, bei dem sie verwendet werden soll. In den Fällen, in denen die Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtung direkt auf den Strömungsmittelfluß anspricht, ist es vorteilhaft, eine Wärmeverlust- oder Temperatur-Nachweis- bzw. Fühleinrichtung zu benutzen. Wenn hingegen das Ausgangssignal von einer mechanischen Bewegung abgeleitet werden soll, kann ein kapazitiver Wandler angewandt werden, oder die Bewegung kann dazu benutzt werden, einen magnetischen Kreis zu verändern. Wenn schließlich die Strömungsstörungen einen sekundären Strömungsmittelfluß innerhalb des Körpers hervorrufen, dann ist es vorteilhaft, einen piezoelektrischen Wandler zu verwenden, auf den der sekundäre Strömungsmittelfluß einwirkt.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Körper des erfindungsgemäßen Strömungsmessers notwendigerweise derart sein muß, daß er Störungen im Strömungsmittelfluß hervorruft, so daß der Körper infolgedessen stets ein breiter, voller, schroffer, steller o.dgl. Körper oder ein sogenannter "Klippenkörper" im Sinne dieser Bezeichnung sein muß, womit alle diejenigen Körper erfaßt sein sollen, die keine Stromlinienkörper sind. Entsprechend wird die Bezeichnung "breiter" Körper im Rahmen der vorliegenden Anmeldung in einem umfassenden Sinne benutzt, der jeden Körper erfassen soll, welcher in der Lage ist, Störungen in einem Strömungsmittelfluß hervorzurufen, in den der Körper eingetaucht ist; der Begriff "breiter" Körper ist daher im Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht auf diejenige Klasse breiter Körper beschränkt, die der Strömung eine flache oder im wesentlichen flache Fläche präsentieren. Insbesondere kann der breite Körper der erfindungsgemäßen Strömungsmesser einen Zylinder von kreisförmigem Querschnitt umfassen, wobei sich die Achse dieses Zylinders längs eines Durchmessers eines Kanals erstreckt. Nichtsdestoweniger wird bevorzugt ein brei-

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ter Körper der Art verwendet, wie er in der britischen Patentanmeldung No. 13.384/72 beschrieben ist. Die Gestalt des Kanals ist ebenfalls nicht beschränkt. Obwohl in der Praxis normalerweise Kanäle von kreisförmigem Querschnitt benutzt werden, können leicht auch Kanäle von quadratischem oder rechteckigem Querschnitt angewandt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, in den Figuren bis 11 der Zeichnung im Prinzip dargestellter besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A, 1B und 10 Schnittansichten eines ersten erfindungsgemäßen Strömungsmessers, und zwar jeweils in Aufsicht, Vorderansicht und Seitenansicht, wobei Figur 1B eine Ansicht entlang der Linie IB-IB der Figur 1A und Figur 1G eine Ansicht nach der Linie IC-IC der
Figur 1B ist;

Fig. 2A und 2B jeweils Schnittansiehten eines zweiten Strömungsmessers nach der Erfindung, und zwar in Aufsicht und Seitenansicht j wobei die Figur 2A eine Ansicht
gemäß der Linie HA-IIA der Figur 2B ist;

Fig. 3A und 3B Ansichten eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers, welche den Ansichten der Figuren 2A und 2B entsprechen;

Fig. 4 sine seitliche Schnittansieht eines vierten Ausführungsbeispiels eines Strömungsmessers nach der Erfindung ;

Fig. 5A und 5B eine seitliche Schnittansieht bzw. eine teilweise Schnittaufsieht eines fünften Strömungsmessers gemäß der Erfindung, wobei die Figur 5B eine Ansicht gemäß der Linie VB-VB der Figur 5A ist;

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Pig. 6A und 6B eine seitliche Schnittansicht bzw. eine teilweise geschnittene Aufsicht eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers, wobei Figur 6B eine Ansicht gemäß der Linie VIB-VIB der Figur 6A ist;

Fig. 7A und 7B eine Vorder-Schnittansicht bzw. eine seitliche Schnittansicht eines siebenten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers;

Fig. 8A und 8B Schnittansichten eines achten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers, und zwar in Aufsicht und Seitenansicht;

Fig. 9 eine schematische Seitenansicht eines Hindernisses in einem fließenden Strömungsmittel, welche die Wirkung des Hindernisses auf den Strömungsmittelfluß veranschaulicht;

Fig. 10 eine Schnitt-Aufsicht auf ein neuntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers; und

Fig. 11A und 11B Schnittansichten eines zehnten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers, und zwar in Aufsicht und in Seitenansicht.

Der in den Figuren 1A, 1B und 10 veranschaulichte erfindungsgemäße Strömungsmesser 10 umfaßt einen zylindrischen "breiten" Körper 1 von allgemein rechteckigem Querschnitt, der sich quer durch einen Kanal 2 von im Inneren kreisförmigem Querschnitt erstreckt, wobei die Längsachse des Körpers mit einem Durchmesser des Kanals zusammenfällt. Obwohl der Körper 1 so dargestellt ist, daß er sich vertikal erstreckt, kann er in der Praxis jede Orientierung um die Achse des Kanals 2 haben. Die Verbindung der Enden des Körpers 1 und der Kanalwandung

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ist so ausgebildet, daß ein Strömungsmittelfluß zwischen ihnen verhindert wird; die Enden sind vorzugsweise durch Dichtungen 3 abgeschlossen bzw. befestigt. Infolgedessen weist der Körper eine nahezu rechteckige Fläche 4 rechtwinklig zum Strömungsmittelfluß auf, dessen Richtung durch den Pfeil 5 angedeutet ist. Die rechteckigen Seitenflächen 6 erstrecken sich parallel zur Strömungsrichtung. Das Verhältnis der Längen der Flächen 4-, 6 des Querschnitts des Körpers, wie er in Figur 1A dargestellt ist, ist vorzugsweise das Verhältnis % > da diese Querschnittsgestalt des Körpers sicherstellt, daß die maximale Energie für die Aussendung von Wirbeln verfügbar ist.

Bekanntermaßen ruft der Körper 1, der von seinen Vorderkanten abwechselnd Wirbel aussendet, Schwingungen im Strömungsmittelfluß stromabwärts von diesen Kanten hervor. Die Nachweis-, . Fühl- o.dgl. -einrichtung, die in dem Strömungsmesser vorgesehen ist, umfaßt ein Paar temperaturempfindlicher Detektoren oder Wärmeverlustdetektoren 8, von denen jeder auf jeweils einer der Seitenflächen 6 des Körpers angeordnet ist, so daß er auf den schwingenden Strömungsmittelfluß in der Nachbarschaft des Körpers anspricht. Vorzugsweise ist jeder Detektor in einer Ausnehmung in der Seitenfläche 6 angeordnet, so daß

Klatt
diese Fläcne ist;. Jeder Detektor 8 kann ein Thermoelement, einen Thermistor oder ein Widerstandsthermometer umfassen bzw. sein. Die Verwendung eines Paars von Detektoren dient dazu, die Wirkungen turbulenter akustischer Vibrationen oder impulsierender Geräusche herabzusetzen oder zu eliminieren. Die Ausgänge der beiden Detektoren 8 werden über Leitungen 9 zu einem geeigneten elektrischen Kreissystem 11 geführt, in dem die Ausgänge addiert oder differentiell kombiniert werden, um ein Signal zu erzeugen, das einem Anzeige- und/oder Steuer- bzw. Regelkreissystem 12 eingegeben werden kann. Die Kreissysteme bzw. Schaltungen bzw. Schalteinrichtungen o.dgl. 11, 12 können von üblicher Art sein und bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung.

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Der Strömungsmesser 10 besitzt so einen einheitlichen "breiten" Körper mit Meßfühlern, die nur auf die Charakteristika bzw. Daten des fließenden Strömungsmittels ansprechen (unter "fließen" eines Strömungsmittels soll im Prinzip jede Strömungs verstanden werden, gleichgültig ob es sich bei dem Strömungsmittel um ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein anderes Strömungsmittel handelt). In den Ausführungsbeispielen, die in den Figuren 2 bis 9 veranschaulicht sind, sprechen die lühleinrichtungen oder Detektoren auf die Bewegung von wenigstens einem Teil des Körpers aufgrund einer Spaltung bzw. Unterbrechung des Strömungsmittelflusses an, die durch die Gegenwart des Körpers hervorgerufen worden ist.

Der in den Figuren 2A und 2B gezeigte Strömungsmesser 20 umfaßt einen den Strömungsmittelfluß begrenzenden Kanal 22, durch den sich ein "breiter" Körper 21 quer erstreckt, der seinerseits eine kombinierte Wirbelquelle und einen Wandleraufbau umfaßt, wobei letztererdie Fühleinrichtung bildet. Der Körper 21 ist in diametral entgegengesetzten, mit Metallringen 24 ausgekleideten Öffnungen im Kanal angebracht, wobei den öffnungen nichtdargestellte geeignete Diehtungsanordnungen zugeordnet sind. Innerhalb jedes Ringes 24 ist ein innerer Ring 25 aus federndem bzw. nachgiebigem Material vorgesehen_s der einen schweren zylindrischen Kern 26 umgibt, welcher sich seinerseits quer durch den Kanal 22 erstreckt, wobei die Befestigung so ausgebildet ist, daß die Resonanzfrequenz des Kernes im Vergleich zum Frequenzbereich des elektrischen Ausgangs der Einrichtung niedrig ist. Die Wirkung dieser Maßnahme besteht darin, Vibrationen zu dämpfen bzw. zu verringern, die vom Kanal weitergeleitet bzw. getragen werden, sofern diese Vibrationen eine Frequenz besitzen, die im Frequenzbereich des Ausgangssignals liegt. Ein leichtes bzw. schwaches Rohr 28 umgibt den Mittelbereich des Kerns 26 innerhalb des Strömungsmittelflusses konzentrisch und erstreckt sich fast bis zur Wandung des Kanals. Das Rohr 28 wird von dem Kern durch ringförmige federnde bzw. nachgiebige Halter

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29 im Abstand gehalten, wobei diese Halter beispielsweise aus Kunststoffschaum bestehen; die Halter sind an den Enden des Rohres angeordnet. Elektroden 23 sind in diametral entgegengesetzte Ausnehmungen im Kern 26 eingelassen und so gestaltet, daß sie mit dem kreisförmigen Querschnitt des Kerns übereinstimmen. Die Elektroden 23 sind elektrisch vom Best des Aufbaus isoliert, wobei alle übrigen Teile dieses Aufbaus geerdet sind.

Im Betrieb, während des Durchgangs des Strömungsmittels längs des Kanals 22, erzeugt der Körper 21 Wirbel, deren Ausbreitung zu einer Diagonal bzw. Querkraft auf das schwache Rohr 28 führt. Dieses Rohr erleidet deshalb eine seitliche bzw. querverlaufende Bewegung auf den federnden Haltern 29» was eine Veränderung der Kapazität zwischen den Elektroden 23 und Erde zur Folge hat. Da die Elektroden 23 diametral entgegengerichtet über den Kern angeordnet sind, wird die Bewegung des Rohres 28 in Richtung auf die eine Elektrode durch eine Bewegung der anderen Seite des Rohres weg von der anderen Elektrode begleitet. Infolgedessen erhält man eine Differentialspannung zwischen den Elektroden, die mittels einer Meßeinrichtung von hoher Impedanz gemessen werden kann.

Obwohl der Kern 26 nicht starr gehalten wird, wird durch das Verhältnis seiner Masse zu derjenigen des schwachen zylindrischen Rohres 28 sichergestellt, daß sich der Kern sehr viel weniger als dae Rohr bewegt. Die von den Eleltroden 23 erhaltenen Signale können weiterverarbeitet werden, wie in Verbindung mit dem Strömungsmesser 10 erläutert wurde, was im übrigen auch für das Signal bzw. die Signale gilt, die durch die Nachweis-, I¹UhI- o.dgl. -einrichtungen aller hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zur Verfügung gestellt werden.

Die Figuren 3A und 3B zeigen einen dritten erfindungsgemäßen Strömungsmesser 30, der wiederum mit einer kapazitiven Fühleinrichtung ausgerüstet ist. Ein "breiter" Körper 31 umfaßt

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einen zylindrischen Metallkern 32, der ebenfalls wieder koaxial (wie im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2A und 2B) innerhalb eines Rohres untergebracht ist, nämlich innerhalb des dünnwandigen Metallrohres 34·. Die Enden des Rohres 34- und des Kerns 32 sind verbunden, um eine relative Querbewegung durch eine gewellte, geriefte, geriffelte, gerippte oder in ähnlicher Weise gestaltete Membrane oder durch eine lockere Zwischenwand 35 zu ermöglichen. Die gemeinsame Achse des Kerns 32 und des Rohres 34- liegt längs eines Durchmessers des Kanals 36 des Strömungsmessers. Auf entgegengesetzten Seiten des Kerns 31 sind Elektroden 37 vorgasehen, die vom Kern isoliert sind. Es ist zu erkennen, daß sehr kleine Bewegungen des Rohres 34- aufgrund der von diesem verbreiteten Wirbel den Abstand zwischen dem Rohr und den Elektroden 37 verändern, wodurch ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird. Der Zwischenraum zwischen dem Kern 32 und dem Rohr 34- ist durch eine Membrane 35 verschlossen und kann mit Öl 38 oder mit einem anderen geeigneten Dämpfungsmittel gefüllt werden, um zu verhindern, daß aufgrund von Vibrationen hoher Frequenz ein Ausgangssignal erzeugt wird. An Stelle dieser Maßnahme oder zusätzlich hierzu können unechte Signale dadurch eliminiert werden, daß man das Rohr 34· und den Kern 32 dazu zwingt, in Phase zu vibrieren.

Alternativ kann an Stelle einer flexiblen Dichtung bzw. Befestigung des Rohres 34- gegenüber dem Kern 32 der Aufbau auch so ausgebildet sein, daß sich das Rohr quer über den gesamten Durchmesser der Leitung erstreckt und nichtflexibel mit dem Zylinder verbunden bzw. dicht am Zylinder angebracht ist. Das Rohr kann ausreichend federnd ausgebildet werden, so daß geringe Querbewegungen seines Mittelbereiches erzeugt werden.

Die Figur 4- veranschaulicht einen vierten Strömungsmesser gemäß der Erfindung, der einen "breiten" Körper umfaßt, welcher durch ein hohlzylindrisches Teil 4-1 gebildet wird, das so angebracht ist, daß es sich quer durch einen Kanal 4-2 erstreckt, und zwar mittels Torsionsstangen 4-4, an denen die

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Enden des Teils 41 starr befestigt sind. Die äußeren Enden der Torsionsstangen 44 sind an den Bodenbereichen von becherförmigen _m Teilen 45 befestigt, wobei die becherförmigen Teile 45 rundum Öffnungen, die diametral entgegengesetzt im Kanal 42 vorgesehen sind, mit dem Kanal 42 dicht verbunden sind. Der Körper 42 erstreckt sich bis zur Kanalwandung und ist mit dieser durch lockere ringförmige Diaphragmen bzw. Zwischenwände 46 verbunden, die eine Abdichtung bilden. Die Aussendung von Wirbeln durch das Teil 41 bewirkt ein oszillierendes Drehmoment, das auf dieses Teil einwirkt und auf die Torsionsstangen 44 übertragen wird. Die Nachweis- bzw. Fühleinrichtung des Strömungsmessers 40 ist bzw. umfaßt ein Doppelplatten- bzw. Zweielementkristall 48 oder ein piezoelektrisches Kristall, das zwischen der einen oder beiden Torsionsstangen 44 einerseits und der benachbarten Wandung des zugeordneten becherförmigen Teils 45 andererseits befestigt ist, so daß es zu jedem Zeitpunkt beansprucht wird, inldem die Torsionsstange eine Verdrehung relativ zu dem becherförmigen Teil erfährt.

Der in den Figuren 5-A und 5B gezeigte Strömungsmesser 50 besitzt einen "breiten" Körper, der von einem Hohlzylinder 51 gebildet wird, welcher sich quer durch einen Kanal 52 erstreckt und Stummelwellen 5^ aufweist, die koaxial von den Enden des Körpers in becherförmige Teile 55 vorstehen, wobei letztere dicht in diametral entgegengesetzte Öffnungen in der Kanalwandung eingesetzt sind. Jede Stummelwelle 54 ist an dem zugeordneten becherförmigen Teil ^5 durch vier Drähte 56 befestigt; letztere erstrecken sich in einer Ebene, die rechtwinklig zu der Achse des Zylinders 51 verläuft. Die nichtdargestellte Nachweis- bzw. Fühleinrichtung ist vorteilhafterweise ein Bimorph bzw. eine Doppelplattenanordnung bzw. eine Zweielementanordnung, insbesondere ein Doppelplatten- bzw. Zweielementkristall, der sich zwischen einer oder beiden Stummelwellen 54 einerseits und dem benachbarten becherförmigen Teil 55 andererseits wie im Falle des Strömungsmessers 40 erstreckt. Im Betrieb gestatten die Drähte 56 eine Verdrehung

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der Stummelwelle 54 zusammen mit dem Zylinder 51 um sehr kleine Winkel, die nach den Feststellungen der Praxis in der Größenordnung von wenigen Minuten eines Grades sind.

Der "breite" Körper des erfindungsgemäßen Strömungsmessers nach den Figuren 6A und 6B umfaßt ein relativ dünnwandiges Rohr 61 von kreisförmigem Querschnitt, dessen Achse sich längs eines Durchmessers des Kanals 62 erstreckt. Die Enden des Rohres 61 sind abgedichtet an der Kanalwandung befestigt, und zwar in diametral entgegengesetzten Öffnungen an deren

Wirbel Umfang. Das Rohr 61 bewirkt, daß im StrömungsmittelfluB im Kanal 62 ausgebildet werden. Die Wirkung dieser Wirbel besteht darin, daß sie oszillierende Drehmomente an der Wandung des Rohres hervorrufen, so daß diese Wandung sehr kleine tangentiale Bewegungen ausführt. Diese Bewegungen können außerhalb des Kanals 62 in einfacher Weise mittels eines im wesentlichen I-förmigen Teils 64, das durch eine Querstange 65 starr an der Mitte des Rohres befestigt ist, nachgewiesen bzw. gemessen werden. Der Körper 6T trägt dem Teil 64- Schwingungen auf, so daß die Endarme 66 dieses Teils eine resultierende oszillierende Winkelbewegung erfahren, die sehr stark übertrieben durch den Pfeil 68 in Figur 6B veranschaulicht ist. Diese Bewegungen der Arme können einfach angewandt werden, um auf irgendeine übliche Weise, beispielsweise kapazitiv, ein elektrisches Signal zu erzeugen.

Der Strömungsmesser 70 gemäß der Erfindung, der in den Figuren 7A und 7B dargestellt ist, umfaßt einen "breiten" Körper 71» der die Form eines Zylinders von kreisförmigen Querschnitt besitzt und innerhalb eines Kanals 72 befestigt ist, so daß er sich längs eines Durchmessers des Kanals erstreckt. Die Enden des Körpers 71 sind durch Dichtungsmittel 72 abdichtend an der Kanalwandung befestigt. An entgegengesetzten Seiten des Körpers 71 ist ein Paar von flexiblen flächigen, insbesondere blattförmigen Teilen 74, beispielsweise aus Kunststoff material oder aus dünnem Metall wie z.B. aus Stahlfolie,

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an ihren Kanten an entsprechenden Öffnungen in der Zylinderwandung befestigt bzw. abdichtend angebracht. Die flächigen Teile 74- bilden die Enden eines ölgefüllten Durchgangs, der von einem Kanal bzw. einer Leitung 75 definiert wird, der bzw. die sich quer durch den Zylinder erstreckt .

Der Körper 71 bewirkt in dem Stromungsmittelfluß längs des Kanals 72 Wirbel. Diese Wirbel werden abwechselnd auf zwei Seiten des Körpers ausgesandt, so daß an diesen beiden Seiten eine alternierende Druckdifferenz auftritt. Die beiden flächigen Teile 74· werden entsprechend nach einwärts aund auswärts deformiert, wobei sie sich zusammen in der gleichen Richtung bewegen und einen daraus folgenden hin- und hergehenden Ölfluß längs der Länge des Kanals bzw. der Leitung

75 hervorrufen. Die Bewegung der flächigen Teile 74- kann vorteilhafterweise durch einen von diesem Ölfluß betätigten elektro-mechanischen Wandler festgestellt bzw. gemessen werden. In der Seitenwandung der Leitung 75 ist ein piezoelektrischer Wandler in Form eines bekannten Doppelplatten- bzw. Zweielementkristalls 76 so angebracht, daß er sich quer durch die Leitung erstreckt. Der Doppelplatten- bzw. Zweielementkristall 76 wird von dem hin- und hergehenden Ölfluß in der Leitung abwechselnd in der einen und in der anderen Richtung beansprucht, so daß an ihm ein elektrisches Potential entwickelt wird. Von dem Doppelplatten- bzw. Zweielementkristall

76 verlaufen Leitungen, 78 durch einen Durchgang im Körper 71 zu einer geeigneten elektrischen Schaltung, die nicht dargestellt aber in Verbindung mit den Figuren 1A, 1B und 10 im Prinzip beschrieben worden ist.

Der Strömungsmesser 80 nach den Figuren 8A und 8B entspricht in einigen Beziehungen dem Strömungsmesser 70» da er einen "breiten" Zylinder 81 besitzt, der sich quer durch einen Kanal 82 erstreckt, wobei der Zylinder einen ölgefüllten Querkanal

85 besitzt, in dem ein Doppelplatten- bzw. Zweielementkristall

86 vorgesehen ist, und der an seinen Enden durch flexible

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flächige Teile 84- am Umfang des Zylinders begrenzt ist. Der Zylinder weist jedoch einen rechteckigen Querschnitt auf, wie man aus Figur 8A ersieht, wobei die Breite der dem Strömungsmittelfluß zugewandten Seite gleich oder in der Größenordnung von dem Verhältnis 3/2 zur Breite der parallel zum Strömungsmittelfluß verlaufenden Seite ist. Dieses Verhältnis ist insofern vorteilhaft, als ein Maximum der Energie für die Bildung von Wirbeln freigesetzt wird. Darüberhinaus wird, um die Ölbewegung wirkungsvoller zum Zwecke der Biegung eines Doppelplatten- bzw. Zwexelementkristalls 86 anzuwenden, der Fluß durch einen Kolben 88 aufgenommen. Der Kolben 88 füllt nahezu den Querschnitt des Kanals 85 au»3, abgesehen von dem querverlaufenden Seitenarm 89 des Kanals 85_$ der ein geschlossenes Ende aufweist, durch das sich der Doppelplatten- bzw. Zweielementkristall erstreckt. Das freie Ende des Doppelplattenbzw. Zweielementkristalls 86 erstreckt sich in den Kanal 85 und ist am Kolben 88 befestigt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Ölfluß im Kanal 85 den Kolben 88 mit sich hin- und herbewegt, wodurch der Doppelplatten- bzw. Zweielementkristall 86 zunächst in der einen Richtung und dann in der anderen Richtung beansprucht wird.

Alternativ können beide Strömungsmesser 70 und 80 so abgewandelt werden, daß die Bewegung der flexiblen flächigen Teile 74- bzw. 84 kapazitiv festgestellt bzw. gemessen werden kann. Wenn daher die flexiblen flächigen Teile aus Kunststoffmaterial bestehen, können sie eine leitende Platte tragen, oder jedes flächige Teil kann mit einer leitenden Beschichtung versehen sein. Die Platte oder die Beschichtung bildet eine bewegliche Elektrode, die mit einer ortsfesten Elektrode zusammenwirkt, wobei letztere beispielsweise die Form eines Metallgitters besitzen kann, das sich quer durch den Kanal 7^> bzw. 85 erstreckt, und zwar in einer Lage, in der sich in einem geringen Abstand von jedem der flächigen Teile befindet; beispielsweise kann so im Bereich jedes Endes des Kanals je ein Metallgitter vorgesehen sein.

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Es sei darauf hingewiesen, daß die Anordnungen, die bisher erläutert worden sind, unabhängig von der Richtung des Strömungsmittelflusses innerhalb des Kanals arbeiten, was auf die symmetrische Gestalt des "breiten" Körpers zurückzuführen ist.

Unter Bezugnahme auf Figur 9 sei darauf hingewiesen, daß die Wirbel aufgrund eines Hindernisses 90 in einem fließenden Strömungsmittel gemäß der Theorie von Birkoff in Ausdrücken einer Strömungsmittelschleife 91 betrachtet werden können, wie sie in gestrichelten Linien dargestellt ist und auf jeder Seite einer gerade durchgehenden Position unter dem Einfluß von Hebe- und Ziehkräften oszilliert. Die Theorie von Birkoff zeigt, daß die Frequenz der Oszillation f proportional zur Geschwindigkeit V des Strömungsmittelflusses ist. Wenn nun ein Körper der Dichte Sq derart an dem Hindernis angebracht ist, daß eine Schwenkbewegung ermöglicht wird, dann kann vorhergesagt werden, wie auch schließlich angenähert gefunden wurde, daß die Theorie von Birkoff dahin ausgedehnt werden kann, daß sich die Beziehung f ^ V] ->/%cf ergibt, worin

J3 die Dichte des Strömungsmittels ist. Die Frequenz der Oszillation f des Körpers ist nicht gleich der Wirbelaussendungsfrequenz. Indem man einen Körper stromabwärts des Hindernisses 90 vorsieht, kann der Strömungsmittelfluß zwischen dem Hindernis und dem Körper so gemacht werden, daß er mit der Frequenz f in der Richtung wechselt oder alterniert.

Wie in Figur 10 veranschaulicht ist, kann ein Strömungsmesser 100 gemäß der Erfindung einen "breiten" Körper umfassen, der einen stromaufwärtigen Körperteil 101 und einen stromabwärtigen Körperteil 102 besitzt. Die zwei ortsfesten Körperteile sind beide Zylinder von kreisförmigem Querschnitt, deren Achsen sich auf im Abstand befindlichen parallelen Durchmessern eines Kanals 104- erstrecken. Die Körperteile erzeugen einen Strömungswechsel bzw. eine Richtungsumleitung der Strömung in dem Spalt zwischen ihnen wie durch die Pfeile 105 an-

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gedeutet ist. Unter Bezugnahme auf das Schleifenkonzept von Birkoff, wie es oben erwähnt ist, ergeben sich folgende Verhältnisse: Es sei davon ausgegangen, daß die stromabwärtige Hälfte der Schleife durch die Einfügung des zweiten Körpers an der Oszillation gehindert wird; dann fährt die stromaufwärtige Hälfte fort, zu oszillieren, wodurch eine "Umschaltungswirkung" bzw. "Richtungswechselwirkung" auf den Strömungsfluß zwischen den beiden ortsfesten Körpern hervorgerufen wird. Die Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtung des Strömungsmessers 100 kann einen oder mehrere Wärmeverlustdetektoren umfassen, die auf dem einen oder auf beiden der Körperteile 101, 102 oder auf der Innenwandung des Kanals 102 angeordnet sind, jedoch kann der Durchgang zwischen den Körpern in der gleichen Weise wie die Leitungen 75» 85 cLer Strömungsmesser 70, 80 mit einem Doppelplatten- bzw. Zweielementenkristalldetektor, insbesondere einem piezoelektrischen Detektor versehen sein. Es besteht tatsächlich jedoch im Vergleich mit den Strömungsmessern 70, 80 hier insofern ein Nachteil, als der Doppelplatten- bzw. Zweielementkristalldetektor direkt dem Haupt-Strömungsmittelfluß ausgesetzt ist, der seinerseits verunreinigende Bestandteile enthalten kann.

In dem Strömungsmesser 110, der in den Figuren 11A und 11B gezeigt ist, wird die Störung des Strömungsmittelflusses wiederum durch ein Paar Körperteile 111 und 112 der gleichen grundsätzlichen Gestalt und Anordnung in einem Kanal 114 bewirkt, wie es bei den Körperteilen 101 und 102 der Figur 10 der Fall ist. Jedoch ist nur der Körperteil 111 an der Kanalwandung befestigt, und die Körperteile sind durch langgestreckte Teile 115 verbunden, die eine Oszillation des Körperteils 112 von der einen zur anderen Seite gestatten. Alternativ können die Teile 115 nichtflexibel und an dem Anbringungspunkt des stromaufwärtigen Körperteils 110 angelenkt sein. In einer weiteren Abwandlung bilden die beiden Körperteile 111, 112 wiederum eine starre Struktur, die drehbar um die Achse des stromaufwärtigen Körperteils an der

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Kanalwandung gelagert ist. Die Oszillationen (Schwingungen) der Körperteile, die nunmehr erhalten werden, besitzen eine große Amplitude.

Obwohl Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtungen jeder Art angewandt werden können, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, ist hier eine adäquate Energie für die Verwendung einer mechanischen Abnahmeeinrichtung, beispielsweise eines Umlaufzählers vorhanden. Da im Falle von Gasen als Strömungsmittel die Dichte vom Druck abhängt, ist diese Art eines Strömungsmessers besser zur Verwendung im Zusammenhang mit Flüssigkeiten geeignet.

Es sei darauf hingewiesen, daß es im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt, Merkmale einiger der erläuterten Ausführungsbeispiele auf andere Ausführungsbeispiele zu übertragen. Die "breiten" Körper, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung angewandt werden können, sind in ihrer Gestalt nicht auf im Querschnitt rechteckige oder kreisförmige Körper beschränkt, wie sie vorstehend näher erläutert wurden, sondern diese Gestalt kann den Erfordernissen entsprechend gewählt werden. In gleicher Weise kann die Gestalt des Kanals, der den Strömungsmittelfluß begrenzt, irgendeine geeignete Gestalt sein. Insbesondere ist es vorteilhaft, die relativen Dimensionen des "breiten" Körpers und des Kanals so zu wählen, wie in der britischen·Anmeldung 13 384/72 beschrieben worden ist.

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Claims (34)

1. ΚΕΝΟ? INSTRUMENTS LIMITED
   Luton, Bedfordshire/England

   Anwaltsakte: 4151

   PATENTANSPRÜCHE

   Strömungsmesser, gekennzeichnet durch einen Kanal (2, 22, 36, 42, 52, 62, 72, 82, 104, 114) zur Aufnahme eines Stromungsmittelflusses; einen Körper (1, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 101, 102, 111, 112), der sich quer durch den Kanal erstreckt und an der Wandung des Kanals befestigt bzw. dicht angebracht ist; sowie eine von dem Körper getragene bzw. an diesem vorgesehene Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrich tung (8, 23, 37, 48, 64, 76, 86), die auf Störungen des Stromungsmittelflusses anspricht, welche durch den Körper verursacht worden sind.
2. 2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtung (8) direkt auf Störungen des Stromungsmittelflusses anspricht.
3. 3. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtung (8) ein Paar Wärmeverlust-Detektoren umfaßt, wobei ge ein Wärmeverlust-Detektor des Paares auf je einer von entgegengesetzten Seiten des Körpers (1) angebracht ist.
4. 4. Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeverlust-Detektoren (8) Thermistoren, Thermo-

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   At

   elemente oder Widerstandsthermometer sind oder umfassen.
5. 5- Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis-, MhI- o.dgl. -einrichtung (23, 37) auf die Bewegung des Körpers anspricht, welche von den Störungen hervorgerufen worden sind.
6. 6. Strömungsmesser nach Anspruch 5$ dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (21, 31) ein Rohr (28, 32) aufweist, welches durch eine Yorrichtung angebracht ist, die eine begrenzte Bewegung des Rohres relativ zu einem Kern (26, 32) in Abhängigkeit von bzw. in Ansprechung auf die Störungen gestattet.
7. 7. Strömungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (28, 34·) den Kern (26, 32) umgibt und die Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtung Elektroden (23, 37) auf dem Kern zum kapazitiven Nachweis der Bewegungen des Rohres aufweist.
8. 8. Strömungsmesser nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (28) auf dem Kern (26) durch ringförmige Teile (29) aus federndem bzw. nachgiebigem Material angebracht ist.
9. 9. Strömungsmesser nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (26) an der Wandung des Kanals (22) durch ringförmige Teile (25) aus federndem bzw. nachgiebigem Material befestigt bzw. durch diese Teile dicht mit der Wandung verbunden ist.
10. 10. Strömungsmesser nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3²O auf dem Kern (32) durch ein Paar flexibler Diaphragmen, Zwischenwände o.dgl. (35) angebracht bzw. befestigt ist.

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11. 11. Strömungsmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Kern (32) und dem Rohr (34) durch die Diaphragmen, Zwischenwände o.dgl. (35) dicht verschlossen und mit Öl (38) gefüllt ist.
12. 12. Strömungsmesser nach Anspruch 6 oder 7t dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (41, 51) an dem Kanal mittels einer Vorrichtung (Befestigungsvorrichtung) befestigt ist, die eine begrenzte Drehbewegung des Rohres um seine Achse gestattet.
13. 13- Strömungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung eine Torsionsstange bzw. einen Torsionsstab (44) umfaßt bzw. als Torsionsstange bzw. -stab ausgebildet ist.
14. 14. Strömungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung wenigstens einen Torsionsdraht (56) umfaßt bzw. als solcher ausgebildet ist.
15. 15- Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5t dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (41, 51» 61, 71» 81) ein, vorzugsweise dünnwandiges, Rohr ist und die nachweis-, Eühl- o.dgl. -einrichtung auf Deformationen der Rohrwandung anspricht.
16. 16. Strömungsmesser nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis-, Mihl- o.dgl. -einrichtung ein Teil (64) umfaßt, das mit dem Mittelbereich des Rohres (61) verbunden ist, um sich mit diesem zusammen zu bewegen.
17. 17« Strömungsmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (61) an seinen Enden dicht mit Öffnun-

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    gen in der Kanalwandung (62) verbunden ist und das Teil (64) einen Bereich (66) aufweist, der sich außerhalb des Kanals erstreckt.
18. 18. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtung ein Paar flexibler Wandungsteile (74, 84) des Körpers (71, 81) umfaßt, die in einem Abstand quer zum Kanal voneinander angeordnet sind und Endwände einer Leitung (75» 85) bilden, welche sich durch den Körper erstreckt.
19. 19. Strömungsmesser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (71, 81) an 3'e einer von seinen entgegengesetzten Seiten einen flexiblen Bereich (74, 84) aufweist, wobei diese flexiblen Bereiche Endwände einer Leitung (75% 85) bilden, die sich durch den Körper erstreckt.
20. 20. Strömungsmesser nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (75, 85) dicht von dem Strömungsmittel im Kanal (72, 82) abgeschlossen ist und ein Strömungsmittel enthält.
21. 21. Strömungsmesser nach Anspruch 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtung eine Elektrode umfaßt bzw. ist, die von den flexiblen Bereichen (74, 84) gebildet oder getragen wird.
22. 22. Strömungsmesser nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtung eine Einrichtung umfaßt bzw. ist, die auf den hin- und hergehenden Strömungsmittelfluß in der Leitung (75% 85) anspricht.
23. 23- Strömungsmesser nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweis-, Fühl- o.dgl. -einrichtung einen in der Leitung (75% 85) angeordneten elektro-mechanisehen Wandler (76, 86) umfaßt bzw. als solcher ausgebildet ist.

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    -y-
24. 24. Strömungsmesser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (76, 86) ein piezo-elektrischer Wandler ist bzw. einen solchen umfaßt.
25. 25- Strömungsmesser nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (76) direkt dem hin- und hergehenden Strömungsmittelfluß ausgesetzt ist.
26. 26. Strömungsmesser nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (86) durch einen Kolben (88) betätigt wird, welcher dem hin- und hergehenden Strömungsmittelfluß ausgesetzt ist.
27. 27. Strömungsmesser nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Durchgang, der zwischen zwei Teilen (101, 102; 111, 112) des Körpers ausgebildet ist, welche sich in Längsrichtung des Kanals (104, 114) im Abstand voneinander befinden.
28. 28. Strömungsmesser nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile (101, 102) des Körpers ortsfest sind.
29. 29. Strömungsmesser nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der stromabwärtige Teil (112) des Körpers (111, 112) mit dem stromaufwärtigen Teil (111) zum Zwecke einer Schwenk-, Pendel-, Dreh- o.dgl. -bewegung um eine Achse, die parallel zur Achse des stromaufwärtigen Teils (111) verläuft, verbunden ist.
30. 30. Strömungsmesser nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der stromaufwärtige Teil (111) des Körpers (111, 112) in dem Kanal zu einer Schwenk-, Pendel-, Dreh- o.dgl. -bewegung um die Achse des Teils (111) angebracht ist und der stromabwärtige Teil (112) mit dem stromaufwärtigen Teil (111) schwingen kann.

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    ■/-
31. 31. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (21, 31, 4-1, 61, 71, 81) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
32. 32. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei die Breiten seiner Seiten (4), die senkrecht zur Richtung des Strömungsmittelflusses verlaufen zu den Breiten der parallel zu dieser Richtung verlaufenden Seiten (6) wenigstens etwa im Verhältnis 3/2 stehen.
33. 33. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (2, 22, 36, 42, 52, 62, 72, 82, 104, 114) einen im wesentlichen kreisförmigen inneren Querschnitt besitzt.
34. 34. Strömungsmesser nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1, 21, 31, 41, 51, 61, 7I, 81, 101, 102, 111, 112) eine Achse aufweist, die sich längs eines Durchmessers des Kanals erstreckt.

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