DE3006522A1 - Wirbelabloesender stroemungsmesser mit einem durch stroemungswiderstand betaetigten torsionsmessfuehler - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft allgemein wirbelablösende Strömungsmesser, und zwar insbesondere einen Strömungsmesser dieser Art, der einen durch den Strömungswiderstand betätigten Torsionsmeßfühler hat, wodurch das Meßinstrument sowohl für Flüssigkeits- als auch Gasströmungsgeschwindigkeits- bzw. -ratenmessungen geeignet ist.

Es ist an sich bekannt, daß das Vorhandensein eines Hindernisses in einem Strömungskanal unter gewissen umständen zur Ausbildung von periodischen Wirbeln führt. Bei kleinen Reynolds-Zahlen hat der stromabwärtige Sog bzw. der Abstrom eine laminare Natur, jedoch werden bei erhöhten Reynolds-Zahlen regelmäßige Wirbe!verlaufe ausgebildet. Diese Wirbelverläufe sind als Karman-Wirbelstraßen bekannt. Die Frequenz, mit der Wirbel in einer Karman-Wirbelstraße abgelöst werden, ist eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit. Diese Erscheinung wird zur Ausbildung eines Strömungsmessers für die Messung der volumetrischen Strömung von Strömungsmitteln, die behandelt oder zugeführt werden, ausgenutzt, damit verschiedene Kontroll- bzw. Steuer- oder Regelfunktionen ausgeführt werden können. Strömungsmesser dieser Art sind in der US-Patentschrift 3 116 639 von Bird und der US-Patentschrift 3 65o 152 von White beschrieben. Die vorhandenen Strömungsmesser vom wirbelablösenden Typ sind in der Lage, volumetrische Strömungen oder Massenströmungen zu messen.

In einem wirbelablösenden Strömungsmesser steht die Frequenz der Ablösung (von Wirbeln) in einem genauen Verhältnis zur Geschwindigkeit des Strömungsmittels, das durch das Strömungsrohr hindurchgeht und den Ablösekörper (d. h. den wirbelablösenden Körper) enthält, jedoch nur so lange,

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solange der Abtrennpunkt, von dem die Ablösung stattfindet, ortsfest und der Rückkopplungsmechanismus, der bewirkt, daß das Ablösen von einer Seite des Körpers auf die andere verlegt wird, konstant bleibt.

In seiner einfachsten Form ist der Ablösekörper ein einfacher Zylinder, der quer über dem Strömungsrohr angebracht ist. Die Schwierigkeit, die sich bei dieser Art des Ablösekörpers herausgestellt hat, besteht darin, daß sich der Trennpunkt (d. h. die Stelle, an der Wirbel den Körper verlassen) mit den Reynolds-Zahlen verschiebt. Infolgedessen hat die Wirbelschleppe die Tendenz, sich hinter dem Ablösekörper durch das Strömungsrohr abwärts zu schlängeln bzw. dort ziellos zu wandern. Wenn sich der Winkel dieser Wirbelschleppe ändert, erfährt auch der Rückkopplungsmechanismus, der bewirkt, daß eine Ablösung von abwechselnden Seiten des Ablösekörpers stattfindet, eine Veränderung, was zu Abweichungen von der vorhergesagten Frequenz des Ablösers bzw. der Ablösung führt. Infolgedessen sind die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit bzw. Reproduzierbarkeit des Meßgeräts schlecht.

Es sind Wirbelmeßgeräte kommerziell erhältich, die Ablösekörper haben, welche so ausgebildet sind, daß sie diese Nachteile überwinden, indem die Breite und Geometrie des Ablösekörpers in bezug auf die Abmessung des Strömungsrohrs optimalisiert ist. In der US-Patentschrift 3 572 117 von Rodely ist ein Strömungsmesser mit einem Klippenkörper beschrieben, der eine vorbestimmte geometrische Konfiguration hat, die so gestaltet ist, daß Unregelmäßigkeiten im schwingenden Abstrom minimalisiert werden. Diese Meßgeräte stellen eine Verbesserung gegenüber Meßgeräten dar, welche zylindrische Ablösekörper haben. Jedoch wird der Wirbelabstrom bzw. die Wirbelschleppe, der bzw. die durch diese nichtzylindrischen Ablösekörper erzeugt wird, unter nicht

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idealen Betriebsbedingungen immer noch gelegentlich intermittierend oder ziellos wandernd, so daß es zu den gleichen Nachteilen kommt, wie sie bei zylindrischen Körpern auftreten.

In der US-Patentschrift 3 589 185 von Burgess ist eine verbesserte Form eines Strömungsmessers vom Wirbeltyp beschrieben, worin das Signal, das von der Strömungsmittelschwingung abgeleitet wird, relativ stark und stabil ist, so daß sich ein vorteilhaftes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis ergibt, wodurch eine genaue Strömungsgeschwindigkeitsinformation über einen ziemlich breiten Bereich sichergestellt wird. In diesem Meßinstrument ist eine Hindernisanordnung im Strömungskanal angebracht, die von einem Block gebildet wird, der quer über dem Kanal angeordnet ist, wobei sich seine Längsachse rechtwinklig zur Richtung des StrömungsmitteIflusses erstreckt, wobei ferner hinter dem Block und im Abstand von demselben ein Streifen quer über dem Kanal angebracht ist, so daß ein Spalt begrenzt wird, der dazu dient, Karman-Wirbel einzufangen und die Wirbelstraße zu verstärken und zu stabilisieren. Diese Wirbelstraße wird zur Erzeugung eines Signals, dessen Frequenz proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist, abgetastet.

In einer anderen US-Patentschrift 3 888 12o von Burgess, in der ebenfalls ein Strömungsmesser vom Wirbeltyp beschrieben ist, wird eine Hindernisanordnung beschrieben, die von einem ortsfesten Vorderabschnitt gebildet wird, der eine solche Kontur hat, daß er eine Strömungsauftrennung des ankommenden Strömungsmittelflusses, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, bewirkt, und von einem nichtstromlinienförmigen rückwärtigen Abschnitt, der so geformt ist, daß er mit der Wirbelstraße im Abstrom des Vorderabschnitts interferiert, und der weiterhin freitragend vom Vorderabschnitt her angeordnet ist, so daß ein Spalt begrenzt wird. Der rückwärtige Abschnitt ist relativ zum Vorderabschnitt

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leicht auslenkbar, so daß er durch die Wirbelstraße zu sehr kleinen Schwingungen angeregt wird. Diese Schwingungen werden mittels eines Dehnungsmeßstreifens abgetastet, um ein Signal zu erzeugen, das der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist.

Der Flüssigkeitswirbel-Strömungsmesser vom Modell 1o LV 1ooo, der von der Anmelderin hergestellt wird, arbeitet gemäß den Prinzipien, die in der US-Patentschrift 3 888 12o von Burgess beschrieben sind. Dieser Flüssigkeitswirbel-Strömungsmesser stellt eine kommerziell erfolgreiche Version eines Wirbelströmungsmessers dar, in dem ein aus zwei Abschnitten bestehender Ablösekörper zur Erzeugung einer Wirbelstraße verwendet wird. Er ist ein ausgezeichneter Strömungsmesser, dessen Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung bei Strömungsmitteln niedriger Viskosität, wie beispielsweise Wasser, innerhalb eines breiten Betriebsbereichs etwa 2 % beträgt.

Jedoch erfordern einige Anwendungsfälle, in denen die Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird, eine höhere Größenordnung an Genauigkeit und einen noch breiteren Betriebsbereich· Auch unterliegt das Strömungsmittel, an dem die Messung ausgeführt wird, in einigen Anwendungsfällen Viskositätsänderungen, Turbulenzen und anderen Störungen, die die Genauigkeit der Ablesungswerte, welche mit Meßgeräten des Typs 1o LV I000 erhalten werden, nachteilig beeinflussen.

Um einen Strömungsmesser vom Wirbeltyp zur Verfügung zu stellen, in dem die Frequenz der Wirbelablösung in einer genauen Beziehung zur Strömungsmittelgeschwindigkeit unabhängig von Turbulenz, von Änderungen in der Strömungsmittelviskosität und von anderen störenden Faktoren, welche die Tendenz haben, diese Beziehung zu verschlechtern, steht, wurde in einer früheren US-Patentschrift 4 o3o 355 der Anmelderin, die

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auf Herzl zurückgeht, ein Strömungsmesser vorgeschlagen, dessen Hindernisanordnung von einem ortsfesten Vorderabschnitt und einem ablenk- bzw. auslenkbaren rückwärtigen Abschnitt, der mittels Trägern freitragend vom Vorderabschnitt aus angeordnet ist, gebildet wird, wobei der rückwärtige Abschnitt eine darin zum Ausbilden eines Strömungsmitteldurchgangs vorgesehene mittige Öffnung hat.

Der Vorderabschnitt des Strömungsmessers nach der zuletzt erwähnten Patentschrift ist so konturiert, daß er eine Auftrennung der Strömung des ankommenden Strömungsmittels bewirkt, wodurch der Strom zur Erzeugung einer Reihe von Wirbeln unterteilt wird, die bezüglich der Mittellinie des Vorderabschnitts alternieren. Wenn sich die Wirbel selbst von dem Vorderabschnitt ablösen, werden abwechselnde Bereiche von niedrigem Druck erzeugt, die sich von einer Seite zur anderen Seite verschieben, wodurch ein oszillierender Schub hinter dem Vorderabschnitt erzeugt und bewirkt wird, daß der auslenkbare rückwärtige Abschnitt periodisch mit einer Frequenz schwingt, die der Geschwindigkeit des ankommenden Strömungsmittels proportional ist. Diese Schwingung wird durch einen Dehnungsmeßstreifen abgetastet, der auf einem Träger angebracht ist, von dem aus der rückwärtige Abschnitt freitragend angeordnet ist.

Die mittige öffnung in dem rückwärtigen Abschnitt ermöglicht einen Fluß des Strömungsmittels durch dieselbe hindurch und dient dazu, eine Turbulenz hinter dem Vorderabschnitt bis zu einem Grad auszuglätten, der ausreicht, daß eine ordentliche bzw. regelmäßige Wirbelschleppe gerade abwärts längs der Mitte des Strömungsrohrs erzeugt wird. Dieser mittige Durchgang verbessert die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Strömungsmessers beträchtlich.

In einem wirbelablösenden Strömungsmesser der Art, wie er in

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der üS-Patentschrift 4 o3o 355 beschrieben ist, ist der auslenkbare rückwärtige Abschnitt relativ schwer; und obwohl dieser Strömungsmesser ausgezeichnete hydraulische Eigenschaften hat, ist er doch ziemlich empfindlich gegenüber Beschleunigungswirkungen. Obgleich es möglich ist, diese unerwünschten Beschleunigungswirkungen teilweise auszugleichen, bleiben trotzdem stets einige unausgeglichene Beschleunigungswirkungen übrig.

Darüber hinaus ist der Aufbau des Strömungsmessers nach der zuletzt genannten US-Patentschrift zwar allgemein bei der Messung von Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeitsmessungen wirksam, aber zum Messen von Gasströmungen ist er nicht allgemein akzeptabel. Der Grund für diese Beschränkung besteht darin, daß bei Verwendung von Flüssigkeiten durch die Wirbel relativ große Kräfte erzeugt werden, wohingegen die erzeugten Kräfte bei GasStrömungsmessungen um viele Größenordnungen kleiner sind und die Meßinstrumentempfindlichkeit ungenügend für ein wirksames Ansprechen auf diese Kräfte ist, insbesondere dann, wenn in den Strömungsmittelschwingungen ein Schwinden bzw. ein sogenanntes Fading auftritt, wie es manchmal der Fall ist.

Demgemäß soll, kurz zusammengefaßt, mit der vorliegenden Erfindung in erster Linie ein wirbelablösender Strömungsmesser geschaffen werden, der ein Sensor- bzw. Meßfühlersystem hat, welches das Meßinstrument sowohl bei Flüssigkeitsals auch bei Gasströmungsgeschwindigkeitsmessungen wirksam und genau macht.

Insbesondere soll mit der Erfindung ein Strömungsmesser der oben genannten Art zur Verfügung gestellt werden, in dem die Frequenz der Wirbelablösung genau in Beziehung zu der Stromungsmittelgeschwindigkeit steht, unabhängig von Schwin-

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den bzw. Fading, Turbulenz, Änderungen in der Strömungsmittelgeschwindigkeit und anderen Störungen, die bei bisher bekannten Meßinstrumenten die Tendenz haben, diese Beziehung zu verschlechtern bzw. ungenau zu machen.

Weiterhin soll mit der vorliegenden Erfindung ein Wirbelmeßinstrument bzw. ein wirbelablösender Strömungsmesser zur Verfügung gestellt werden, das bzw. der einen durch Strömungswiderstand betätigten Torsionsmeßfühler hat, dessen Empfindlichkeit derart ist, daß dadurch das Meßinstrument auf Wirbel, die entweder durch Flüssigkeits- oder Gasströme erzeugt worden sind, genau anspricht.

Kurz gesagt werden die vorerwähnten Vorteile mit einem Strömungsmesser erzielt,, in dem. das Strömungsmittel, das der Messung unterworfen werden soll, durch ein Strömungsrohr geführt wird, in dem ein Ablösekörper quer angebracht ist. Hinter dem Ablösekörper und durch einen Spalt von diesem im Abstand angeordnet, ist ein durch Strömungswiderstand betätigter Meßfühler torsionsgelagert, und dieser Meßfühler umfaßt ein Paar von parallelen Schenkeln, die symmetrisch bezüglich der Drehachse des Meßfühlers vorgesehen sind, und diese Achse ist senkrecht zur Längsachse des Strömungsrohrs.

Im Betrieb erzeugt der ankommende Strömungsmittelfluß, wenn er durch den Ablösekörper unterteilt wird und an letzterem vorbeiströmt, in dem Spalt eine stagnierende bzw. ruhende Zone, die anfänglich mit der Rohrachse übereinstimmt bzw. fluchtet. Wenn Wirbel aufeinanderfolgend von dem Ablösekörper abgelöst werden und abwechselnd auf jeder Seite des Spalts erscheinen, dann wirkt der niedrige Druck, der von jedem Wirbel erzeugt wird,dahingehend, daß er die stagnierende bzw. ruhige Zone vor den benachbarten Schenkel des Meßfühlers zieht, woraufhin der Strömungsmittelfluß um den anderen Schenkel herum und über diesen hinaus strömt,

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wodurch er ein Drehmoment um die Drehachse hervorbringt.

Da die Wirbel alternieren, werden die sich ergebenden Drehmomente wechselweise im Uhrzeiger-· und im Gegenuhrzeigersinn hervorgebracht, so daß sie bewirken, daß der drehgelagerte Meßfühler mit einer Frequenz schwingt, die der Strömungsgeschwindigkeit des der Messung unterworfenen Strömungsmittels proportional ist. Diese Schwingungen werden durch einen geeigneten Wandler in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sowie zur näheren Erläuterung der vorstehenden und weiterer Vorteile und Merkmale der Erfindung seien nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 11 einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines wirbelablösenden Strömungsmessers, der einen durch Strömungswiderstand betätigten Meßfühler gemäß der Erfindung umfaßt;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Strömungsmesser nach Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels , die das Verhalten des Meßinstruments veranschaulicht, das sich ergibt, wenn sich ein Wirbel von einer ersten Kante des Ablösekörpers ablöst;

Fig. 4 eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels, die das Verhalten des Meßinstruments veranschaulicht, das sich ergibt, wenn sich ein Wirbel von der anderen Kante des Ablösekörpers ablöst;

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Fig. 5, 6 und 7 eine schematische Veranschaulichung von drei im Betrieb des Meßinstruments auftretenden, aufeinanderfolgenden Stadien;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines wirbelablösenden Meßinstruments gemäß der Erfindung;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels;

Fig. 1o eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels; und

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Es sei nun zunächst unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnung der Aufbau einer ersten Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Meßinstruments erläutert:

In den Fig. 1 und 2 ist ein Strömungsmesser vom wirbelablösenden Typ gemäß der Erfindung gezeigt, und dieses Meßinstrument umfaßt ein Strömungsrohr 1o, das in der Praxis in eine Leitung eingefügt ist, die eine Flüssigkeit oder ein Gas führt, deren bzw. dessen Strömung gemessen werden soll.

Quer innerhalb des Strömungsrohrs 1o (das nach der Darstellung einen kreisförmigen Querschnitt hat) ist ein Klippen- bzw. Hinderniskörper oder Ablösekörper 11 angebracht, der einen allgemein quadratischen bzw. rechteckigen Querschnitt hat, wobei die rückwärtigen Ecken des blockartigen Ablösekörpers abgeschrägt sind. Die Längsachse Y des Ablösekörpers verläuft senkrecht zur Längsströmungsachse X des Rohrs.

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Die ankommende Strömung, die auf den Ablösekörper 11 auftrifft, wird durch denselben geteilt, so daß Strömungsmittelstörungen in der Form einer Karman-Wirbelstraße erzeugt werden. Der Ablösekörper kann jede bekannte wirksame Form besitzen und eine Geometrie der Art haben, wie sie in den oben angegebenen Patentschriften beschrieben ist.

In einer stromabwärtigen Position im Rohr 1o ist ein strömungswiderstandbetätigter Torsionsmeßfühler 12 quer angebracht, der die Konfiguration eines rechteckigen Rahmens hat, welcher mit einem Paar von parallelen Schenkeln 12A und 12B versehen ist. Der Meßfühler 12 ist mittels Achsen bzw. Drehzapfen 13 und 14, die in der genauen Mitte des Rahmens an letzterem befestigt sind, drehbar längs einer Drehachse Y¹ gelagert, die parallel zur Achse Y und senkrecht zur Strömungsachse X ist. Der Meßfühler ist statisch und dynamisch bezüglich der Drehachse Y¹ ausgeglichen bzw. -gewuchtet, und die Schenkel 12A und 12B sind symmetrisch bezüglich dieser Achse.

In der Praxis kann der Meßfühler aus einem Metall, wie beispielsweise Aluminium oder Titan, hergestellt sein, das gegenüber allen zu messenden Strömungsmitteln nichtreaktiv ist, oder aus einem hochfesten Kunststoffmaterial von geringem Gewicht, das gegenüber diesen Strömungsmitteln korrosionsbeständig ist. Da die Massenverteilung des Meßfühlerrahmens derart ist, daß sich die meiste Masse nahe bzw. dicht an der Drehachse befindet, hat der Meßfühler ein niedriges Trägheitsmoment.

Die Drehzapfen 13 und 14, mittels deren der Meßfühler drehbar gelagert ist, stehen durch die Wand des Strömungsrohrs 1o in Drehzapfenhalter 15 und 16 vor. Diese Halter bzw. die Drehzapfen sind mit O-Ringen 17 und 18 aus elastomerem Material, wie beispielsweise Neopren, abgedichtet. Die HaI-

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ter 15 und 16 werden von Torsionsaufhängungen gebildet, die mittels Drähten aus elastischem Metall, wie beispielsweise Klavierdraht, welche sich zwischen den Drehzapfen und ortsfesten Ankern bzw. Verankerungen erstrecken, ausgebildet sind. Diese Torsionsaufhängungskomponenten begrenzen der Drehbewegung bei einem maximalen Drehmoment auf eine mikroskopische Bewegung in der Größenordnung eines halben Mikrons an den O-Ring-Positionen. Die Torsionsaufhängung kann in der Praxis auch mittels einer geeigneten anderen Einrichtung bewirkt werden, wie beispielsweise mittels hohlen Metallrohren aus flexiblem Material.

Zur Ermittlung bzw. Messung der mikroskopischen Schwin-'gungsbewegung des Meßfühlers 12 ist ein Wandler in der Form eines Dehnungs- bzw. Spannungsmessers 19, insbesondere eines Dehnungsmeßstreifens, auf einem elastischen' Träger 2o angebracht, der an seinem einen Ende am Drehzapfen 13 befestigt ist, während er mit seinem anderen Ende an einem ortsfesten Anker bzw. einer ortsfesten Verankerung 21 befestigt ist, wodurch die Deformation des Trägers, die sich aufgrund einer leichten Bewegung des Drehzapfens ergibt, mittels des Meßelements 19 in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird.

Infolgedessen wird, wenn der Meßfühler in Übereinstimmung mit den Strömungsmittelschwingungen um seine Drehachse schwingt, ein Signal erzeugt, das die gleiche Frequenz hat und ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit bzw. -rate, beispielsweise auch den Strömungsdurchsatz, ist. In der Praxis kann der Wandler zum Umwandeln der Schwingungsbewegung in ein elektrisches Signal auch ein piezoelektrisches Element, eine Halbleitereinrichtung oder ein Drahtdehnungsmesser sein, oder irgendein anderer geeigneter induktiver oder kapazitiver Meßfühler oder irgendein anderer Mikrobewegungs- oder Deformations-, Spannungs-, Dehnungs-

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ο. dgl. -meßfühler, also irgendein Meßfühler, der die weiter oben angegebene Mikrobewegung bzw. Schwingung des Drehzapfens in ein geeignetes, weiterverarbeitbares elektrisches Signal umwandeln kann.

Es sei nun die Betriebsweise des Strömungsmessers nach den Fig. 1 und 2 näher erläutert:

In Fig. 3 ist der Ablösekörper schematisch durch ein rechteckiges Element 11 dargestellt, und die beiden Schenkel des Meßfühlers sind als kleinere rechteckige Elemente 12A und 12B gezeichnet, die hinter dem Ablösekörper 11 angeordnet sind und mit diesem zusammen einen Spalt G begrenzen. Das ankommende Strömungsmittel, das gemessen werden soll, wird durch den Ablösekörper 11 in zwei Ströme unterteilt, die an den entgegengesetzten Rändern des Ablösekörpers vorbeigehen und abwechselnd auf der einen Seite und dann auf der anderen Seite des Spalts G Wirbel mit einer Wiederholungsrate erzeugen, welche proportional der Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit ist.

Infolge dieser Ablösewirkung wandert ein sich bewegender Zug von Wirbeln V auf der rechten Seite nach abwärts, und ein sich bewegender Zug von Wirbeln V, wandert auf der linken Seite des Strömungsrohrs Io nach abwärts (wobei unter "nach abwärts" zu verstehen ist "in Strömungsrichtung abwärts") . Da die Ströme des Strömungsmittels am Ablösekörper 11 vorbeiströmen, wird in dem Spalt G eine stagnierende bzw. stille Zone erzeugt, und diese Zone stimmt anfänglich mit der Strömungsrohrachse X überein bzw. fluchtet anfänglich mit dieser Achse.

Die Fig. 3 veranschaulicht einen einzigen Wirbel V auf der rechten Seite des Strömungsrohrs in der Nähe des Spalts G, und dieser Wirbel erzeugt einen Niedrigdruckbereich L.

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Der Niedrigdruckbereich L wirkt dahingehend, daß er die stagnierende bzw. ruhende Zone S aus der Rohrachse X heraus versetzt und sie in der Richtung des Niedrigdruckbereichs L in eine stabile Position vor den Schenkel 12B des rückwärtigen Meßfühlers zieht. Aufgrund dieser Verschiebung der stagnierenden Zone wird das ankommende Strömungsmittel veranlaßt, um den anderen Schenkel 12A herum und an demselben vorbei sowie durch den offenen Durchgang zwischen den Schenkeln zu strömen. Diese Wirkung bzw. dieser Vorgang ruft einen Strömungswiderstand auf dem Schenkel 12A hervor und erzeugt ein Drehmoment T um die Drehachse Y¹ im Uhrzeigersinn.

In Fig. 4 ist die Situation umgekehrt; hier ist der folgende Wirbel V₁ vorhanden, der auf der linken Seite des Strömungsrohrs 1 ο in der Nähe·des Spalts G erscheint und einen Niedrigdruckbereich L hervorbringt, welcher die stagnierende bzw. ruhende Zone S in eine stabile Position vor den Schenkel 12A zieht. In diesem Falle wird bewirkt, daß das eintreffende Strömungsmittel um den Schenkel 12B und an diesem vorbei und durch den offenen Durchgang zwischen den Schenkeln strömt, so daß es einen Strömungswiderstand auf dem Schenkel 12B hervorruft, wodurch ein Drehmoment T um die Drehachse Y' im Gegenuhrzeigersinn erzeugt wird. Infolgedessen wird der torsionsgelagerte rückwärtige Meßfühler dazu gebracht, daß er mit einer Rate bzw. Frequenz um die Drehachse Y' schwingt, die der Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit des gemessenen Strömungsmittels entspricht.

Die Meßfühleranordnung ist inhärent gut abgeglichen bzw. ausgewuchtet, da ihr Aufbau im wesentlichen symmetrisch bezüglich ihrer mittigen Schwenk- oder Drehachse Y' ist. Da ein abgeglichener bzw. aufgewuchteter Meßfühler offensichtliche funktionelle und strukturelle Vorteile hat, ist er insbesondere zum Messen von Gasen geeignet, da die Gas-

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dichten viel geringer als die Flüssigkeitsdichten sind, so daß sich bei den Gasen viel kleinere Wirbelkräfte ergeben. Und da der abgeglichene bzw. ausgewuchtete Meßfühler drehbar in einer Torsionsaufhängung gelagert ist, die nur mikroskopische Bewegungen zuläßt, so daß die gesamte Bewegung in dem sich biegenden Bauteil bzw. in den sich biegenden Bauteilen der Aufhängung absorbiert wird, werden Schwierigkeiten des Hängenbleibens oder Festhaftens oder Festfressens verhindert.

Die Frequenzanregung bzw. die angeregte Frequenz eines wirbelablösenden Strömungsmessers, in dem ein auslenkbarer Abschnitt oder ein drehbar gelagerter Flügel zu Schwingungen angeregt wird, variiert gemäß der Quadratwurzel der Betätigungskraft, die durch die Strömungsmittelschwingungen erzeugt wird, geteilt durch die Quadratwurzel des Trägheitsmoments . Das Trägheitsmoment eines Körpers, wie beispielsweise eines drehbar gelagerten Flügels oder eines auslenkbaren Abschnitts, bezogen auf seine Drehachse, ist gleich der Summe der Massen aller seiner Komponententeile, jede multipliziert mit dem Quadrat ihres Abstandes von der Drehachse.

Infolgedessen hängt das Trägheitsmoment eines Körpers sowohl von der Verteilung seines Materials als auch von seiner Masse ab. Wenn beispielsweise zwei Räder genau den gleichen Durchmesser und die gleiche Masse haben, jedoch bei dem einen Rad die Masse in der Nähe des Umfangs konzentriert und daher weit von der Drehachse entfernt ist, während in dem anderen Rad die Masse zwischen dem Umfang und der Achse verteilt ist, dann hat das erste Rad ein viel größeres Trägheitsmoment.

Da vorhandene Formen von auslenkbaren Abschnitten und drehbar gelagerten Flügeln in Strömungsmessern vom Wirbeltyp zum Abtasten bzw. Messen von Strömungsmxttelschwingungen,

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wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 3 888 12o von Burgess beschrieben sind, ein relativ hohes Trägheitsmoment haben, ist der Frequenzgang bzw. ihre Frequenzanregung, insbesondere in dem Teil des Betriebsbereichs, in dem die hohen Frequenzen sind, schlecht. Dieser Nachteil kann beim Messen von Strömungen niedriger Geschwindigkeit nicht bedeutend sein, aber er wird zu einem ernsthaften Nachteil in Situationen, in denen Gase gemessen werden, bei denen normalerweise relativ hohe Geschwindigkeiten auftreten, wie beispielsweise 3o,48 m/sec.

So führt in einem wirbelablösenden Strömungsmesser, der einen Durchmesser von 38,1 ο mm hat, eine Gasgeschwindigkeit von 3o,48 m/sec zu einer Strömungsmittelablösefrequenz von etwa 7oo Hz. Wenn das Trägheitsmoment des auslenkbaren Abschnitts oder des drehbar gelagerten Flügels nicht niedrig ist, dann ist es sehr schwierig, daß derselbe dieser sehr hohen Frequenz folgt; und da bekannte Formen dieser Meßfühlerelemente ein hohes Trägheitsmoment haben, ist ihr Ansprechen bei hohen Frequenzen unbefriedigend. Bei der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Meßfühleraufbau statisch und dynamisch relativ zu seiner Drehachse abgeglichen bzw. ausgewuchtet ist und ein relativ niedriges Trägheitsmoment hat, ist der Frequenzgang bzw. das Ansprechen auch bei hohen Frequenzen ausgezeichnet.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der torsionsgelagerte Meßfühler einer Schwund- bzw. Fadingerscheinung weniger als bisher bekannte Formen ausgesetzt ist bzw. weniger anfällig als bisher bekannte Formen gegenüber einer solchen Erscheinung ist. Um das zu veranschaulichen und zu erläutern, sind in den Fig. 5, 6 und 7 drei mögliche Zustände dargestellt, die auftreten können, wenn eine Strömung am Ablösekörper 11 und am rückwärtigen Meßfühler 12, der von Schenkeln 12A und 12B begrenzt ist bzw.

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Schenkel 12A und 12B aufweist, vorbeigeht.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, scheint die Strömung insofern nicht stabil zu sein, als die Strömung von der einen oder der anderen Kante des Ablösekörpers das Bestreben hat, durch den offenen Durchgang zwischen den Schenkeln 12A und 12B hindurchzugehen. Dieser Zustand ist vergleichbar mit einem elektrischen Flip-Flop, das keine stabile Mittelposition hat. Da die stagnierende bzw. ruhige Zone S im Spalt G natürlicherweise das Bestreben hat, sich nach dem Schenkel 12A oder 12B zu verschieben, ist beim NichtVorhandensein von Wirbeln ein etwas unstabiler Zustand vorhanden.

Wenn jedoch ein Wirbel V auf der rechten Seite des Spalts G und ein Wirbel V₁ danach auf der linken Seite des Spalts G erscheint, wirkt der sich ergebende Niedrigdruckbereich L dahingehend, daß er die Strömungsmittelkräfte beeinflußt bzw. auf eine Seite lenkt. Eine relativ kleine Druckkraft bewirkt, daß die stagnierende bzw. ruhende Zone Ξ von einer Seite auf die andere Seite umgeschaltet wird, wenn alternative Wirbel abgelöst werden. Wenn die stagnierende Zone S einmal in eine Position geschaltet bzw. gebracht worden ist, in der sie sich vor dem Schenkel 12B (Fig. 6) oder vor dem Schenkel 12A (Fig. 7) befindet, dann wird der andere Schenkel der vollen Strömungswiderstandskraft ausgesetzt.

Da die Ablösewirkung nur dahingehend wirkt, daß sie die stagnierende Zone S steuert, welche die Tendenz hat, bistabil zu sein, ist dann selbst ein kleiner Wirbel der Art, wie er sich ergibt, wenn ein Schwund bzw. Fading auftritt, in der Lage, die stagnierende Zone S in die angemessene Schenkelposition zu schalten bzw. zu verschieben.

Mit anderen Worten bedeutet das, daß dann, wenn bei normalen

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Betriebsbedingungen starke Wirbel erzeugt werden, eine stagnierende Zone S abwechselnd in einer zwangsweisen Art und Weise von einem Schenkel zum anderen umgeschaltet wird; wenn jedoch, wie es gelegentlich geschieht, ein Schwund bzw. Fading dazu führt, daß schwächere Wirbel auftreten, dann findet trotzdem der Vorgang des ümschaltens weiterhin fortlaufend statt. Infolgedessen wird ein sehr gerades bzw. regelmäßiges und gleichmäßiges Ausgangssignal unabhängig von der variierenden Stärke der Strömungsmittelwirbel·, die in dem Strömungsrohr ausgebildet werden, erhalten.

Nachstehend sei ein zweites Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert, in der eine andere Version eines Wirbel-Meßgeräts gemäß der Erfindung veranschaulicht ist. In diesem Ausführungsbeispiel· hat der Ab^sekörper 22 einen dreieckigen. Querschnitt mit einer ieicht abgestumpften Spitze, und die Schenkel· 23A und 23B des torsionsgeiagerten Meßfühlers 23 haben einen U-förmigen Querschnitt, und diese Schenkel· sind symmetrisch bezügiich der Drehachse Y.¹ , die senkrecht zur Strömungsrohrachse X ist.

Die Betriebsweise dieses Aufbaus ist im wesentlichen die gieiche wie diejenige des ersten Ausführungsbeispieis.

In einem dritten Ausführungsbeispiel·, das in Fig. 9 veranschaulicht ist, ist der Abiösekörper 24 mit einem pianaren Schwanz 24A versehen, der sich iängs der Rohrachse X erstreckt, während der torsionsgeiagerte bzw. -befestigte Meßfühier 25 mit Schenkein 25A und 25B versehen ist, die einen zyiindrischen Querschnitt haben.

In einem vierten Ausführungsbeispiel·, das in Fig. 1o veranschauiicht ist, umfaßt der torsionsgeiagerte bzw. -gehaltene Meßfühler 27 ein Paar von streifenförmigen Schenkein 27A und 27B, die symmetrisch bezügiich der Drehachse

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Y' angeordnet sind, während der Ablösekörper 26 in diesem Falle einen zylindrischen Querschnitt hat.

In einem fünften Ausführungsbeispiel, das in Fig. 11 gezeigt ist, besitzt der Ablösekörper 28 einen rechteckigen Querschnitt, wogegen die Schenkel 29A und 29B des torsionsgelagerten bzw. -gehaltenen Meßfühlers 29 einen dreieckigen Querschnitt haben.

Es sei darauf hingewiesen, daß vorstehend bevorzugte Ausführungsformen eines wirbelablösenden Strömungsmessers, der einen strömungswiderstandsbetätigten Torsionsmeßfühler gemäß der Erfindung hat, beschrieben und dargestellt worden sind, daß jedoch viele Veränderungen und Abwandlungen im Rahmen des Gegenstandes der Erfindung und des allgemeinen ErfindHngsgedankens daran vorgenommen werden können.

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Patentanwälte DiPL1-ING-X-L-WEiCKMAiNH, Dipl.-Phys. Dr. K, Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.Ing. H.Liska 3006522 8000 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22 SP/BR FISCHER & PORTER COMPANY Warminster, Pennsylvania/USA Wirbelablösender Strömungsmesser mit einem durch Strömungswiderstand betätigten Torsionsmeßfühler Patentansprüche

1.) Wirbelablösender Strömungsmesser, umfassend ein Strömungsrohr, durch das ein zu messender Strömungsmittelfluß geleitet wird und das eine Längsachse hat; und einen Ablösekörper, der eine vorbestimmte Geometrie hat und quer in dem Rohr vorgesehen ist, so daß er den Strömungsmittelfluß darin teilt und bewirkt, daß Wirbel abwechselnd auf beiden Rändern desselben mit einer Wiederholungsrate, die proportional der Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit des Strömungsmittels ist, abgelöst werden, so daß dadurch stromabwärtige Wirbelzüge erzeugt werden, die sich längs der rechten und linken Seite des Rohrs bewegen, dadurch g e k e η η

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zeichnet , daß ein torsionsgelagerter bzw. -gehaltener Meßfühler (12, 23, 25, 27, 29) in dem .Rohr (1o) hinter dem Ablösekörper (11, 22, 24, 26, 28) vorgesehen ist und mit diesem zusammen einen Spalt (G) begrenzt sowie mit einem Paar von relativ breiten, parallelen Schenkeln (12A, 12B; 23A, 23B; 25A, 25B; 27A, 27B; 29A, 29B) versehen ist, die durch einen Durchgang getrennt und mit Bezug auf eine mittige Drehachse (Y¹), die senkrecht zur Rohrachse (X) ist, symmetrisch angeordnet sind, so daß der geteilte Strömungsmittelfluß, der an dem Ablösekörper (11, 22, 24, 26, 28) vorbeiströmt, stromabwärtige Züge von Wirbeln (V , V..) erzeugt, die längs der rechten und linken Seite des Rohrs (1o) auf jeder Seite des Meßfühlers (12, 23, 25, 27, 29) wandern, wodurch eine stagnierende bzw. ruhende Zone (S) in dem Spalt (G) hervorgerufen wird, die durch die abwechselnd abgelösten Wirbel (V , V..) abwechselnd vor jeden Schenkel (12A, 12B; 23A, 23B; 25A, 25B; 27A, 27B; 29A, 29B) gezogen wird, wodurch bewirkt wird, daß Strömungsmittel von dem Strömungsmittelf luß gegen und um den äußeren Schenkel (12A, 12B; 23A, 23B; 25A, 25B; 27A, 27B; 29A, 29B) herum und durch den Durchgang strömt, so daß es ein Drehmoment (T , T ) um die Drehachse (Y') abwechselnd im Uhrzeiger- und im Gegenuhrzeigersinn erzeugt, durch der Meßfühler (12, 23, 25, 27, 29) zu Schwingungen mit einer Frequenz angeregt wird, die proportional der Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit des Strömungsmittelflusses ist; und daß eine Wandlereinrichtung (19) betriebsmäßig an den schwingenden Meßfühler (12, 23, 25, 27, 29) zur Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Signals angekoppelt ist.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (12, 23, 25, 27, 29) eine rahmenartige Form hat, welche die Schenkel (12A, 12B; 23A, 23B; 25A, 25B; 27A, 27B; 29A, 29B) umfaßt.

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3. Strömungsmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Paar Achsen bzw. Drehzapfen (13, 14) zur Torsionsaufhängung des Rahmens an jedem Ende, so daß die Schwingungen des Meßfühlers bei maximalem Drehmoment (V , V) zu einer mikroskopischen Bewegung führen.

4. Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Enden der Achsen bzw. Drehzapfen (13, 14) durch die Wand des Rohrs (1o) erstrecken und mit elastomeren C-Ringen (17, 18) zur Abdichtung des Rohrs (1o) versehen sind.

5. Strömungsmesser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Torsionsaufhängungseinrichtung (15, 16) von elastischen Drähten gebildet wird bzw. elastische Drähte umfaßt, die sich zwischen den Achsen bzw. Drehzapfen (13, 14) und ortsfesten Ankern bzw. Verankerungsstellen erstrecken.

6. Strömungsmesser nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandlereinrichtung einen Träger (2o) umfaßt, der sich zwischen einem Ende einer der Achsen bzw. eines der Drehzapfen (13) und einer ortsfesten Stelle (21) erstreckt, und einen Dehnungs- bzw. Spannungsmesser (19), der zur Ermittlung der Deformation des Trägers (2o) auf letzterem angebracht ist.

7. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Meßfühler (12, 23, 25, 27, 29) einen solchen Aufbau hat, daß sich ein niedriges Trägheitsmoment ergibt.

8. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Meßfühler (12,

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23, 25, 27r 29) aus Kunststoffmaterial hergestellt ist.

9. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Ablösekörper (11, 28) einen allgemein rechteckigen Querschnitt hat.

10. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Ablösekörper (26) einen allgemein zylindrischen Querschnitt hat.

11. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Ablösekörper (22) einen allgemein dreieckigen Querschnitt hat.

12. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Schenkel (12A, 12B) einen allgemein rechteckigen Querschnitt haben.

13. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (23A, 23B) einen U-förmigen Querschnitt haben.

14. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Schenkel (25A, 25B) einen zylindrischen Querschnitt haben.

15. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Schenkel (27A, 27B) einen streifenförmigen Querschnitt haben, wobei die streifenförmigen Schenkel (27A, 27B) in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Rohrachse (X) ist.

16. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Schenkel (29A, 29B) einen dreieckigen Querschnitt haben.

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17. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß der Meßfühler (12, 23, 25, 27, 29) in einer Befestigung bzw. Anbringung torsionsgelagert bzw. -gehalten ist, welche die Schwingung des Meßfühlers (12, 23, 25, 27, 29) auf den liikronbereich beschränkt.

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