DE2938801A1

DE2938801A1 - Vorrichtung zum messen der geschwindigkeit einer stroemung

Info

Publication number: DE2938801A1
Application number: DE19792938801
Authority: DE
Inventors: Takeshi Fujishiro; Hiroshige Ozawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1978-09-25
Filing date: 1979-09-25
Publication date: 1980-04-03
Also published as: DE2938801C2; GB2032621B; US4275602A; JPS5543471A; GB2032621A; FR2436972B1; FR2436972A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit einer Strömung durch Ermittlung der Wirbelfrequenz einer Karman'sehen Virbelstraße.

Durch die Anordnung eines stabförmigen Hindernisses quer zur Strömungsrichtung in einem durchströmten Durchlaß lassen sich Wirbel erzeugen, welche sich abwechselnd an beiden Seiten des Hindernisses ablösen. Die Frequenz der Wirbelablösung ist dabei proportional der Strömungsgeschwindigkeit. Durch direkte oder indirekte Abtasttrng der Wirbel läßt sich daher die Strömungsgeschwindigkeit ermitteln» Auf diesem Prinzip basierende StrSmungsaesser· sind an sich als Karman'sehe Wirbelströmungsmesser bekannt.

Bei bekannten Ströaungsisessern der genannten Art sind jedoch die Abstände zwischen den sich nacheinander ablösenden Wirbel in Abhängigkeit von der fieynolds'sehen Zahl veränderlich, wodurch eine genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit erschwert ist.

Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer Torrichtung der eingangs genannten Art, welche aücli bsi innerhalb eines weiten Bereichs veränderlichen Strömungsgeschwindigkeiten genaue Messungen derselben ermöglicht,

Um dieses Ziel zu erreichen, weist die erfindungsgemäSe Vorrichtung mehrere Wirbelkörper sowie mehrere Wirbel— sensoren auf. Die Wirbelkörper haben unterschiedliche effektive Breiten, so daß die Abstände zwischen des sich von ihnen ablösenden Wirbeln über einen gewissen Bereich verteilt sind. Selbst wenn sich also die Abstände zwischen den Wirbeln in Abhängigkeit von Schwankungen der

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Reynolds-Zahl ändern, stimmt der Abstand zwischen den Wirbeln irgend einer Wirbelstraße mit den Abständen zwischen den Wirbelsensoren überein. Dadurch läßt sich die Frequenz der Wirbelablösung sicher und genau messen.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in einer bekannten Ausführung und

Fig. 2 eine Vorrichtung der genannten Art in einer Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 erkennt man einen Strömungsdurchlaß 1, in welchem ein stabförmiger Wirbelkörper 2 im wesentlichen im rechten Winkel zu einer den Durchlaß durchströmenden Strömung angeordnet ist. In Abhängigkeit von ihrer Geschwindigkeit löst sich die Strömung abwechselnd an beiden Seiten des Wirbelkörpers 2 ab, so daß sie an dessen Abströmseite eine regelmäßige Wirbelstraße bildet. Entlang der Wirbelstraße sind die einzelnen Wirbel durch einen vorbestimmten Abstand JL voneinander getrennt.

Der Abstand 1_ bestimmt sich aus dem Durchmesser el des Wirbelkörpers 2 gemäß der Beziehung

worin Oc ein in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl geringfügig variabler Koeffizient ist. Daraus ergibt sich, daß der Abstand JL weitgehend unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit ist.

Basierend auf diesem Prinzip, wurde bereits vorgeschlagen, an der Abströmseite des Wirbelkörpers Sensoren 3

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in einem durch den Außendurchmesser d. des Wirbelkörpers 2 bestimmten gegenseitigen Abstand 1_ anzuordnen. Die Sensoren 3 sind beispielsweise mit Gleichstrom gespeiste Heizdrähte, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von ihrer Temperatur ändert. Da in den einzelnen Wirbeln eine Erhöhung der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit auftritt, werden die Heizdrähte beim Durchgang der Wirbel stärker gekühlt, so daß sich ihr Widerstand entsprechend erhöht. Demgemäß ändert sich die Ausgangsspannung der Heizdrähte 3 in Übereinstimmung mit der Frequenz der Wirbelablösung. Dadurch läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit aus der Frequenz der Änderungen der Ausgangsspannung ableiten, worauf dann die Strömungsmenge anhand der Querschnittsfläche des Durchlasses 1 bestimmbar ist.

Bei dieser bekannten Anordnung treten die folgenden Schwierigkeiten auf: Falls die zu messende Strömungsgeschwindigkeit bzw. -aenge sehr großen Schwankungen unterworfen ist, was zu entsprechenden Änderungen der Seynolds-Zahl führt, ändert sieh der Abstand _1 zwischen, den Wirbeln in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb eines wenn auch eng begrenzten Bereichs. Da jedoch zwischen dem Wirbelkörper 2 und den Heizdrähten 3 unveränderliche Abstände vorhanden sind, ist bei Änderungen des Abstands zwischen den Wirbeln eine gleichsäßige Eülilung der Heizdrähte nicht mehr gegeben, so daß sich die Amplitude der Ausgangsspannung der Heizdrähte verringert. Dadurch ist dann eine genaue und zuverlässige Messung nicht taehr möglich.

Wird ferner die Durchströmung des Durchlasses_t etwa bei höheren Geschwindigkeiten, turbulent, so kann dies zum Ausfall einzelner Wirbel führen. Dies ist insbesondere der Fall bei Verwendung eines einzigen Wirbe!körpers und eines einzigen Wirbelsensors. In einem solchen Falle

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führt der Ausfall einzelner Wirbel unmittelbar zum Ausfall des entsprechenden Ausgangssignals und damit zu erheblichen Meßfehlern.

In Pig. 2 der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Man erkennt hier einen eine vorbestimmte effektive Querschnittsfläche aufweisenden Durchlaß 10 für eine Strömung, deren Geschwindigkeit bzw. Menge gemessen werden soll. Innerhalb des Durchlasses 10 sind mehrere, z.B. fünf stabförmige Wirbelkörper 11a bis 11e angeordnet. Die Wirbelkörper 11a bis 11e erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander im rechten Winkel zur Strömungsrichtung. Sie sind in vorbestimmten gegenseitigen Abständen in einer sich quer zum Durchlaß 10 erstreckenden Reihe angeordnet.

Die Wirbelkörper 11a bis 11e haben jeweils zylindrische Form und unterschiedliche effektive Durchmesser.

Eine Wirbelsensoranordnung umfaßt eine Anzahl von an der Abströmseite der Wirbelkörper 11a bis 11e angeordneten Heizdrähten 12a bis 12e. Zwischen den Heizdrähten sind vorbestimmte und vorzugsweise gleichmäßige Abstände 1_Q vorhanden, welche im Bereich zwischen dem größten und dem kleinsten Abstand zwischen den sich von den einzelnen Wirbelkörpern 11a bis 11e ablösenden Wirbeln liegen. Dadurch stimmt der Abstand 1_Q dann im wesentlichen überein mit dem Abstand zwischen sich bei Reynolds-Zahlen innerhalb des Meßbereichs von jeweils einem der Wirbelkörper 11a bis 11e ablösenden Wirbeln.

Die Heizdrähte 12a bis 12e sind in Reihe miteinander verbunden und stellen ein räumliches Filter dar, in dessen Ausgangssignal diejenigen Wirbel, deren gegenseitiger Abstand gleich 1 ist, besonders hervortreten. Anderenfalls können die Heizdrähte auch parallel mit-

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einander verbunden sein.

Dadurch, daß die Wirbelkörper 11a bis 11e verschiedene Durchmesser haben, sind die Abstände zwischen den Wirbeln der von ihnen hervorgerufenen Karman¹sehen Wirbelstraßen ebenfalls verschieden groß. Der Abstand zwischen den einzelnen Heizdrähten 12a bis 12e ist auf den mittleren Abstand zwischen den Wirbeln abgestimmt, so daß die Wirbel der sich von jeweils einem Wirbelkörper ablösenden Wirbelstraße im wesentlichen mit den Heizdrähten koinzidieren. Dadurch erfolgt die Kühlung der Heizdrähte 12a bis 12e dann mit der Ablösungsfrequenz der jeweiligen Wirbelstraße.

Selbst wenn sich also die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Reynolds-Zahl ändert, was zu einer Änderung der Abstände zwischen den Wirbeln führt, entsprechen die Abstände zwischen den Wirbeln der sich von jeweils einem Wirbelkörper 11 ablösenden Wirbelstraße im wesentlichen dem Abstand 1 zwischen den Heizdrähten 12a bis 12e, so daß eine sichere Erfassung und Zählung der Wirbel möglich ist.

Da die Wirbelsensoranordnung mehrere in gleichmäßigen Abständen angeordnete Heizdrähte 12a bis 12e aufweist, erhält man ein Ausgangssignal, in welchem die von Wirbeln, deren gegenseitiger Abstand gleich 1 ist, hervorgerufene Komponente besonders hervortritt.

Da die Frequenz der Wirbelablösung genau proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist, läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit anhand der Frequenz der Wirbelablösung genau bestimmen, selbst wenn der Abstand zwischen den Wirbeln gewissen Schwankungen unterworfen ist.

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Durch das Vorhandensein mehrerer Wirbelkörper 11a bis 11e ist es möglich, den durch Turbulenz der Strömung hervorgerufenen Ausfall einzelner Virbel der Wirbelstraßen wietgehend zu kompensieren, indem dazu entsprechende Wirbel anderer Wirbelstraßen herangezogen werden. Selbst wenn also in derjenigen Wirbelstraße, in welcher der Abstand zwischen den einzelnen Wirbeln gleich dem Abstand L zwischen den Heizdrähten 12a bis 12e ist, einige Wirbel ausfallen solIten,können die Heizdrähte von entsprechenden Wirbeln der anderen Wirbelstraßen wenigstens in einem gewissen Maße gekühlt werden, so daß jederzeit ein praktisch verwertbares Ausgangssignal erzielbar ist.

In der dargestellten Ausführungsform sind die Wirbelkörper 11a bis 11e zwar zylindrisch, sie können jedoch auch stabförmig mit dreieckigem, quadratischem oder sonstigem Querschnitt sein. Anstelle der Wirbelkörper kann auch ein Gitter oder Sieb aus einzelnen Metalldrähten mit unterschiedlichen effektiven Durchmessern verwendet werden. Ein solches Gitter oder Sieb kann eben oder zu mehreren Lagen übereinandergelegt sein. Ferner können als Wirbelsensoren Druckfühler verwendet werden.

Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, ermöglicht die erfindungsgeraäße Vorrichtung eine sichere Erfassung von Karman¹sehen Wirbeln in genauer Übereinstimmung mit der Strömungsgeschwindigkeit auch bei erheblichen Schwankungen derselben, sowie auch die Kompensation von Ausfällen einzelner V/irbel, so daß eine beträchtlich zuverlässigere Messung der Strömungsgeschwindigkeit und -menge erzielbar ist.

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Leerseit

Claims

A. GRÜNECKER

W. STOCKMAIR

0<t-INQ «rf ICALTKX

K. SCHUMANN

OR REK NKT DÄ-PHVS

P. H. JAKOB

CMPL-ING

G. BEZOLD

DR RER NAT

P <\l\. 332 ⁸ MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE «3

25. Sept. 1979

NISSAN MOTOR CO., LTD.

2, Takara-Cbo, Kaaagav/a-Ku, Yokohama City, Japan

Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit
einer Strömung

P_a_t_e_n_t_a_n_s_j>_r_ü_c h e

1j Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit einer
strömung durch Ermittlung der Wirbelfrequenz einer Karman¹sehen Wirbelstraße, mit einem von einem Strömungsmittel durchströmten Durchlaß, einer im Durchlaß angeordneten und sich quer zur Strömungsrichtung erstrek-

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TELEFON (O8O) 999Ββ'.Ι TELEX OS-Q93SO T^LEQRAMME MONAPAT TELKKOPIERBH

ORIGINAL INSPECTED

kenden Einrichtung zum Erzeugen von Wirbeln und mit wenigstens zwei an der JlbströEseite derselben angeordnete Wirbelsensoren, deren gegenseitiger Abstand in Stronjungsriehtung üem Abstand zwischen aufeinander folgenden Wirbeln entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung sau Erzeugen der Wirbel eine Anzahl von verschiedene effektive Breiten aufweisendaaWirbelkörpem (11a bis 1ie) aufweist und daß der Abstand zwischen den oder allen Wirbel sensoren (12a bis i2e) Im Bereich zwischen den größten und den kleinsten gegenseitigen Abständen der sich von den Wirbelkörpern ablösenden Wirbel liegt,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ ei einet, daß die Wirbelkörper aus parallelen Stäben (11a bis 11e) bestehen, -welche in einer sich quer zur Strömungsrichtung erstreckenden Eeihe angeordnet sind.
3- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Wirbelkörper untereinander zu eines Gitter oder eines Sieb verbanden sind.
4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche Λ bis 3 $ dadurch gekennz e i chnet, daß jeder Wirbelsensor (12a bis 12e) aus einem mit Gleichstrom gespeisten Heizdraht bestellt.
5* Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Eei^drähte (12a bis 12e) parallel zu der Eeihe der stabförrnigen Wirbelkörper (11a bis 11e) erstrecken.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Heizdrähte (12a bis 12e) in Seihe miteinander verbunden sind.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Heifcdrähte parallel miteinander verbunden sind.

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