DE2736186A1

DE2736186A1 - Durchflussmesseinrichtung

Info

Publication number: DE2736186A1
Application number: DE19772736186
Authority: DE
Inventors: Jun Theodore John Fussell
Original assignee: Neptune Eastech Inc
Current assignee: Neptune Eastech Inc
Priority date: 1976-08-12
Filing date: 1977-08-11
Publication date: 1978-02-16
Also published as: CA1064730A; GB1580736A; JPS5321956A; US4047432A

Description

Neptune Eastech, Inc. A 35 766-ko

308 Talmadge Road

Edison, New Jersey 08317 ³'"'■ "*^

U.S.A.

Durchflußmeßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflußmeßeinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art. Eine derartige Durchflußmeßeinrichtung ist aus den DT-ASn 19 26 798 und 19 64 280 bekannt.

Das natürliche Phänomen der Wirbelablösung \vurde jahrelang in der Strömungsmeßgeräteindustrie erforscht, um mit deren Hilfe die Strömungsgeschwindigkeit zu messen. Hierbei ist eine einfache Zählung der abgelösten Wirbel alles, was zur Bildung des Gesamtflusses erforderlich ist. Bis zuletzt waren jedoch die Versuche ^ur Konstruktion einer auf ',Virbelablösung basierenden Durchflußmeßeinrichtung erfolglos, da die Wirbelablösung in den für Meßzwecke interessierenden Durchflußgeschwindigkeit sbereichen weder kräftig genug noch regelmäßig genug war, um eine zuverlässige Messung zu erlauben. Auch in den Fällen, in denen die Frequenz der Wirbelablösung erfaßbar war, wurde durch die nicht-lineare Beziehung zwischen der Frequenz und der Durchflußgeschwindigkeit eine komplizierte und teure elektronische Meßeinrichtung erforderlich.

Diese Situation änderte sich schlagartig mit dem Aufkommen

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der Y/irbslkörper-Durohflußmeßeinrichtung nach Rodely. V/ie in dem auf die Anmelderin übertragenen US-Patent 3 572 117 (= DT-AS 19 26 798) von Rodely erläutert ist, gibt es eine Familie von Rodely-Wirbelkörperkonstruktionen, die eine starke, schwankungsfreie Y/irbelablösung in einem durch eine Leitung hindurchfließenden Strömungsmedium erzeugen. Der Rodely-Y/irbelkörper besitzt in bevorzugter V/eise eine ebene Grundfläche normal zu der Strömungsrichtung des Strömungsmediums sowie ein Paar konvergierender, stromabwärts gelegener Flächen. Zur Erzielung der Schwankungsfreiheit genügen die Abmessungen des Wirbelkörpers in bezug zum Durchmesser der Leitung bestimmten vorgeschriebenen Bedingungen, die in dem Patentanspruch 1 der DT-AS 19 26 798 näher gekennzeichnet sind.

Gegenüber dem Rodely-Patent, welches eine Durchflußmeßeinrichtung mit einem außerhalb und stromabwärts des Wirbelkörpers angebrachten Sensor beschreibt, besteht eine wichtige, in einem Zusatz-patent der Anmelderin (US-PS 3 587 312 = DT-AS 19 64 280) geschützte Weiterbildung darin, einen Sensor stromaufwärts anzubringen. Die Anbringung des Sensors in der stromaufwärts gelegenen Grundfläche ergibt hohe Nutz-Störsignalverhältnisse, da der Sensor nicht nachteilig von der Wirbelschleppe des Wirbelkörpers beeinflußt wird.

Ein Nachteil der Messung in der stromaufwärts gelegenen Grundfläche besteht jedoch in der Anfälligkeit des Sensors gegen Beschädigungen, die durch den Aufprall von Fremdkörperteil-

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chen innerhalb des Stromunscmit-belfluuiJOG verursacht werden. Ein weiterer Nachteil besteht in der Notv/ondigireit, ein teures, abgeglichenes Sensorpaar mit zugehöriger "Elektronik (Filter, Korapensationsglieaer, usw.) zu verwenden, um das gleichphasige, mechanische Strömungsmittelrcuschen zu unterdrücken.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, eine Durchflußraeßeinrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche mit einem einzigen Sensor auskommt und damit einen geringeren Elektronikaufwand erfordert. Des weiteren soll die Gefahr von Beschädigungen des Sensors verringert werden, um auch in verhältnismäßig schmutzigen Strömungsmedien zuverlässig messen zu können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Y/eiterbildungen der Durchflußmeßeinrichtung nach Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet.

Bei der erfindungsgemäßen Durchflußmeßeinrichtung wird ein in der Grundfläche des Wirbelkörpers ausgebildeter Strömungskanal durch einen Schirm teilweise abgedeckt, wodurch der in dem Strömungskanal liegende, schlagempfindliche Sensor gegen den Aufprall von Schmutzteilchen wirksam geschützt wird. Dies gestattet einen gefahrlosen Einsatz der erfindungsgemäßen

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Durchflußmeßeinrichtung auch in schmutzigen Strömung ame dien. Des v/eiteren gewährleistet der Schirm einen einfach gerichteten Strömungsmittelfluß in dem Strömungskanal des Wirbelkörpers, wodurch hohe Rutz-StörsignalVerhältnisse erzielt v/erden und mit einem einzigen Sensor gearbeitet werden :<ann, was eine Vereinfachung der zugeordneten Meßelektronik und damit eine erhebliche Kostenverringerung bedeutet.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Durchflußmeßeinrichtung fließt das am Wirbelkörper angelangte Strömungsmedium über dessen Grundfläche und setzt sich stromabwärts fort, wobei in üblicher Weise Wirbel erzeugt werden. Ein kleiner Teil der ankommenden Strömung tritt in eine Einlaßöffnung des Strömungskanals ein und gelangt bei dem Durchfluß durch den Strömungskanal über den Sensor. Der Fluß in dem Strömungskanal entspricht einem elektrischen Gleichstrom. Die Wirbelablösung hinter dein Wirbelkörper führt zu Pulsationen des gleichförmigen Strömungsmittelflusses, wodurch der Sensor auf der halben Frequenz der Wirbelablösung dynamisch erregt wird. Dies bedeutet, daß mit jedem Paar abgelöster Wirbel ein elektrischer Impuls erzeugt wird, wohingegen bei einer mittigen Sensoranordnung mit jedem Paar abgelöster Wirbel zwei elektrische Impulse erzeugt werden.

Die Erfindung wird mit ihren weiteren Einzelheiten und Vorteilen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: Fig, 1 eine perspektivische, auseinandergezogene Dar-

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stellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Durchflußmeßeinrichtung, und

iig. 2 eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemsßen Durchflußmeßeinrichtung mit einem im Betrieb befindlichen Sensor und einem Reservesensor, um die Wartung zu erleichtern.

Das in Fig. 1 veranschaulichte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgeraäßen Durchflußmeßeinrichtung umfaßt einen Wirbelkörper 11, v/elcher typischerweise längs des Durchmessers einer nicht-dargestellten Leitung zwischen deren Wände mit Hilfe geeigneter, hier zur besseren Übersicht weggelassener Befestigungsmittel montiert ist. Der Wirbelkörper 11 besitzt eine längliche, ebene Grundfläche 13» die vorzugsweise normal zu der Strömungsrichtung eines Strömungsmittels in der Leitung angeordnet ist, sowie ein Paar konvergierender stromabwärts gelegener Flächen 15 und 17, welche die Grundfläche 13 längs zweier Kanten 16 und 18 schneiden. An den Kanten 16 und 18 lösen sich Grenzschichten des Strömungsmittels von dem Wirbelkörper 11 ab, d.h., daß dort die Wirbelablösung beginnt.

Der Querschnitt des Wirbelkörpers 11 ist somit im wesentlichen dreieckig. Um eine schwankungsfreie Wirbelablösung zu erzeugen, genügen die Abmessungen des Y/irbelkörpers 11 den folgenden, in dem Rodely-Patent DT-AS 19 26 798 näher beschriebenen Kriterien: Das Verhältnis zwischen der axialen Länge 1 zu der Höhe h der Grundfläche 13 liegt vorzugsweise

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zviisehen 1 und 2 und das Verhältnis zwischen der Höhe h zu dem Innendurchmesser der nicht dargestellten Leitung liegt vorzugsweise zwischen 0,15 und 0,4.

Zur Erfassung der Wirbelablösung besitzt der Wirbelkörper 11 einen in der Grundfläche 13 ausgebildeten Strömungskanal 19 und einen in dem Strömungskanal 19 angeordneten Sensor 20. Der Sensor 20 ist beispielsweise ein thermischer Sensor, obwohl auch andere Sensorarten, beispielsweise druckempfindliche Sensoren verwendet werden können. Der elektrische Zugang zu dem Sensor 20 erfolgt durch das Innere des 7/irbelkÖrpers 11 über eine längliche Öffnung 22, die parallel zu der Längsachse des Wirbelkörpers 11 verläuft. Der Strömungskanal 19 ist vorzugsweise so gerichtet, daß er die kürzere Abmessung, d.h., die Höhenabmessung der Grundfläche 13 durchläuft und senkrecht zu der Längsachse des Wirbelkörpers 11 steht.

Die Grundfläche 13 ist zusätzlich mit einer Vertiefung 21 zur Aufnahme eines Schirms 23 versehen, der an dem Wirbelkörper 11 mittels nicht dargestellter Nieten oder anderer geeigneter Mittel befestigt wird, welche in Bohrungen 25 und 27 in der Grundfläche 13 bzw. in dem Schirm 27 eingesetzt werden. Durch den so befestigten Schirm 23 werden ein Paar Strömungsmittelmündungen 19.1 und 19.2 an den gegenüberliegenden Enden des Strömungskanals 19 gebildet. Um zu gewährleisten, daß der Strömungsmittelfluß durch den Strömungskanal 19 nur in einer Richtung erfolgt, ist der den Strö-

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münzkanal 19 bedeckende Abschnitt des Schirms 23 kürzer als die Längenabinesaung des Stromun.^skanals 19. Im dargestellten Beispielsfalle ist hierzu ein rechteckformiger Einschnitt 23.1 in der Oberseite des Schirms 23 angebracht, derart, daß sich der Einschnitt 23.1 in Deckung mit dem Strömungskanal 19 befindet. Bei einer solchen Ausbildung stellt die Strömungsmittelmündung 19-1 die Sinlaßmündung und die Strömungsmittelmündung 19.2 die Auslaßmündung dar. Der Einschnitt 23.1 kann auch alternativ an der Unterseite des Schirms 23 angebracht sein und eine andere geometrische Form, beispielsweise eine Halbkreisform, aufweisen. Eine Anbringung von Einschnitten 23.1 sowohl an der Unter- als auch an der Oberseite des Schirms 23 ist jedoch ungünstig, da zwei Einschnitte einen Strömungsmittelfluß innerhalb des Strömungskanals 19 in zwei Richtungen und nicht, wie erv/ünscht, in einer einzigen Richtung ergeben würden.

Im Betrieb der in Pig. 1 veranschaulichten Ausfuhrungsform tritt ein Teil des ankommenden Strömungsmittelflusses in die Eintrittsmündung 19.1 ein, fließt durch den Strömungskanal 19 und dabei über den Sensor 20. Die Wirbelablösung stromabwärts des Wirbelkörpers 11 erzeugt Druckschwankungen, welche den in einer Richtung verlaufenden Strömungsmittelfluß innerhalb des Strömungskanals 19 zum Pulsieren bringen, wodurch der Sensor auf der halben Frequenz der Wirbelablösung dynamisch erregt wird.

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Der Schirm 23 dient nicht nur zur Begrenzung der Eintrittsmündung 19.1 mittels des Einschnitts 23.1, sondern auch zum Schutz des Sensors 20 gegen die Gefahr einer Beschädigung durch den Aufprall von Schmutzteilchen innerhalb des Strömungsmittelflusses. Zu diesem Zweck sollte die Größe des Strömungskanals 19, insbesondere dessen Tiefe ά ausreichend groß gewählt werden, um den Ansatz von Schmutz und damit eine Blockierung des Strömungsmittelflusses in dem Strömungskanal 19 zu verhindern. Dabei muß sorgfältig beachtet werden, daß mit einer Änderung der Tiefe d. des Strömungskanals 19 die Höhe D des Einschnitts 23.1 in der gleichen Richtung geändert werden muß, um auch weiterhin ein optimales Nutz-Storsignalverhältnis zu erzielen.

Bei einer ähnlichen Ausführungsform einer Durchflußmeßeinrichtung wie in Pig. 1 wurde anstelle eines Einschnitts 23.1 am einen Ende des Schirms 23 eine Öffnung in dem Schirm zwischen einem Paar hintereinander angeordneter Sensoren vorgesehen. Vergleichsversuche zwischen dieser abgewandelten Ausführungsform und der Ausführungsform nach Pig. 1 zeigten, daß die Ausführungsform nach Pig. 1 ein wesentlich besseres Nutz-Störsignalverhältnis und eine um das fünffache vergrößerte Signalamplitude bei gleicher elektrischer Speiseleistung für die Sensoren aufwies und von allen derzeit verwendeten Wirbelkörper-Durchflußmeßeinrichtungen die beste Leistung hatte.

Es versteht sich, daß die Ausführungsform nach Pig. 1 ledig-

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lieh beispielhaft für eine Reihe weiterer möglicher Ausführun^sformen der vorliegenden Erfindung ist. Abwandlungen und Änderungen können vom Durchschnittsfachmann ohne weiteres durchgeführt werden, ohne dabei von dem Erfindungsgedanken und dem Erfindungsumfang abzuweichen. Eine dieser Alternativen ist anhand von Pig. 2 veranschaulicht, welche einen Wirbelkörper ähnlich wie Pig. 1 zeigt, bei dem jedoch in dem Strömungskanal 19 zwei Sensoren 20.1 und 20.2 angeordnet sind. Von diesen beiden Sensoren ist nur der eine, am weitesten von der Einlaßmündung 19.1 entfernte Sensor 20.2 in Betrieb. Der andere Sensor 20.1 ist lediglich zu Reservezwecken vorhanden, um die V/artung zu erleichtern. Falls nämlich der in Betrieb befindliche Sensor 20.2 ausfällt, braucht der Wartungsmonteur lediglich den Reservesensor 20.1 mit der elektronischen Signalverarbeitungseinrichtung zu verbinden. Bei Inbetriebnahme des Reservesensors 20.1 ist es jedoch von Vorteil, den Schirm 23 umzudrehon, so daß der Einschnitt 23.1 stets am weitesten von dem gerade in Betrieb befindlichen Sensor entfernt ist. Auf diese Weise ist stets eine gute Signalqualität gewährleistet.

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Claims

Heptane Eastech, Inc. A 35 766-ko

Talmadge Road

Edison, Hev; Jersey 0881? 1 0. AlIS. 1977

U.S.A.

Pat entansprüche

Durchflußmeßeinrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmediums in einer Leitung, mit einem Wirbelkörper, der eine im wesentlichen normal zu der Strömungsrichtung des Strömungsmediums in der Leitung angeordnete ebene Grundfläche und ein Paar konvergierender, stromabwärts gelegener Flächen aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

(a) Ein Strömungskanal (19)» der von einer Seite der Grundfläche (13) zu deren gegenüberliegender Seite verläuft;

(b) ein Sensor (20), der in dem Strömungskanal (19) angeordnet ist;

(c) ein Schirm (23), der über dem Strömungskanal (19) und dem Sensor (20) derart angebracht ist, daß er den Strömungskanal (19) teilv/eise bedeckt und den Sensor (20) gegen den Aufprall von Schmutzteilchen innerhalb des Strömungsmediums schützt, und

(d) eine an dem den Strömungskanal (19) teilweise bedeckenden Abschnitt des Schirms (23) angebrachte Einrichtung (23.1) zur Bildung eines Zugangs zu dem Strömungskanal

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ORIGINAL INSPECTED

(19)» derart, daß aas Strömungsmedium in einer Richtung durch den Ströraungskanal (19) fließt.
2. Durchflußraeßeinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet , daß die Einrichtung (23.1) zur Bildung eines Zugangs zu dem Strürnungskanal (19) aus einem an dem einen Ende des Schirms (23) angebrachten Einschnitt besteht, der sich in Deckung mit dem Strömungskanal (19) befindet und eine Einlaßmündung (19.1) begrenzt, durch welche der Strömungsniittelfluß in einer Sichtung eintritt.
3. Durchflußmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Einschnitt (23.1) rechteckförmig ist.
4. Durchflußmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Tiefenabmessung des Strömungskanals (19) und die Höhenabmessung (H) des Einschnitts (23.1) im Sinne der Erzeugung eines hohen Nutz-Störsignal Verhältnisses aufeinander angepaßt sind.
5. Durchflußmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Grundfläche (13) eine Vertiefung (21) zur Aufnahme des Schirms (23) ausgeformt ist und daß der Strömungskanal (19) in der Vertiefung (21) ausgebildet ist.
6. Durchflußmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

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dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar Sensoren (20.1, 20.2; Pig. 2) in dem Strömung3kanal (19) angeordnet sind, von denen jeweils nur einer in Betrieb ist.
7. Durchflußmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (19) rechteckförmig ist und normal zu der Längsachse der Grundfläche (13) verläuft.

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