DE2713051A1

DE2713051A1 - Stroemungsmesser

Info

Publication number: DE2713051A1
Application number: DE19772713051
Authority: DE
Inventors: Peter J Herzl
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1976-06-18
Filing date: 1977-03-24
Publication date: 1977-12-29
Also published as: US4030355A

Description

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FISCHER & PORTER COMPANY

Warminster, Pennsylvania 18974 U.S.A.

Case Lh/fi

Strömungsmesser

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Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser vom Wirbeltyp zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten unabhängig von Turbulenz oder anderen Störungen in dem zu messenden Medium. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Hindernisanordnung für einen Strömungsmesser, der geeignet ist, den wirksamen Arbeitsbereich des Strömungsmesser zu vergrößern und seine Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu verbessern.

Es ist bekannt, daß unter bestimmten Umständen das Vorhandensein eines Hindernisses in einer durchströmten Leitung zu periodischen Wirbeln führt. Bei kleinen Reynolds-Zahlen ist die stromabwärtige Strömung laminar, bei zunehmenden Reynolds-Zahlen entstehen jedoch regelmäßige Wirbel-Muster. Diese Wirbelmuster sind bekannt als Karman-Wirbelschleppen. Die Frequenz, mit der Wirbel in einer Karman-Wirbelschleppe entstehen, ist eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit. Diese Erscheinung wird bei Strömungsmessern ausgenutzt. Strömungsmesser dieser Art sind in den US-PS 3 116 639 und 3 650 152 beschrieben.

In einem Strömungsmesser vom Wirbeltyp ist die Frequenz der Aussendung bzw. des Auftretens von Wirbeln genau auf die Geschwindigkeit des Mediums bezogen, das durch die Rohrleitung fließt, die den Wirbelkörper enthält, jedoch nur solange wie der Ablösepunkt, von dem die Wirbel ausgehen, fest bleibt und der Rückkopplungsmechanismus konstant bleibt, der die Ablösung von einer Seite des Körpers zur andern überträgt bzw. überführt.

In seiner elementarsten Form ist der Wirbelkörper oder Wirbelablösekörper ein einfacher Zylinder, der quer in dem durchströmten Rohr angeordnet ist. Nachteilig bei diesem Körper ist es, daß der Ablösepunkt (d.h. der Ort, an dem sich die Wirbel von dem Körper ablösen) sfch mit der Reynolds-Zahl ver-

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schiebt. Als Folge davon verläuft die Wirbelschleppe mäanderförmig stromabwärts vom Wirbelkörper. Wenn sich der Winkel dieser Wirbelschleppe ändert, so verändert sich auch der Rückkopplungsmechanismus, der die Ablösung von alternierenden Seiten des Wirbelkörpers verursacht, wodurch sich Abweichungen von der zu erwartenden Frequenz des Wirbelkörpers ergeben. Die Meßgenauigkeit und die Repoduzierbarkeit werden dadurch verschlechtert.

Es sind Wirbelmeßgeräte bekannt, die mit Wirbelkörpern versehen sind, die diese Nachteile zu vermeiden suchen durch Optimalisierung der Breite und Geometrie des Wirbelkörpers in Bezug zur Größe des durchströmten Rohres. Das US-PS 3 572 117 beschreibt einen Strömungsmesser mit breitem Wirbelkörper, der eine vorgegebene geometrische Ausbildung hat, um Unregelmäßigkeiten in der oszillierenden Abströmung auf ein Minimum herabzudrücken. Diese Meßgeräte stellen eine Verbesserung gegenüber Meßgeräten mit zylindrischen Wirbelkörpern dar. Bei nicht idealen Betriebsbedingungen, wie sie in der Praxis auftreten, werden jedoch auch die Wirbelschleppen, die durch nicht-zylindrische Wirbelkörper erzeugt werden, oft intermittierend oder mäanderförmig, so daß dieselben Nachteile wie bei zylindrischen Körpern entstehen.

Das US-PS 3 589 185 beschreibt eine verbesserte Form eines Wirbeltyp-Strömungsmessers, bei welchem das von der Schwingung des Mediums abgeleitete Signal relativ stark und stabil ist, um ein günstiges Verhältnis von Signal/Rauschen zu erreichen, wodurch über einen einigermaßen breiten Bereich eine zufriedenstellende Information über die Strömungsgeschwindigkeit erzielbar ist. In diesem Meßgerät ist ein Hindernis in der Leitung montiert, bestehend aus einem Block, der quer in der

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Leitung angeordnet ist, wobei seine Längsachse rechtwinkelig zur Strömungsrichtung verläuft, einem Band oder Streifen, der quer zur Leitung hinter dem Block montiert ist und einen Abstand von diesem hat, um einen Spalt zu bilden, der dazu dient, die Karman-Wirbel einzufangen und die Wirbelschleppe zu verstärken und zu stabilisieren. Die Wirbelschleppe wird abgefühlt, bzw. gemessen, um ein Signal zu erzeugen, dessen Frequenz proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist.

In dem US-PS 3 888 120 ist ein Wirbeltyp-Strömungsmesser beschrieben, der ein Hindernis aufweist, das einen festen Vorderabschnitt besitzt, um eine Ablösung der Strömung, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll, zu bewirken, ferner einen hinteren nicht-stromlinienförmigen Abschnitt, der im Weg der Wirbelschleppe im Abstrom vom vorderen Abschnitt liegt und vom vorderen Abschnitt nach rückwärts ragend angeordnet ist, um einen Spalt oder eine Lücke zu bilden. Der hintere Abschnitt ist relativ zum vorderen Abschnitt etwas ablenkbar, wodurch er in schwache Schwingungen durch die Wirbelschleppe gebracht werden kann. Diese Schwingungen werden durch einen Dehnungsmesser gemessen, um ein Signal zu erzeugen, das der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist.

Der Strömungsmesser 10 LV 1000 der Fischer & Porter Company, Warminster, Pennsylvania, arbeitet nach dem Prinzip des US-PS 3 888 120. Dieser Strömungsmesser ist mit Erfolg eingesetzt worden und er hat einen aus zwei Abschnitten bestehenden Wirbelkörper, um eine Wirbelschleppe zu erzeugen. Seine Genauigkeit bei nJaJer-viskosen Medien, beispielsweise Wasser, liegt innerhalb eines breiten Arbeitsbereiches bei etwa 2%.

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Es gibt jedoch Anwendungsfälle von Strömungsmessern, die eine höhere Genauigkeit und einen noch breiteren Betriebsbereich erfordern. Ferner ist in einigen Anwendungsfällen die Viskosität des zu messenden Mediums veränderlich, oder es können Turbulenzen oder andere Strömungen auftreten, die die Genauigkeit des mit dem oben genannten Strömungsmessers erreichbaren Wertes nachteilig beeinflussen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsmesser vom Wirbeltyp zu schaffen, der ein Hindernis in dem durchströmten Rohr aufweist, wodurch kräftige, stabilisierte Schwingungen erzeugt werden, in welchen die Frequenz der Wirbelablösung genau auf die Geschwindigkeit des Mediums bezogen ist, unabhängig von Turbulenz, Änderungen der Medium-Viskosität oder anderer Störungsfaktoren, die bisher die Genauigkeit der bekannten Strömungsmesser beeinträchtigt haben. Der Strömungsmesser soll ferner zuverlässig und leistungsfähig im Betrieb sein und sich zur Massenherstellung bei niederen Kosten eignen.

ErfindungsgemäB wird dies bei einem Strömungsmesser erreicht, der ein Hindernis in seinem durchströmten Rohr hat, das eine geordnete Folge von Wirbeln erzeugt, unabhängig von Turbulenz oder anderen Störfaktoren. Mit dem Hindernis sind Meßeinrichtungen verbunden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Frequenz proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Mediums über einen breiten Arbeitsbereich ist.

Das Hindernis besteht zweckmäßigerweise aus zwei Abschnitten, einem vorderen Abschnitt, der quer zum durchströmten Rohr angeordnet ist, wobei seine Längsachse rechtwinkelig zur Achse der Strömung verläuft und einem hinteren Abschnitt, der im Abstand vom vorderen Abschnitt angeordnet ist, um eine Lücke zwischen beiden zu bilden. Der hintere Abschnitt hat eine

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zentrale öffnung, die einen Durchgang für das Medium bildet, wodurch etwaige Turbulenz ausgeglichen bzw. geglättet wird und eine geordnete Reihe oder Schleppe aus Wirbeln erzeugt wird, womit eine sehr hohe Genauigkeit hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit über einen breiten Arbeitsbereich erreicht wird.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der

Fig. 1 perspektivisch einen Strömungsmesser des Wirbeltyps mit einer ersten Ausführungsform eines Hindernisses zeigt.

Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Ausführungsform nach Fig. Fig. 3 zeigt das Hindernis in perspektivischer Darstellung.

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine zweite Ausführungsform eines Hindernisses nach der Erfindung.

In den Fig. 1 bis 3 ist ein Strömungsmesser des Wirbeltyps gezeigt, der mit einer ersten Ausführungsform eines Hindernisses nach der Erfindung versehen ist. Der Strömungsmesser umfaßt ein Strömungsrohr 10, durch das ein Medium geführt wird, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll. Das Rohr 10 hat an seiner Einlaßseite einen Bund 11 mit vergrößertem Außendurchmesser. Der Einlaß 1OA des Rohres ist abgeschrägt oder abgerundet, um einen sanften Strömungsübergang von einer stromaufwärtigen Rohrleitung zu erreichen. Am Flansch 11 ist mit Hilfe eines Rohrstutzens 12 vertikal ein Signalgehäuse 13 montiert, wobei der Signalgeber über den Rohrstutzen mit dem Sensor im Strömungsmesser gekoppelt ist.

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Dieser Strömungsmesser ist in eine Rohrleitung eingebaut, die einen stromaufwärtigen Rohrabschnitt und einen stromabwärtigen Rohrabschnitt aufweist, zwischen welchen der Strömungsmesser angeordnet ist. Die beiden Rohrabschnitte haben komplementäre Anschlußflansche und eine kreisförmige Reihe von Löchern in diesen für die Durchführung von Schrauben.

Das Meßgerät wird installiert, indem das Rohr 10 teleskopartig in den stromabwärtigen Rohrabschnitt (nicht gezeigt) eingeschoben wird, worauf der Flansch 11 zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Flansch des jeweiligen Rohrabschnittes mit Hilfe von Schrauben eingespannt wird, die die Rohrflansche miteinander verbinden, wodurch ein Käfig gebildet wird, der den Umfang des Flansches des Meßgerätes umgibt und an diesem anliegt, um das Rohr in dem stromabwärtigen Rohrabschnitt zu zentrieren. Zwischen dem Flansch des Meßgerätes und den Flanschen der Rohrabschnitte sind Dichtungen angeordnet, um eine Leckage zu verhindern.

In dem Rohr 10 ist vertikal ein Hindernis montiert, bestehend aus einem vorderen Abschnitt 14 und einem hinteren Abschnitt 15, der freitragend vom vorderen Abschnitt nach hinten ragt und durch einen oberen und einen unteren Stab oder Bolzen 16, gehalten ist. Der vordere Abschnitt 14 ist ein Formblock mit delta-förmigem Querschnitt, der über die Längsachse des Blockes gleich ist, wobei diese Achse senkrecht zur Strömungsachse des Rohres 10 verläuft.

Die Enden des vorderen Abschnittes 10 sind an der Wand des Flansches 11 befestigt, wodurch der vordere Abschnitt fest in dem Rohr gehalten wird, während der frei hinausragende,

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hintere Abschnitt 15 des Hindernisses ablenkbar bzw. abbiegbar ist. Der Raum zwischen dem vorderen und dem hinteren
Abschnitt bildet einen Spalt, der die Karmann-Wirbel einfängt und die Wirbelschleppe verstärkt und stabilisiert.

Wie Fig. 3 zeigt, liegt der Scheitel des vorderen Abschnittes 14 der anströmenden Flüssigkeit gegenüber, seine geneigten Seiten bilden Führungsflächen, an denen das Medium vorbeiströmt und sie teilen die Strömung, um eine Reihe von
Wirbeln zu erzeugen, die bezüglich der Mittellinie des
vorderen Abschnittes alternieren. Wenn sich die Wirbel vom vorderen Abschnitt lösen, entstehen alternierende Bereiche eines niedrigen Druckes, die sich von Seite zu Seite verschieben, wodurch ein oszillierender Schub hinter dem vorderen Abschnitt erzeugt wird, der den ablenkbaren hinteren Abschnitt, der an den Stäben 16 und 17 aufgehängt ist, dazu bringt, periodisch mit einer Frequenz zu schwingen, die der Geschwindigkeit des einströmenden Mediums proportional ist.

Die periodische Schwingung wird durch einen Dehnungsmesser 18 aufgenommen, der am oberen Stab 16 angebracht ist. Leitungen L zu diesem Dehnungsmesser können an äußere Anschlüsse am Signalgehäuse 13 über einen inneren Kanal im Vorderabschnitt 14 angeschlossen werden.

Der hintere Abschnitt 15, der am besten in Fig. 3 zu sehen ist, besteht aus zwei parallelen kanalförmigen Teilen P₁ und P₂, die einander gegenüberliegen und durch Querstäbe 19 und 19' verbunden sind. Die Stäbe 16 und 17 sind am jeweiligen Mittelpunkt der Stäbe 19, 19' angebracht. Der Raum zwischen den Teilen P₁ und P₂ bildet eine zentrale öffnung, die einen
Durchfluß des Mediums erlaubt und die Strömung glättet bzw. gleichmäßig macht, um Turbulenzen hinter dem vorderen Abschnitt auszugleichen, v/as ausreicht, um eine geordnete Wirbelschleppe

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stromabwärts in etwa längs der Mitte des Rohres 10 zu erzeugen. Dieser zentrale Durchgang verbessert beträchtlich die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Strömungsmessers.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Hindernisses, das im wesentlichen in derselben Weise wirkt. Bei dieser Ausführungsform besteht jedoch der hintere Abschnitt 20 aus einem massiven Stück und er ist mit einer Reihe von Bohrungen 21 im Mittelbereich versehen, um den gewünschten zentralen Durchgang zur Glättung von Turbulenzen zu schaffen und dadurch die Arbeitscharakteristiken des Strömungsmessers zu verbessern.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Das Hindernis kann einen ablenkbaren hinteren Abschnitt haben, wie er in dem US-PS 3 888 120 ausgebildet ist, bei dem ein Vibrations-Sensor verwendet wird, um die Schwingungsbewegung zu messen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Frequenz proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Es kann aber auch ein fester hinterer Abschnitt verwendet werden, wie im US-PS 3 589 beschrieben ist, bei dem die Schwingungen des Mediums durch einen beheizten Thermistor, einem Kraftmesser und einem anderen geeigneten Sensor gemessen werden. Ferner braucht der vordere Abschnitt nicht im Querschnitt Delta-Form haben, er kann in Form eines Dreiecks, eines Rechtecks oder eine andere geeignete Form haben, die eine wirksame Wirbelablösung erlaubt.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

C 1. J Strömungsmesser des Wirbeltyps zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von strömenden Medien unabhängig von Turbulenzen oder anderen Störungen in dem zu messenden Medium, gekennzeichnet durch ein Strömungsrohr für das zu messende Medium, ein in dem Rohr angeordnetes Hindernis aus einem vorderen Abschnitt und einem hinteren Abschnitt, wobei der vordere Abschnitt rechtwinkelig zur Längsachse des Rohres in diesem angeordnet ist, um das ankommende Medium abzufangen, wodurch sich periodisch Wirbel von dem vorderen Abschnitt ablösen, daß ferner der hintere Abschnitt rechtwinkelig zur Strömungsachse und im Abstand vom vorderen Abschnitt angeordnet ist, um einen Spalt zwischen beiden zu bilden, um die Wirbel aufzunehmen und zu stabilisieren, daß der hintere Abschnitt eine öffnung in einem zentralen Bereich hat, durch den sich die Strömungsachse erstreckt, um den Durchgang des Mediums in einer Richtung parallel zur Strömungsachse durchzulassen, um Turbulenzen hinter dem vorderen Abschnitt im wesentlichen auszugleichen, um eine geordnete Wirbelschleppe stromabwärts im Mittelbereich des Rohres zu erzeugen, ferner durch Einrichtungen, um die Wirbel zu messen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Frequenz der Periodizität der Wirbel entspricht und das proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Mediums ist.
2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der hintere Abschnitt aus einem Paar im Abstand angeordneter Teile gebildet ist, die miteinander verbunden sind und daß der Abstand zwischen beiden die öffnung bildet.

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OWQINAL INSPECTED
3. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Teile kanalförmig ausgebildet sind.
4. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der hintere Abschnitt freitragend

an vorderen Abschnitt mit Hilfe wenigstens eines flexiblen Stabes angebracht ist, so daß der hintere Abschnitt durch die Wirbel in Schwingungen versetzbar ist, und daß die Meßeinrichtung aus einem Schwingungsaufnehmenden Detektor besteht, der an dem Stab montiert ist.
5. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der vordere Abschnitt im Querschnitt deltaförmig ausgebildet ist.
6. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßeinrichtung ein Kraftmesser ist, die in dem Rohr angeordnet ist.
7. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der hintere Abschnitt ein massiver Körper ist, der mit Löchern versehen ist, die die öffnung bilden.

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