DE2314407C2 - Durchflußmesser - Google Patents

Description

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (44) eine ebene Platte ist und daß das Verhältnis zwischen der Breite (d) der Platte und der lichten Weite (D) der Leitung (11)gleich oder nahezu gleich 0,26 ist

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (14) ein Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt ist und daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser (d) des Zylinders und der lichten Weite (D) der Leitung (!1) gleich oder nahezu gleich 0,36 ist.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (54) im Querschnitt Rechteckform hat und daß das Verhältnis zwischen *> der Breite (d) des Körpers (54) und der lichten Weite (D) der Leitung (11) gleich oder nahezu gleich 0,25 ist.

5. Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (d) des Körpers (54) größer als seine Dicke parallel zur Strömungsrichtung (12) der Flüssigkeit ist.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Breite (d) des Körpers (54) und seiner Dicke gleich oder nahezu gleich 3 : 2 ist.

7. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper im Querschnitt Quadrat-Form hat.

8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (11) einen kreisförmigen Innenquerschnitt hat.

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Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Wie man der US-PS 28 13 424 entnehmen kann, sind für Durchflußmesser, die auf der Erzeugung von Wirbeln an länglichen Körpern beruhen, verschiedene Ausführungsformen solcher Körper bekannt. Dabei hängt die ausgewählte Form des Körpers unter anderem von der Art der Flüssigkeit und der Form der Leitung ab.

Ein Durchflußmesser der angegebenen Gattung geht aus der US-PS 35 72 117 hervor und weist eine von der Flüssigkeit durchströmte Leitung, einen in der Leitung angeordneten, länglichen Körper zur Erzeugung von Wirbeln mit zur Strömungsgeschwindigkeit proportionaler Frequenz und einen Detektor für die Frequenz der Wirbel auf. Dabei sollte das sogenannte »Blockage Ratio«, also das Verhältnis zwischen der Breite des Körpers, quer zur Strömungsrichtung gesehen, und der lichten Weite der Leitung im Bereich von 0,15 bis 0,4 liegen.

Dieser sehr große Bereich für das Verhältnis d/D ergibt sich aus folgenden Überlegungen: Wenn ein Verhältnis kleiner als 0,15 verwendet wird, ist dsr Körper so dünn, daß er nur noch das Verhalten eines »punktförmigen Körpers« hat, d. h, ein solcher Körper kann nur noch die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung auf einer einzigen Linie ermitteln, die sich quer zur Breite der Leitung erstreckt. In der Praxis ändert sich jedoch die Geschwindigkeit der Flüssigkeit von einem maximalen Wert in der Mitte der Leitung zu einem minimalen Wert in der Nähe der Wände der Leitung, & h, ein solcher Durchflußmesser sollte nicht die Durchflußmenge auf einer bestimmten, schmalen Linie, sondern die Gessrntströmung durch die Leitung ermitteln. Aus diesem Grund sollte das Verhältnis wenigstens 0,15 betragen.

Andererseits bewirkt jedoch dieser Körper eine Änderung des Geschwindigkeitsprofils der Flüssigkeit, und zwar von einem Profil mit einem weiten Bereich von unterschiedlichen Geschwindigkeiten an unterschiedlichen Stellen quer zur Leitung zu einem Profil mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit in einem relativ schmalen Spalt zwischen dem Körper und den Wänden der Leitung. Wenn das Verhältnis größer als 0,4 wird, behindert der Körper die Strömung, so daß sich eine Strömungsgeschwindigkeit und damit schließlich ein Meßsignal ergibt, das wesentlich von den entsprechenden Werten vor der Einführung des Körpers abweicht. Die dadurch hervorgerufenen Verfälschungen des Meßergebnisses lassen sich in der Praxis nicht kompensieren.

Der aus der US-PS 35 72 117 bekannte Bereich des Verhältnisses von 0,15 bis 0,4 erfaßt also alle Werte, bei denen überhaupt realistische Messungen gemacht werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser der angegebenen Gattung zu schaffen, der auch bei Änderungen der Abmessungen des Körpers und/oder der Leitung die sehr exakte Bestimmung der Durchflußmenge ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die jm kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgenden Überlegungen: Das Verhältnis Frequenz fZ/Durchflußmenge «Rändert sich in Abhängigkeit von dem Verhältnis Breite (W/Iichte Weite (D) auf exakt definierte Weise, d. h., mit ansteigendem Verhältnis (d/D) nimmt das Verhältnis (f/Q) ab, durchläuft ein Minimum, dessen exakte Lage von der Form des ' Körpers abhängt, und steigt dann wieder an.

Wird nun ein Wert für das Verhältnis (d/D) ausgewählt, bei dem das Verhältnis (f/Q) minimal ist, so ändert sich das Verhältnis (f/Q) bei einer Änderung des Verhältnisses (d/D) nur wenig. In der Praxis hat dies zur Folge, daß die Toleranzen für die Auslegung der lichten Weite der Leitung bzw. der Breite des Körpers nicht sehr exakt eingehalten werden müssen; trotzdem lassen sich sehr exakte Messungen durchführen. Außerdem muß ein solcher Durchflußmesser geeicht werden, indem die entsprechenden Abmessungen auf die Durchflußmengen und damit auf die Frequenzen der

fjs Wirbel abgestimmt werden. Im Laufe der Zeit andern ι; sich jedoch die Abmessungen des Körpers und der Leitung, und zwar insbesondere unter dem Einfluß von Korrosion, so daß an sich eine Nacheichung erforderlich τ wäre. Aufgrund der oben erläuterten, günstigen Auswahl des Verhältnisses (d/D) ist eine solche Nacheichung nicht erforderlich, da die durch die Veränderungen der Abmessungen hervorgerufenen ■ Änderungen der Durchflußmenge in der Praxis : vernachlässigbar sind.

; Außerdem steigt, ausgehend vcn dem Minimum, die Kurve (f/Q) nach beiden Seiten an, d. h, jede Änderung des Verhältnisses (d/D) hat eine Veränderung des Verhältnisses (f/Q) zur Folge, so daß leicht eine ■ entsprechende Kompensation eingeführt werden kann. Und schließlich reagiert ein solcher Durchflußmesser ί weniger empfindlich auf Störungen der Strömung auf λ der Anströmseite des Körpers.

J Die Erfindung wird im folgenden anhand von [S Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Änderung des Verhältnisses zwischen der Frequenz (f)der Wirbelablösung und der Durchflußmenge (Q) bei verschiedenen Ausführungsformen des Durchflußmessers in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen der Breite (d) des Körpers und der lichten Weite (D) der zugehörigen Leitung,

Fig.2 einen axialen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Durchflußmessers, 3»

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 11-11 von Fig. 2,
F i g. 4 und 5 axiale Schnitte einer zweiten bzw. einer dritten Ausführungsform eines Durchflußmessers.

Das Grundprinzip eines solchen Durchflußmessers seil im folgenden kurz unter Bezugnahme auf die F i g. 2 und 3 beschrieben werden. Der allgemein durch das Bezugszeichen 10 angedeutete Durchflußmesser weist eine Leitung 11 mit kreisförmigem Querschnitt auf. Diese Leitung 11 wird in Richtung des Pfeils 12 durch eine Flüssigkeit durchströmt, deren Durchflußmenge bzw. Durchflußgeschwindigkeit ermittelt werden soll.

In der Leitung 11 ist senkrecht zur Strömungsrichtung 12 ein stumpfer Körper 14 angeordnet, der beispielsweise die Form eines Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt hat. Der Körper 14 liegt in horizontaler Richtung auf einem Durchmesser der Leitung 11. Zwischen den Enden des Körpers 14 und der Wand der Leitung 11 sind Dichtungen 17 vorgesehen.

Auf der Zuströmseite des Körpers 14 hat die Leitung 11 auf eine ausreichende Länge einen konstanten ⁾⁰ Querschnitt, so daß die auf den Körper 14 treffende Stiömung laminar ist. Auf der Abströmseite des Körpers 14 bilden sich auf noch zu erläuternde Weise Wirbel 15.

An einander gegenüberliegenden, auf einer senkrechten Linie angeordneten Stellen des Umfangs des Körpers 14 sind Ausnehmungen ausgebildet, in denen Fühler 16 angeordnet sind. Diese Fühler 16 sprechen beispielsweise auf Temperaturänderungen bzw. Wärmeverluste an und erzeugen elektrische Signale, deren Frequenz von der Ablösung der Wirbel 15 von dem Körper 14 abhängt.

Die Fühler 16 sind über Leitungen 18 mit einer Schaltung 19 verbunden, die ein pulsierendes Ausgangssignal mit einer Frequenz erzeugt, die der Frequenz des von den Fühlern 16 gelieferten Signals entspricht. Das Ausgangssignal der Schaltung 19 wird einer Anzeige- und/oder Regelschaltung 20 zugeführt, die beispielsweise als Impulszähler ausgebildet sein kann.

Wie man in Fig.2 erkennt, entstehen an der Abströmseite des Körpers 14 die Wirbel 15, die sich abwechselnd von den beiden Seiten des Körpers 14 ablösen.

Hat die Leitung 11 eine solche lichte Weite, daß ihre Wände keinen Einfluß auf die abgelösten Wirbel 15 haben, so bilden die beiden Wirbelfolgen an der Abströmseite des Körpers eine Wirbelstraße mit der Breite </'(siehe F i g. 2).

Die Beziehung d': d, wobei ddie wirksame Breite des Körpers 14 rechtwinklig zur Strömungsrichtung 12 bezeichnet, ist für einen Körper 14 mit gegebener Form konstant, ändert sich jedoch in Abhängigkeit von der Form des Körpers 14. Bei einem zylindrischen Körper mit kreisförmigem Querschnitt hat diese, auch als Stumpfheit bezeichnete Konstante K den Wert 1,1.

Die Frequenz f, mit der sich die Wirbel 15 von einem solchen stumpfen Körper 14 ablösen, ist bei einem solchen Durchflußmesser proportional zur Durchflußmenge Qder Flüssigkeit in der Leitung 11. Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis Frequenz /"/Durchflußmenge Q und dem Verhältnis Breite d des Körpers/lichte Weite Oder Leitung 11.

In Fig. 1 stellt die Kurve (i)diese Beziehung für den Körper 14 nach den F i g. 2 und 3 dar, also für einen zylindrischen Körper mit kreisförmigem Querschnitt und der Stumpfheit K-1,1. Es läßt sich erkennen, daß das Verhältnis f/Q sich bei einer Vergrößerung des Verhältnisses d/D zunächst verringert und bei d/D=0,36 ein Minimum erreicht; anschließend erhöht sich das Verhältnis f/Q wieder.

Im Bereich des Minimums verläuft die Kurve (i) in Fig. 1 sehr flach, so daß beispielsweise eine Änderung des Verhältnisses d/D um 10% nur eine Änderung des Verhältnisses f/Q um 1% bewirkt.

F i g. 4 zeigt eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Durchflußmessers 40, dessen stumpfer Körper 44 die Form einer Platte hat. Die beiden einander gegenüberliegenden großflächigen Seiten der Platte 44 verlaufen senkrecht zu der Strömungsrichtung 12. Die Fühler 46 sind bei dieser Ausführungsform an der Abströmseite der Platte 44 an der Wand der Leitung 11 angebracht.

Eine ebene Platte hat eine Stumpfheit K von 1,6. Die Kurve (H) in F i g. 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis f/Q und dem Verhältnis d/D einer solchen Platte; es läßt sich erkennen, daß das Minimum dieser Kurve bei d/D= 0,26 liegt. Der Körper 44 sollte deshalb eine Breite d haben, die gleich oder nahezu gleich der lichten Weite D der Leitung 11, mulitpliziert mit 0,26, ist.

Es läßt sich weiterhin erkennen, daß die Kurve (H) im Bereich des Minimums noch flacher verläuft als die Kurve (i). Hierbei beträgt die Vergrößerung des Verhältnisses f/Qbe\ einer Änderung des Verhältnisses d/D um 10% nur noch 0,5%.

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Durchflußmessers 50 mit einem stumpfen Körpei 54 mit rechteckigem Querschnitt, dessen einander gegenüberliegende, breite Flächen senkrecht zur Strömungsrichtung 12 der Flüssigkeit verlaufen. Die Breite dieser Flächen beträgt das ³/2fache der Breite der beiden anderen, einander gegenüberliegenden Flächen. Damit steht fü- die Bildung der Wirbel 15 die größtmögliche Energie zur Verfugung. Dieser Körper 54 hat eine Stumpfheit K von 1.7. In diesem Fall erreicht die Kurve f/Q ihr Minimum bei einem Verhältnis d/D=0,25.

Allgemein läßt sich feststellen, daß die in Fig. 1

dargestellten Kurven im Bereich der Minima um so flacher verlaufen, je größer die Stumpfheit K ist, d. h., je stumpfer der verwendete Körper ist. Dies ergibt sich schon aus den Kurven (i)und (ii)\n Fig. 1, da der Verlauf für einen Körper mit K= 1,6 flacher ist als für einen Körper mit /C= 1,1. Die entsprechende Beziehung ergibt sich auch für die (nicht dargestellte) Kurve des rechteckigen Körpers 54 nach F i g. 5 sowie für einen Körper mit quadratischem Querschnitt und einer Stumpfheit von K= 1,5, dessen Kurve nahezu ebenso flach verläuft wie die Kurve (H).

Die Form der Kurven (i) und (H) nach F i g. 5 läßt sich auch auf folgende Weise theoretisch ableiten:

Für die Strömung einer Flüssigkeit hinter einem in einer Leitung angeordneten stumpfen Körper ist die Strouhal-Zah! 5wie folgt definiert:

n_ fd

^s ~ τ-

Dabei bedeuten:

/ = die Frequenz der Wirbelerzeugung,
d = die wirksame Breite des Körpers, und
v' = die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit an der Abströmseite des Körpers.

Für eine Leitung mit kreisrundem Querschnitt mit dem Durchmesser D und mit einer Strömungsgeschwindigkeit ν an der Anströmseite des Körpers ergibt sich:

ä.
D

Dementsprechend wird die Strouhal-Zahl zu:

AL·

DY

Die Durchflußmenge Q kann aus der folgenden Gleichung bestimmt werden:

Damit gilt also:

d /. _4K d D\ π D

Aus dieser Beziehung läßt sich das Verhältnis dJD berechnen, bei dem das Verhältnis flQ minimal wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Durchflußmesser mit einer von der Flüssigkeit durchströmten Leitung, mit einem in der Leitung angeordneten, länglichen Körper zur Erzeugung von Wirbeln mit zur Strömungsgeschwindigkeit proportionaler Frequenz, wobei das Verhältnis (d/D) zwischen der Breite (d) des Körpers und der lichten Weite (D) der Leitung im Bereich von 0,15 bis 0,4 liegt, und mit einem Detektor für die Frequenz der Wirbel, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (d/D) im Bereich von 90% bis 110% des Wertes für (d/D) beim Minimum des Verhältnisses (f/Q)ms Frequenz (Oder Wirbel und Durchflußmen- '5