DE3241988A1

DE3241988A1 - Durchflussmesser mit karman'scher wirbelstrasse

Info

Publication number: DE3241988A1
Application number: DE19823241988
Authority: DE
Inventors: Noriomi Dipl.-Ing. Kawasaki Kanagawa Miyoshi; Mutsumi Dipl.-Ing. Musashino Tokyo Nagumo; Michihiko Sagamihara Kanagawa Tsuruoka
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1981-11-10
Filing date: 1982-11-10
Publication date: 1983-06-23
Also published as: DE3241988C2; GB8502848D0; GB2160316A; GB2160318B; GB8502843D0; GB8502849D0; GB2160314A; GB2160316B; GB2159946B; GB8502845D0; GB8502847D0; GB2160317A; GB2112938B; GB2160314B; GB2160317B; GB2112938A; GB2160318A; GB2159946A

Description

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FUJI ELECTRIC CO., LTD.
Kawasaki / Japan

Mein Zeichen VPA 81 P 8611 DE

Durchflußmesser mit Karman*scher Wirbelstraße

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflußmesser mit Karman'scher Wirbelstraße gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. ■ ■ · .

Bei einem bekannten Durchflußraesser dieser Art (japanische Patentanmeldung 90813/1981) weist der in Strömüngsrichtung erste Pfeiler einen dreieckförmigen Querschnitt auf, und der dahinterliegende Pfeiler ist als Platte gestaltet. Insbesondere durch die Gestaltung des hinteren Pfeilers ist aufgrund des relativ großen Strömungswiderstandes eine Messung bei geringen Durchflußgeschwindigkeiten schwierig. Darüberhi.naus werden in solch einer Konstruktion die Wirbel in Stromrichtung hinter den Pfeilern erfaßt, wodurch eine genaue Erfassung der Wirbel schwierig ist. Eventuell auftretende Pulsierungen im Rohr, Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit oder des Drucks sind hier Anlaß für Störungen. Im allgemeinen haben Durchflußmesser dieser Art noch den Nachteil, daß die Erzeugung der Wirbel instabil ist und bei geringem Durchfluß relativ schwache Wirbel erzeugt werden, was eine genaue Messung schwierig macht.

Darüberhinaus ist auch noch ein Durchflußmesser bekannt, bei dem ein Pfeiler einen im wesentlichen gleichschenkligen dreieckigen Querschnitt aufweist und so angeordnet ist, daß,die Grundlinie des Dreiecks quer zur Flußrichtung verläuft und somit Wirbel über einen relativ weiten Bereich der Durchflußgeschwindigkeit erzeugt werden können. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, daß.durch den Pfeiler ein großer Druckverlust auftritt, weil die Fläche, die dem Fluß entgegengesetzt ist, flach ist.

Ag 3 Sz / 09.11.1982

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Darüberhinaus ist ein anderer Durchflußmesser bekannt, bei dem ein Pfeiler einen im wesentlichen gleichschenkligen trapezförmigen Querschnitt aufweist und so angeordnet ist/ daß die Grundfläche vertikal zur Flußrichtung steht und damit 5· Wirbel über einen relativ, großen Bereich der Durchflußgeschwindigkeit erzeugt werden«. Ein Machteil besteht auch hier darin, daß ein großer Druckverlust erfolgt, weil die Oberfläche, die dem Fluß entgegensteht, flach ist«, Bei einem anderen bekannten Wirbelgenerator sind eine große Anzahl von Pfeilern hintereinander in Flußrichtung in regulären Abständen angeordnet. Diese Konstruktion ist jedoch durch den großen konstruktiven Aufwand und die großen Herstellungskosten nachteilig»

Zunächst werden allgemeine Probleme eines Wirbeldetektors erläutert. Im allgemeinen sind bei einem Durchflußmesser der genannten Art die in der Karman'schen Wirbelstraße produzierten Wirbel hinter dem Pfeiler oder den Pfeilern bei geringen .Durchflußgeschwindigkeiten sehr schwach. Somit ist ein Detektor mit hoher Empfindlichkeit erforderlich» Anordnungen mit hoher Empfindlichkeit, z« B« Heizdraht- oder ültraschallraeßanordnungen haben den.Wachteil, daß mit ihnen kleine elektrische Analogsignale verstärkt werden müssen und so die Temperaturcharakteristik und die Stabilität des Detektors oder der Detektorschaltung beträchtlich die Meßgenauigkeit und den Meßbereich beeinflußt« Demgemäß müssen Detektoren, die für eine Messung bei geringen Durchflußgeschwindigkeiten gebraucht werden,, relativ unempfindlich gegenüber diesen Faktoren sein und müssen weiterhin eine hohe Empfindlichkeit aufweisen.

Eine bekannte Anordnung, bei der eine Vibrationsplatte eines Wirbeldetektors durch die Mirbeldrücke verbogen wird und die eine vereinfachte Signalverarbeitung aufweist, ist aus dem japanischen Gebrauchsmuster Ir«, 21501/1971 bekannt. Hier ist

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eine Vibrationskammer mit einem Wirbelgenerator vorhanden, und es ist ein Vibrator mit einem plattenförmigen Boden an der Wand dieser Kammer mit einem Ende befestigt. Die Geschwindigkeit oder die Menge des Durchflusses wird von der Vibrationsfrequenz des Vibrators abgeleitet. Dieser bekannte Apparat hat insofern Vorteile, als daß er einfach konstruiert ist, da Druckänderungen aufgrund der Wirbel direkt als eine Verbiegung oder als eine Kraft detektiert werden. Wie auch immer, für den Fall, daß der Vibrator Biegeschwingungen ausführt, können Fehlfunktionen aufgrund externer Schwingungen auftreten. Insbesondere, wenn die Durchflußgeschwindigkeit gering ist und somit die Druckänderungen, hervorgerufen durch die Wirbel, auch klein sind, ist es unmöglich, die Schwingungen aufgrund der Wirbel von störenden externen Schwingungen zu unterscheiden, so daß eine genaue Detektion der Wirbelfrequenz undurchführbar ist.

Bei einem anderen konventionellen Wirbeldetektor weist der relativ empfindliche Wirbeldetektor ein vibrierendes Teil mit einer Platte aus leichtem Harz auf, das so befestigt ist, daß es sich um eine Zentrierbohrung drehen kann. Dieser Wirbeldetektor ist dadurch nachteilig, daß bei großen Durchflußgeschwindigkeiten und somit hohen Wirbeldrücken große Verbiegungen oder große Kräfte auf den Detektor einwirken, weil das Plattenteil proportional zum Wirbeldruck verbogen wird.

Zusammenfassend ist somit festzustellen daß es äußerst schwierig ist, Wirbel mit Genauigkeit zu detektieren, ohne den Detektor zu verletzen oder gar zu zerstören.

' Ein weiteres Beispiel einer solchen Anordnung, bei der ein Plattenteil verbogen wird und dann diese Verbiegung oder Ver- ■ drehung detektiert wird, ist aus dem japanischen Patent 36933/1980 bekannt. Dieser Apparat ist dann geeignet, wenn ■■·...■■

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die Durchflußgeschwindigkeit sehr hoch ist, er kann jedoch keine Wirbel detektieren, wenn die Durchflußgeschwindigkeit niedrig ist, weil hier störende Biege- oder sonstige Schwingungen des Plattenteils auftreten können» ■5

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser mit einer Karmän'sehen Wirbe'istraße zu schaffen-, der einen Rirbelgenerator aufweist, welcher relativ starke und regelmäßige Wirbel auch bei geringer Durchflußgeschwindigkeit erzeugt und darüberhinaus einen geringen Druckverlust verursacht sowie wenig beeinflußbar ist durch äußere Einwirkungen oder durch Störungen im zu niesenden Medium»

Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Druchflußmesser der eingangs genannten. Art Merkmale gemäß des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 auf.,

Ein Druchflußmesser gemäß der Erfindung weist im Unterschied zu den bekannten Anordnungen einen ersten Pfeiler mit gleichschenkilgem dreieckförmigen Querschnitt und einen zweiten Pfeiler mit gleichschenkligem trapezförmigen Querschnitt auf, die beide dieselben projektierten Breiten quer zur Flußrichtung haben und insgesamt als Fünfeck angeordnet sind, Sie weisen darüberhinaus optimale Ausmaße, basierend auf den Ergebnlssen von Experimenten, auf, wodurch der Druckverlust gering ist und die Charakteristikverbesserungen im Hinblick auf Linearität In einen weiten Meßbereich erreicht werden. Ferner weist die erfindungsgemäße Anordnung Im Unterschied zu den bekannten Anordnungen - mit Sensoren für die Wirbeldetektion In Strömungsrichtung hinter den Pfeilern - Öffnungen an gegenüberliegenden Seiten des zweiten Pfeilers auf, die Druckschwankungen, hervorgerufen durch Wirbel, leiten können und somit eine Detektion der Wirbel durch diese Öffnungen durchgeführt werden kann_o Es ergibt sich somit, daß der neuartige" Durchflußmesser Mirbel mit einem guten Signalrausch-

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verhältnis über einen weiten Bereich der Durchflußgeschwindigkeit detektieren kann, ohne durch störende Druckschwankungen, z. B. hervorgerufen durch Pulsierungen im Fluß, beeinflußt zu werden.
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Mit den Unteransprüchen 2 und 3 sind vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Durchflußmessers mit optimaler Bemessung der Pfeiler zur Wirbelerzeugung angegeben.

Bei einer Ausführungsform des Durchflußmessers gemäß des Anspruchs 4 ist ein Wirbeldetektor vorhanden, der besonders geeignet ist, störende externe Schwingungen von den zu detektierenden Schwingungen, insbesondere bei geringen Durchflußgeschwindigkeiten zu unterscheiden. Bei dieser Ausführungsform ist ein Vibrator vorhanden, der durch die Wirbeldrücke zu Biegeschwingungen um ein festgehaltenes Ende angeregt wird. Dieser neuartige Vibrator befindet sich in einem Gleichgewichtszustand in der Nähe einer symmetrischen Bohrung durch den Massenschwerpunkt des Vibrators; er wird getragen durch die Spannbänder in der Bohrung,; wodurch eine Torsionsschwingung um den Schwerpunkt ermöglicht wird. Ferner ist eine mechanische Spannung auf die Spannbänder geführt, um Biegeschwingungen zu verhindern, wodurch dieser Vibrator durch externe Schwingungen unbeeinflußbar ist. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, weil hier ein großer Schwingungswiderstand vorhanden ist und eine Detektion von Wirbel mit großer Empfindlichkeit durchgeführt werden kann, ungeachtet der Tatsache, daß die Torsionsfederkonstante klein ist.

Gemäß weiterer Ausbildungen ist hier eine Kammer zur Umhüllung der Vibrationsplatte, die zu Torsionsschwingungen aufgrund der Wirbeldrücke angeregt wird, gebildet, welche außerdem durch die Vibrationsplatte in zwei im wesentlichen gleiche Teilräume geteilt ist. Einer dieser Teilräume ist nochmais symmetrisch geteilt in Bezug auf die Zentrierbohrung der

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Vibrationsplatte» Die so gebildeten zwei Unterkammern sind mit Öffnungen zur Einführung der Druckschwankungen der Wirbeldrücke versehen,- die durch ihre Wände hindurchführen und die Torsionsschwingungen der Vibrationsplatte ermöglichen. Die Amplitude dieser Schwingungen ist begrenzt durch die der Vibrationsplatte gegenüberliegenden Wände, wodurch die Schwingungen unabhängig vom Wirbeldruck eine im wesentlichen gleiche ■ Amplitude haben.

Der erste Teilraum ist mit Elementen zur Detektion der Verbiegung der Vibrationsplatte versehen, wobei diese selbst den Teilraum, in dem die Wirbeldrücke transprotiert werden, von . dem dem Teilraum mit dem Vibrations-Verbiegungs- Detektor abschotten. Es ist somit erreicht, daß der Detektor kaum mit dem zu messenden Medium in Kontakt kommt, wodurch es möglich ist, Wirbel zu detektieren, ohne besondere Erfahrungen mit eventuellen Verunreinigungen zu haben. Ferner enthalten die die Verbiegung der Vibrationsplatte erfassenden Teile zwei optische Pfade, die zu dem ersten Teilraum hin offen sind und der Vibrationsplatte gegenüberliegen» Diese Anordnung mit einem lichtemittierenden und einem lichtempfangenen Teil ist an jeweils gegenüberliegenden Enden angeordnet, wobei durch die Torsionsschwingungen der Vibrationsplatte eine Änderung der Intensität des an der Vibrationsplatte reflektierten Lichts erfolgt. Das lichtempfangende Teil detektiert diese Intensitätsänderung als ein der Schwingung proportionales Signal. Diese neuartige Anordnung ist einfach zu konstruieren und kann Wirbel detektieren, ohne von elektromagnetischen Störungen beeinflußt zu »erden.

Vorteilhafte Ausführungsformen dieser mit dem Anspruch k angegebenen Ausbildung des erfindungsgemäßen Durchflußmessers sind mit dem Ansprüchen 5 bis 12 angegeben. Insbesondere die · Ausführungsformen nach Anspruch 7 ermöglicht eine Durchflußmessung, die unempfindlich ist gegenüber Temperaturänderungen.

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Bei der Ausführungsforra gemäß des Anspruchs 12 wird in vorteilhafter Weise ein Vibrator angegeben, der trotz einer relativ geringen Federkonstante einen guten Widerstand gegenüber störenden externen Schwingungen aufweist. Hiermit kann die Empfindlichkeit bei der Detektion der Wirbel verbessert werden, weil die Spannbänder, die die Vibrationsplatte tragen, sich in einen' Gleichgewichtszustand befinden und somit Torsionsschwingungen erlauben, jedoch auf der anderen Seite vorgespannt sind durch Biegeschwingungen verhindert werden. ■

Bei einer weiteren Ausführungsform des Durchflußmessers gemäß des Anspruchs 13 ist es möglich, eine besonders genaue Erfassung der Wirbel der Karmän¹sehen Wirbelstraße über einen weiten Bereich der Durchflußgeschwindigkeit vorzunehmen. Durch die hier vorgeschlagene Verringerung der Resonanzfrequenz des Vibrators bzw. einer Anpassung der Resonanzfrequenz an die Charakteristik der Änderung der Wirbeldrücke, kann eine relativ große Verbiegung des Vibrators auch bei geringen Durchflußgeschwindigkeiten (bei geringen Wirbelfrequenzen) erreicht werden, wobei jedoch außergewöhnlich große Verbiegungen bei großen Durchflußgeschwindigkeiten (bei großen Wirbelfrequenzen) verhindert sind. Zur Vermeidung von Instabilitäten bei der Resonanzfrequenz des Vibrationssystems ist dies vorzugsweise in geeigneter Weise gedämpft. Hiermit kann daher eine im wesentlichen konstante Amplitude der Verbiegung über den ganzen Bereich der Wirbelfrequenzen erreicht werden. Ferner ist diese neuartige Anordnung insofern äußerst effektiv, als daß die Empfindlichkeit bei geringen Durchflußgeschwindigkeiten erhöht ist und gleichzeitig außergewöhnlich große Verbiegungen der Vibratorplatte bei großen Durchflußgeschwindigkeiten verhindert ist. Hiermit ist daher eine stabile Schwingung der Vibratorplatte gewährleistet und eine eventuelle Zerstörung der Anordnung verhindert.

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Eine vorteilhafte Ausbildung des Durchflußmessers nach Anspruch 13 ist mit dem Unteranspruch 14 angegeben.

Mit dem Anspruch 15 ist eine Ausführungsvariante angegeben, bei der auch eine sichere Detektion der Karman¹sehen Wirbel erreicht ist, wenn Einschwingprobleme der Vibrationsplatte auftreten. Die Spannbänder, die den Vibrator tragen, sind hier ebenfalls in geeigneter Weise gedämpft, wodurch auch wenn der Durchfluß sich abrupt ändert, keine Interferenzen zwischen den Wirbelfrequenzen und der Resonanzfrequenz des Vibrators auftreten. Dies erlaubt auch eine genaue Messung einer Durchflußänderung bei Einschwingvorgängen, was für den praktischen Gebrauch außerordentlich wichtig ist. Hierbei können auch gemäß einer weiteren Ausbildung die Kammern, die die Spannbänder einschließen, total mit Dämpfungsmaterial gefüllt sein, wodurch auch Biegeschwingungen der Spannbänder unterdrückbar sind» Störende Einflüsse aufgrund externer Schwingungen sind hierbei somit ebenfalls vermieden«

Geeignete Ausführungsformen der Anordnung nach Anspruch 15 sind mit den Unteransprüchen 16 bis 18 angegeben.

Bei einer weiteren Ausführungsform des. Durchflußmessers gemäß Anspruch 19 ist sichergestellt, daß Meßungenauigkeiten aufgrund einer Änderung in den lichtempfangenen Teilen nicht auftreten» Hierbei wird die durch die Wirbeldrücke hervorgerufene Vibration bzw. die Verbiegung mit optischen Elementen detektiert und dann das resultierende Ausgangssignal mit einer Gleichspannung verglichen, die durch Gleichrichtung des genannten Ausgangssignals erzeugt wird und dann in einer Integratorschaltung weiterverarbeitet wird«, Es ergibt sich hier, .daß sogar wenn die Gleichspannungskomponente des Ausgangs- : signals des Detektors sich ändert - z_o B. aufgrund einer Änderung der optischen Komponenten -ein. Ausgangssignal erzeugt "wird, daß genau der Wirbelfrequenz entspricht. Die

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Änderungen der optischen Komponenten können entweder durch Änderungen der lichtemittierenden oder lichterapfangenen teile bzw. durch Verunreinigungen in der Optik verursacht werden. Bei dieser beanspruchten Anordnung ist jedoch immer ein rechteckförmiges Ausgangssignal entsprechend der Wirbelfrequenz abnehmbar. Vorteilhaft ist dies deshalb, da der jeweilige Detektor leicht abgeglichen werden kann und frei von Verunreinigungen ist. Ferner kann, wenn die Wellenform des Ausgangssignals der Verbiegungs-Erfassungs-Einrichtung sich ändert,, der Unterschied zwischen dem Ausgangssignal und dem bereits erwähnten Gleichspannungssignäl verstärkt werden, wobei die Verstärkung automatisch entsprechend der Größe des Gleichspannungssignals geregelt wird. Somit kann eine Verminderung der Lichtintensität, hervorgerufen durch Verunreinigung in den optischen Teilen der elektrischen Schaltung kompensiert werden, was zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Anordnung führt.

Im Unteranspruch 20 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 19 angegeben.

Mit den Unteransprüchen 21 bis 24 sind vorteilhafte Anwendungen des erfindungsgemäßen Durchflußmessers mit einer Karman¹ sehen Wirbe.lstraße insbesondere bei Automobilmotoren angegeben.

Bei einer beispielhaften Anwendung bei Automobilmotoren kann insbesondere eine Messung der von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft durchgeführt werden. Eine Anordnung einer Ausführungsform des Durchflußmessers mit optischer Detektion in der Lufteinführungsleitung des Motors läßt jedoch ,die Gefahr entstehen, daß die optischen Teile bei langem Gebrauch verunreinigt werden, was zu einer Verminderung der Empfindlichkeit bei der Detektion der Wirbel führt. Weiterhin kann der Gebrauch eines Durchflußmessers im Zusammenhang mit

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dem Motor eines Automobils unter Umständen durch Einflüsse aufgrund von ungeeigneten Temperaturen oder eletrischen Störungen im Motorraum behindert werden«, Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (japanisches Gebrauchsmuster 28998/1980) wird eine Kühlung der elektrischen Schaltung mit der eingesaugten Luft vorgenommen,, um die Temperatureffekte zu beseitigen. Wie auch immer _e kann hier, wenn wenig Luft (z. B» bei Stillstand des Motors) eingesaugt wird, der Kühleffekt stark vermindert werden, wodurch eventuell ein großer Temperaturanstieg zu verzeichnen ist, was die Zuverlässigkeit der elektrischen Schaltung vermindert» Ferner sind weitere Bauelemente zur Kompensation des Temperaturanstiegs außerordentlich kostspielig.

Bei einem weiteren bekannten Durchflußmesser (japanisches Gebrauchsmuster 28998/1980) ist eine Signalverarbeitungsschaltung zur Verarbeitung des detektierten Signals in einem Gehäuse in einer Zweigleitung zur Einführungsleitung untergebracht^ wodurch eine Kühlung der Schaltung mit der durch diese Zweigleitung fließenden Luft durchgeführt wird. Auch hier kann jedoch, wenn wenig Luft vom Motor angesaugt wird, der Signalverarbeitungsbaustein heißer werden, weil eine relativ geringe Menge Luft durch diese Zweigleitung fließt aufgrund des größeren Widerstandes beim Durchfluß als in der Einführungsleitung zum Motor»

Demgegenüber sind gemäß der mit deo.Anspruch 21 angegebenen Anordnung besondere Vorrichtungsmerkmale angegeben, mit denen eine Reinigung und Kühlung mit gesondert angesaugter Luft durchgeführt wird ο Bei der mit den Anspruch 22 gekennzeichneten Anordnung sind die elektrischen Schaltelemente derart untergebrachte daß Temperatur oder sonstige Einflüsse sich nicht störend auswirken« Hierzu werden die elektrischen Bausteine beispielsweise im Fahrerraum eines Automobils untergebracht»

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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Anwendung der Erfindung sind in den Ansprüchen 23 und 24 angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Fig. 1 zeigt das Konstruktionsprinzip eines konventionellen

Durchflußmessers mit Karman¹scher Wirbelstraße, Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Wirbeldetektors des Durchflüßmessers nach der Figur 1,

Fig. 3 stellt einen Querschnitt eines bekannten Wirbelgenerators dar,

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Wirbelgenerator

gemäß der vorliegenden Erfindung, Figuren 5 bis 10 sind Diagramme der Charakteristik des Wirbelgenerators nach Fig. 4, Fig. 11 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines

Wirbeldetektors entlang der Strömungsrichtung, Fig. 12 ist eine Schnittansicht eines Vibrators, Fig. 13 zeigt einen Seitenaufriß eines Wirbeldetektors, Fig. 14 zeigt die Konstruktion eines Verbiegungs—Erfassungs-Sensors zur Erfassung der Durchbiegung des Vibrators,

zusammen mit seiner Durchbiegungscharakteristik, Fig. 15 ist eine Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Verbiegungs-Erfassungs-Sensors,

Fig. 16 ist ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Sensors mit Spannbändern, die durch eine Feder gedrückt werden,
Fig. 17 ist ein vergrößerter Teilquerschnitt der wesentlichen Teile der Fig. 16,

Fig. 18 ist ein vergrößerter Teilquerschnitt eines Wirbeldetektors entlang der Strömungsrichtung, wobei lichtemittierende und lichtempfangene Elemente der Vibratorplatte gegenüberliegend angeordnet sind,

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Fig» 19 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Weiterverarbeitung der empfangenen Signale.gemäß der Figo 18,

Fig. 20 ist eine Ansicht zur Verdeutlichung der Konstruktion · eines Verbiegungs-Erfassungs-Sensors nach Fig« 18

zusammen mit der Charakteristik dieses Sensors, Fig. 21 ist eine Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Verbiegungs-Erfassungs-Sensors,

Fig« 22 stellt die Hirkungscharakteristik eines Vibrators dar, Fig. 23 zeigt die Charakteristik eines Ausgangssignals des

erfindungsgemäßen Durchflußmessers, Figuren 24 und' 25 zeigen schematisierte Darstellungen.eines Ausführungsbeispiels des Vibrators, bei dem Dämpfungsmaterial in der Mähe der Spannbänder angeordnet ist, Fig. 26 zeigt Diagramme mit Wellenformen der detektierten Wirbel,

Figuren 27 und 28 sind Schaltbilder eines. Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung zur Weiterverarbeitung der detektierten Signale, " - ■

Fig. 29 zeigt eine Ansicht einer Anordnung eines Automobilmotors mit einem Wirbeldurchflußmesser,

Fig. 30 stellt ein besonderes Ausführungsbeispiel des Durchflußmessers nach der Fig„ 29 dar,

Fig» 31 ist eine Ansicht zur Darstellung der Art und Weise, in welcher der Durchflußmesser im Automobil installiert ist,

Fig. 32 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 31, Fig. 33 stellt eine Querschnittsdarstellung des Durchflußmessers nach Fig_Q 32 dar«,
· Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausfuhrungsformen eines Durchflußmessers mit Karmin'scher Mirbelstraße bteil en eine • Anordnung dar, die beispielsweise aus der japanischen Patentanmeldung 90813/1981 bekannt ist. In der Fig. 1 ist ein Rohr 1 darges'tellt, ferner ein Hirbelgenerator 2 zur Erzeugung einer

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Karman'schen Wirbelstraße, Öffnungen 3 und 3¹, einen Wirbeldetektor 4, optische Glasfiberleitungen 5 sowie eine Signalverarbeitungsschaltung 6 zur Weiterverarbeitung des detektierten Signals. Die genannte Wirbeldetektoranordnung ist durch die Teile 4 bis 6 gebildet. In der Fig. 2 ist ein Wirbeldetektor 4 mit einer Vibrationskammer 43 versehen, die einen im wesentlichen gleichschenkligen dreieckigen Querschnitt aufweist; ferner ist eine .Vibrationsplatte 44 vorhanden, die durch Wirbel in der Nähe des Wirbelgenerators 2 zum Vibrieren angeregt wird. Die Vibrationsplatte 44 ist ebenfalls in der Vibrationskammer. 43 angeordnet. Druckschwankungen, hervorgerufen durch Karmän'sche Wirbel, werden in die Vibrationskammer 43 durch Öffnungen 41 und 42 eingeführt. Die Signalverarbeitungsschaltung 6 weist ein licht- emittierendes Teil 6a, ein lichtempfangerides 6b und eine Wellenformbildungsschaltung 6c auf.

Dieser aus dem Stand der Technik bekannte Durchflußmesser funktioniert derart, daß die Karman^sche Wirbelstraße im Nachbarbereich der gegenüberliegenden Seiten des Wirbelgenerators - angeordnet in der Röhre 1 - Wirbel generiert. Die durch die Wirbel hervorgerufenen Druckschwankungen werden durch die Öffnungen 3, 41 oder 42 zur Vibrationsplatte 44 geleitet und verbiegen diese entsprechend. Die Wirbel treten alternierend im Bereich der gegenüberliegenden Seiten des Wirbelgenerators 2 auf und verursachen daher eine Vibrations der Platte 44. Licht vom lichtaussendenden Teil 6a in der Signalverarbeitungshaltung 6 ist durch eine optische Glasfiberleitung 5a auf die Vibrationsplatte 44 geleitet und wird dort von der Oberfläche der Vibrationsplatte reflektiert. Sodann wird dieses Licht durch das lichtempfangende Teil 6b und durch -eine optische Glasfiberleitung 5b übertragen. Da die Kanten- flächen der optischen Glasfiberleitungen 5a und 5b gegenüberliegend - im wesentlichen' senkrecht - zur vibrierenden Oberfläche der Platte 44 angeordnet sind, ändert sich die

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Intensität des Lichts, die das empfangende Teil 6b empfängt, entsprechend der Durchbiegung der Vibrationsplatte 44« Somit empfängt das lichtempfangende Teil 6b ein Signal, das der Wechselwirkung der Vibrationsplatte 44 entspricht, wodurch eine Detektion der Vibrationsfrequenz der Wirbel ermöglicht ist«

Im allgemeinen haben Durchflußmesser dieser Art den Nachteil, daß die Erzeugung der Wirbel instabil ist und bei geringem Durchfluß relativ schwache Wirbel erzeugt werden, was eine genaue Messung schwierig macht»

Zunächst werden die Probleme, die im Zusammenhang mit einem Wirbelgenerator auftreten, diskutiert«, Fig. 3 zeigt schematisch ein Ausfuhrungsbeispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Durchflußmessers, bei dem zwei Pfeiler (Mirbelkörper) K1 und K2 in einem Raum entlang der Flußrichtung angeordnet sind« Der in Stroarichtung erste Pfeiler K1 weist zur Erzeugung von Wirbeln einen dreieckigen Querschnitt auf, und der zweite dahinter liegende Pfeiler K2 ist wie eine Platte gestaltete Der Pfeiler mit dreieckigem Querschnitt ist im wesentlichen den Stromlinien des durchfließenden Mediuffls angepaßt und ist daher vorteilhaft, weil er keinen großen Druckverlust verursacht. Wie auch immer, es ist ihm nicht möglich, Wirbel mit Leichtigkeit zu erzeugen, und somit ist insbesondere bei geringer Durchflußgeschwindigkeit eine Messung schwierig. Darüber hinaus werden in solch einer Konstruktion die Wirbel in Stromrichtung hinter den Pfeilern erfaßt und dementsprechend sind Pulsierungen in dem Rohr, Änderungen der Flußgeschwindigkeit oder c'es Drucks Anlaß für Störungen, wodurch eine genaue Erfassung der Wirbel -unmöglich ist.

In der Fig«, 4 ist ein erster Pfeiler 2a dargestellt, der einen im wesentlichen gleichschenkligen dreieckigen Quer-

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schnitt aufweist, und es ist ein zweiter Pfeiler 2b - in Strömungsrichtung dahinterliegend - angeordnet, der einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt hat. Diese Pfeiler sind so angeordnet, daß die Grundlinie des dreieckförmigen Querschnitts des ersten Pfeilers 2a und die Grundlinie des trapezförmigen Querschnitts des zweiten Pfeilers 2b parallel zueinander liegen und in einem vorgegebenen Abstand "1" in Flußrichtung angeordnet sind, wobei die Grundlinien senkrecht zur Flußrichtung stehen. Ferner ist die projektierte Breite des ersten Pfeilers 2a und des zweiten Pfeilers 2b (dl bzw. d2) im rechten Winkel zum Fluß gleich lang. Der dreieckförmige Querschnitt des ersten Pfeilers 2a hat einen vertikalen Winkel ^L und der trapezförmige Querschnitt hat eine Höhe "h". Die gleichen Seiten der Trapezform schließen einen Winkel (h ein. Die beschriebenen Größen sind in einer später beschriebenen Art und Weise geeignet festgelegt. Der zweite Pfeiler 2b ist mit Öffnungen 4a und 4a zur Hineinleitung der erzeugten Wirbel an gegenüberliegenden Seiten in der Nähe der axialen Kanten versehen.

Die Ergebnisse von Experimenten bezüglich der Wirkung des Winkels «£ , des Winkels /S, der Höhe "h", des Abstands "lⁿ und der Breiten d1 und d2 der Pfeiler sind besonders in Hinsicht auf die Erzeugung von Wirbeln und der Stabilität dieser Erzeugung im folgenden dargestellt.

1) Wenn die beschriebene Breite des ersten Pfeilers im wesentlichen gleich der Breite des zweiten Pfeilers (dl = d2 = d) ist, dann werden Wirbel mit höchster Stabilität erzeugt, und sie können mit einem guten Signalrauschverhältnis detektiert werden.

2) Wenn der Winkelot des ersten Pfeilers 90° bis 120° beträgt, dann ist der Druckverlust am geringsten und die detektierten Wirbelwellenformen sind sehr stabil. Wenn der

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Winkel β kleiner ist als der oben angegebene Bereich werden Störungen erzeugt, deren Frequenzkomponenten unter der Frequenz der Wirbel liegen» Für den Fall, daß der Winkel den beschriebenen Bereich überschreitet, werden ebenfalls Störungen erzeugt, und es ist ein großer Druckverlust zu erwarten«

3) Wenn die Höhe ^Mh" der gleichschenkligen Trapezform des zweiten Pfeilers nach der Beziehung gebildet ist h^d/2 und der Minkel β £■ 40° ist, ist es auch bei geringeren DurchflußgeschMindigkeiten möglich, Wirbel mit einer guten Linearität zu detektieren« Im einzelnen sind die Ergebnisse der Experimente durch die Darstellungen in den Figuren 5 und 6 verständlich gemacht, wobei β £> hQ° und h£0,5d sind; hierbei ist die Strouhal-Größe (= Wirbelfrequenz χ Breite / Durchflußgeschwindigkeit) im wesentlichen konstant ( < - 3 %■)■ und somit eine praktikable Charakteristik gegeben ist»

4) Wenn der Abstand 1 zwischen den Pfeilern so gewählt ist, daß er eine Größe zwischen 0,2d und 0,3d aufweist, kann ein weiter Meßbereich und eine gute Linearität erreicht werden« Es wird gezeigt werden, daß für den Fall, wenn der Abstand in diesem bereich liegt, die Geschwindigkeit, bei der Wirbel detektiert werden, weiter verminderbar ist - wie in Fig. 7 gezeigt - und die Linearität bei hohen Durchflußgeschwindigkeiten verbessert wird - wie in Fig» 8 gezeigt -„

Die Figuren 9 und 10 zeigen Beispiele von Charakteristiken eines Durchflußmessers, der nach den oben erwähnten Ergebnissen der Experimente gestaltet ist« Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Winkel«/, des ersten Pfeilers 90°, die Höhe h -ist d/3 und der Winkel β ist gleich 40® „ Es ist hierbei von Bedeutung, daß die Messung bei Luft mit athmosphärischen Druck ausgeführt worden ist« Fig.» 9 zeigt,, daß die Linerarität über einem Bereich von 1 bis 60 o/sec Durchflußgeschwin-

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digkeit kleiner als + 3 % gehalten werden kann, wodurch eine praktikable Charakteristik des Durchflußmessers erreicht ist. Die Kurve X nach der Fig. 10 zeigt, daß die Druckverlustcharakteristik eines Durchflußmessers, bei dem der zweite Pfeiler einen gleichschenkligen trapezförmigen Querschnitt aufweist und die Breiten (d1, d2) der Pfeiler gleich sind; demgegenüber zeigt die Kurve Y nach der Fig. 10 die Druckverlustcharakteristik eines Durchflußmessers nach der vorliegenden Erfindung. Es wird hierdurch ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung in grober Näherung die Halbierung des Druckverlustes ermöglicht.

Im weiteren wird ein anderes Ausführungsbeispiel des Durchflußmessers mit Karmän¹scher Wirbelstraße anhand der Figuren 11 bis 15 beschrieben.

In Fig. 11 ist ein Rohr 1, ein Wirbelgenerator 2 zur Erzeugung der Karmän'schen Wirbelstraße und ein Wirbeldetektor 4 dargestellt. Der Wirbelgenerator 2 ist unter Berücksichtigung der beispielsweise anhand der Fig. A beschriebenen Randbedingungen konstruiert. Der Wirbelgenerator 2 weist Schlitze 4a und 4b an gegenüberliegenden Seiten des zweiten Pfeilers 2b in der Nähe der axialen Enden zur Hindurchführung von Druckänderungen aufgrund von Wirbeln auf. In der Fig. 12 enthält ein Vibrator 8 eine dünne Metallplatte (ungefähr 20 Mikrometer) und eine Vibrationsplatte 9, auf welche die Druckschwankungen der Wirbel wirken. Ferner sind Spannbänder 10a und 10b vorhanden, welche die Platte 9 tragen, wobei die Platte 9 symmetrisch zu einer Bohrung durch den Schwerpunkt der Platte angeordnet ist, um Torsionsschwingungen der Platte zu ermöglichen; ein Verbindungsstück 11 bildet die festen En- -den der Spannbänder. Diese Teile sind aus einer Metallplatte geformt, die überall eine im wesentlichen gleiche. Dicke aufweist. Die Vibrationsplatte 9 befindet sich hinsichtlich ihrer Masse im Gleichgewicht relativ zur Mittelachse. Die

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Spannbänder 10a und 10b sind so gestaltet, daß die Torsionsfederkonstante - definiert durch die Dimensionen der Bänder extrem niedrig ist, um eine angemessene winkelmäßige Verbiegung der Vibrationsplatte auch bei kleinen Änderungen des Wirbeldrucks zu ermöglichen, wodurch die Resonanzfrequenz so niedrig wie möglich ist_D Ausnehmungen 11a und 11b sind durch Ausstänzung gebildet« Mach der Fig» 11 enthält ein Gehäuse 12 den Vibrator 8, das wiederum eine untere Platte 13 und eine obere Platte 14 aufweist. Die Platten 13 und 14 sind mit Ausnehmungen versehen, die im wesentlichen gleich sind und gegenüberliegend angeordnet sind» Die Ausnehmungen korrespondieren hierbei mit der Bohrung des Vibrators 8. Bei einer Überlastung der unteren Platte 13 bzw. des Vibrators 8 und der oberen Platte 14 auf einem Flansch 15 des Wirbelgenerators 2 ist der Vibrator 8 hierbei abgestützt; gleichzeitig ist eine Vibrationskammer 16 und Kammern 17a und 17b zum Einschluß der Spannbänder gebildet« Die Vibrationskammer 16 ist nahezu zu gleichen Teilen in eine obere Teilkammer 26 und eine untere Teilkammer 19a, 19b durch die Vibrationsplatte 9 des Vibrators 8 geteilt. Die untere Teilkammer, gebildet durch die Vibrationsplatte 9 und die untere Platte 13? ist ebenfalls zu nahezu gleichen Teilen in Unterkammern 19a und 19b durch einen Vorsprung 18 geteilt, der auf der unteren Platte 13 gegenüber der Zentrierbohrung der Vibrationsplatte 9 angeordnet ist» Die Unterkammern 19a und 19b kommunizieren mit den Schlitzen 4a und 4b des Wirbelgenerators 2 durch Verbindungslöcher 20a bzw» 20b« Der Vorsprung 18 verhindert eine Zirkulation des zu messenden Mediums zwischen den Unterkammern 19a und 19b, wodurch eine Übertragung der Wirbeldruckänderungen vom Schlitz 4a oder 4b zur Vibrationsplatte 9 ohne Verluste möglich ist»

So lange wie die torsionale Vibration der Vibrationsplatte 9 nicht behindert wird, sollte der Raum zwischen dem Vorsprung 18 und der Vibrationsplatte 9 so eng als möglich sein; vor-

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zugsweise ist er in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 mm. Aus dem gleichen Grund sollte der Raum zwischen der Vibrationsplatte 9 und der Vibrationskammer 16 vorzugsweise in der gleichen Größenordnung liegen.

Bei der Darstellung nach der Fig. 13 ist eine Justierschraube 21 vorhanden, mit der die Spannbänder 10a und 10b mit einer mechanischen Spannung beaufschlagt werden können; diese Schraube 21 ist an der Mittelachse des Spannbandes 10b angeordnet. Die Schraube 21 überträgt eine Spannung auf einen Teil des Spannbandes 10b zwischen den befestigten Enden und ein Vorsprung 22 verhindert hierbei zusammen mit der unteren Platte 13 Biegeschwingungen des Vibrators 8. Wie später im Zusammenhang mit den Figuren 16 und 17 beschrieben wird, ist das Spannband vorzugsweise über ein Federteil mit der Schraube 21 verbunden. In Fig. 11 ist weiterhin gezeigt, daß Glasfiberleitungen 5 zur Detektion der winkelmäßigen Verbiegung des Vibrators 8 zwei optische Pfade - zur Sendung und zum Empfang aufweisen. Die optischen Achsen stehen hierbei im wesentliehen senkrecht auf der Oberfläche der Vibrationsplatte 9 des Vibrators 8, und die optischen Pfade sind zum Teilraum hin offen. Damit sind die optischen Teile vollständig im Teilraum 26 eingefügt. Dies hat zum Ergebnis, daß die optischen Teile nicht in direkten Kontakt mit z. B. einer Flüssigkeit des zu messenden Mediums kommen können. Die anderen Enden der Glasfiberleitungen sind mit einem lichtemittierenden Teil 6a und einem lichtempfangenen Teil 6b vorzugsweise versehen. Mit dem Bezugszeichen 6 ist eine Detektorschaltung gekennzeichnet, das das lichtemittierende Teil 6a, das lichtempfangene Teil 6b einen Verstärker und ein Wellenformbaustein (nicht dargestellt) enthält.

Die Funktion der vorher beschriebenen Anordnung erfolgt derart, daß wenn beispielsweise ein Wirbel 30 auf der oberen Seite des Wirbelgenerators 2 (auf der Seite des Schlitzes 4b)

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erzeugt ist, sich der Druck in der Nähe des Schlitzes 4b vermindert gegenüber dem Druck in der Nähe des gegenüberliegenden Schlitzes 4a_o Demgemäß wird der Druck in der Unterkammer 19b im Zusammenwirken mit dem Schlitz 4b geringer als der Druck in der Unterkammer 19a, die mit dem gegenüberliegenden Schlitz 4a zusammenwirkt»

Im Zusammenhang mit der Fig. 11 wird nunmehr das Gleichgewicht der Kräfte um die Zentrierbohrung der Vibrationsplatte 9 herum diskutiert» Ein Druck, mit dem die obere Oberfläche der Vibrationsplatte 9 beaufschlagt ist, ist im wesentlichen gleich über der ganzen Oberfläche« Mit Rücksicht auf die Unterseite der Vibrationsplatte 9 ist der Druck in der Unterkammer 19b geringer als in der Unterkammer 19a, und es wirkt eventuell ein rechtsdrehendes Moment.aufgrund der Druckdifferenz auf die Vibrationsplatte 9= Somit wird die Vibrationsplatte 9 in eine rechtsdrehende Rotation versetzt, wobei jedoch die untere Oberfläche und die obere Oberfläche der Vibrationskammer 16 die Amplitude der Rotation begrenzen.

Somit wird auch dann, wenn ein Wirbel auf der gegenüberliegenden Seite des Wirbelgenerators erzeugt wird, der Druck in der Unterkammer 19a niedriger als in der Unterkammer 19b, wodurch die Vibrationsplatte in eine entgegengesetzte Drehung - (links-. drehend) versetzt wird» Die Amplitude ist in gleicher Weise durch den Boden und die obere Oberfläche der Vibrationskammer 16 begrenzt. Daher wird durch Erzeugung eines Paares von Wirbeln eine Drehschwingung (eine Wechselwirkung) des Vibrators 8 verursacht. Da dies durch die Handoberflächen der Vibrationskammer 16 begrenzt ist, ist die Amplitude im wesentlichen konstant ohne Rücksicht auf Veränderungen des Mirbeldrucks. Die Vibrationsplatte 9 ist im wesentlichen im Gleichgewicht ihrer Masse um die Zentrierbohrung herum.. Trägheitskräfte, die von externen Vibrationen hervorgerufen sind, werden somit um die Zentrierbohrung herum unterdrückt. Hierdurch'werden somit keine Drehschwingungen auftreten. Ferner

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wird der Vibrator 8 kaum vertikalen externen Schwingungen folgen, wenn die Spannbänder 10a und 10b mit einer Spannung beaufschlagt sind. Der Vibrator ist somit in diesem Zusammenhang frei von externen Schwingungen. Ebenso ist, wenn die Spannbänder mit einer Spannung beaufschlagt sind, die Torsionsfederkonstante hierdurch kaum beeinflußt. Aus den genannten Gründen ist somit der Widerstand im Hinblick auf störende Schwingungen verbessert, ohne die Empfindlichkeit im Hinblick auf die Detektion von Wirbeln zu vermindern. 10

Es ergibt sich somit, daß Wirbel den Vibrator 8 zu Torsionsschwingungen innerhalb der Vibrationskammer 16 anregen. Zur Regelung dieser Schwingungen über einen breiten Bereich von Wirbelfrequenzen, z. B. von 10 Hz bis 1 kHz, ist es wichtig, die Druckschwankungen der Wirbel direkt auf die Vibrationsplatte 9 ohne Verluste zu übertragen. Zu diesem Zweck enthält die vorliegende Erfindung die Schlitze Aa und 4b im Wirbelgenerator 2, um Veränderungen des Wirbeldrucks in die Unterkaramern 19a und 19b auf kürzestem Wege zu führen, und weiterhin ist gemäß der Erfindung der Vorsprung 18 vorhanden, mit dem Verlustströme zwischen den Unterkammern 19a und 19b minimiert sind. Ferner ist eine Düse zwischen der Peripherie der Vibrationsplatte 9 und den Wandoberflächen der Vibrationskammer 16 so geformt, daß Verlustströme zwischen der Teilkammer 26 und der Unterkammer 19a oder 19b minimiert sind.

Somit wirken Änderungen des Wirbeldrucks direkt auf die Vibrationsplatte ohne Verluste, wodurch eine stabile Detektion der Wirbel ermöglicht ist.

Im weiteren werden Detektionen einer Anzahl von Verbiegungen, also der Vibrationsfrequenz, mit dem Vibrator 8 unter Bezug -auf die Figuren 11, 14 und 15 beschrieben.

Die Vibrationsfrequenz "wird detektiert durch eine Messung der Änderung der Intensität des reflektierten Lichts auf der

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oberen Oberfläche der Vibrationsplatte 9 unter Benutzung der Glasfiberleitung 5» Im einzelnen weist die Glasfiberleitung zwei optische Pfade 5a und 5b, die in einer beliebigen Art und Weise mit ihrer Endoberfläche 31 der Vibrationsplatte 9 gegenüberliegend angeordnet sind, auf; die optischen Achsen liegen hierbei jedoch im wesentlichen vertikal zur Oberfläche der Vibrationsplatte 9» Wenn sich die Intensität des von· der Vibrationsplatte 9 reflektierten Lichtes vermindert - durch die Rotation der reflektierenden Oberfläche (wie anhand der Fig. 14b beschrieben) ~, so erzeugt eine solche Wechselwirkung des Vibrators zwei Lichtpulse als Ausgangssignal«. Wenn die Durchbiegung des Vibrators 8 im wesentlichen konstant ist, so sind die Lichtausgangssignale ebenso im wesentlichen konstant. Demzufolge ist es möglich, die Wirbelfrequenz mittels einer einfachen Schaltungsanordnung zur erfassen. Folglich ist die vorgeschlagene Methode zur Auswertung des reflektierten Lichts äußerst praktikabel, weil hierzu nur eine einfache.Anordnung notwendig ist und die Notwendigkeit einer genauen geraden Ausrichtung der optischen Achsen vermieden ist. Weiterhin sind die optischen Teile innerhalb des Teilraums 26 der Vibrationskammer 16 angeordnet, wodurch sie nicht in direkten Kontakt mit dem zu messenden Medium kommen und somit Verunreinigungen der optischen Teile verhindert sind. ;

Im bereits erwähnten Detektionsmechanismus sind die optischen Achsen der Glasfiberleitungen 5 im wesentlichen vertikal zur Oberfläche der Vibrationsplatte 9» Aber es ist ebenso möglich, die optischen Achsen der Glasfiberleitung 5 leicht zu neigen, so daß eine maxiaale Winkeldurchbiegung θ m der Vibrationsplatte 9 auf der vibrierenden Oberfläche erreicht ist (vgl. -Fig.15). Diese Anordnung ist dadurch vorteilhaft, daß bereits eine kleine winkelmäßige Verbiegung mit ausreichender Empfindlichkeit erfaßt werden kann und ein Äusgangssignal von im wesentlichen sinusförmiger Wellenform erreichbar ist. Dies

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erleichtert die weitere Signalverarbeitung (vgl. Fig. 14b), weil ein im wesentlichen konstanter Bereich der in der Fig. 14 b dargestellten Kurve ausgenutzt werden kann. Die Spitze der Intensität des reflektierten Lichtes ist somit gemäß dieser Kurve nach rechts verschoben. Hierzu ist anzumerken, daß das beschriebene Ausführungsbeispiel nicht auf einer Anwendung mit einer optischen Glasfiberkonstruktion beschränkt ist, sondern es sind auch andere Anordnung zur Erfassung von Intensitätsschwankungen des reflektierten Lichtes hier denkbar.

In den Figuren 16 und 17 ist ein Mechanismus 30 dargestellt, mit dem eine mechanische Spannung auf die Spannbänder 10a und 10b gegeben werden kann. Ferner ist eine Druckfeder 31, eine Kappe 32 und eine Drückeinrichtung 33 zum Herunterdrücken des Spannbandes 10b vorhanden. Die Druckeinrichtung ist aus einem leichten Harz hergestellt und ist als ein Hohlzylinder mit einem Boden, der einen rechteckigen Vorsprung 35 aufweist, ausgeführt. Wenn die Feder zusammengedrückt ist, wird der Vorsprung durch.ein rechteckiges Führungsloch 34 geführt, welches in der oberen Platte 14 angeordnet ist, um ein Rotieren der Druckeinrichtung 33 zu verhindern. Durch die Anordnung wird eine Spannung auf einen Teil des Spannbandes 10b zwischen den äußeren befestigten Enden geführt, und ein auf der unteren Platte 13 gestalteter Vorsprung 22 verhindert darüberhinaus Biegeschwingungen des Vibrators 8. Die Feder 31 ist umschlossen von der Druckeinrichtung 33, wobei die Kappe 32 die Feder am Herausspringen hindert.

Wenn ein schneller Temperaturwechsel auftritt, entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen dem Vibrator 8 und dem Gehäuse -Wenn die in Frage kommenden Teile nicht aus demselben Materialsind, entsteht somit eine unterschiedliche thermische Ausdehnung der beiden Spannbänder. Wie auch immer weist die Druckfeder 31 gemäß der vorliegenden Erfindung eine kleine Feder-

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Λ β

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konstante auf, und sie beaufschlagt die Spannbänder.mit einer Spannung, so daß die Spannbänder normalerweise etwas durchgebogen sind und dadurch Unterschiede in der thermischen Ausdehnung absorbiert werden können» Wenn die beschriebene Spannung konstant gehalten wird, können Verletzungen der Spannbänder und Verminderungen des Vibrationswiderstandes, hervorgerufen durch externe Schwingungen, verhindert werden«

Gemäß der Fig. 18 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Wirbeldetektors entlang der Strömungsrichtung gezeigt» Hierbei sind ein lichtemittierendes Teil 23 und ein lichtempfangenes Teil 24 so angeordnet, daß sie der oberen Oberfläche der Vibrationsplatte 9 gegenüberliegen und ihre optischen Achsen sich in der Mitte der Zentrierbohrung der Vibrationsplatte 9 kreuzen» Eine Detektionschaltung 25, die die Teile 23 und 24 versorgt sowie das Ausgangssignal weiterverarbeitet, enthält eine Koppelschaltung 27a zur Selektion der Mechselkomponenten des Ausgangssignals des lichtempfangenen Teils 24 und einen Komparator 27b zur Bildung eines entsprechenden Rechtecksignals, wie in Fig. 19 dargestellt.

Eine Detektion einer Anzahl von Verbiegungen bzw, der Vibrationsfrequenz des Vibrators 8 wird anhand der Figuren 18 bis 21 beschrieben» Wenn die Durchbiegung des Vibrators .8 im wesentlichen konstant ist, ist somit das Lichtausgangssignal ebenfalls konstant, und es kann eine Ausgangsspannung in der Größenordnung von 1 V vom Teil 24 auch bei kleinen Durchflußgeschwindigkeiten abgenommen werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist sichergestellt, daß die optischen Teile nicht mit dem zu messenden Medium in Kontakt kommen und daher frei von Verunreinigungen gehalten werden können.

Bei diesem Ausführungsbeispiel eines Detektionsmechanismus sind die Teile 23 und 24 so angeordnet, daß das Maximum der Lichtintensität erreicht ist, wenn die Vibrationsplatte 9

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sich in einer horizontalen Lage befindet. Wie auch anhand der Fig. 21 gezeigt werden kann, kann die Vibrationsplatte 9 bis zur maximalen Winkelamplitude du vorgespannt werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel können somit die weiter oben beschriebenen Vorteile ausgenutzt werden. Durch Ausnutzung der geraddlinigen Teile der Kurve in Fig. 20(b) und daher eine gute Empfindlichkeit und geringe Störanfälligkeit erreicht werden. Bei diesem Beispiel wird ein Ausgangssignal mit einem Impuls für eine Wechselwirkung der Vibrationskette erzeugt.

Im weiteren wird die Funktion des erfindungsgemäßen Durchflußmessers mit einer Karman¹sehen Wirbelstraße anhand der Fig. 22 beschrieben, in der einige Funktionscharakteristiken eines Vibrators dargestellt sind. Generell schwingt ein Vibrator (vgl. z. B. Fig. 12) entsprechend der Frequenz der Wirbel. Gemäß der Erfindung ist die Grundfrequenz der Torsionsschwingung definiert durch das Trägheitsmoment der Vibrationsplatte (Platte 9 in Fig. 12) und durch die Torsionsfederkonstante der Spannbänder (vgl. Spannbänder 10a und 10b z. B. in Fig. 12). Diese Torsionsschwingung sollte im wesentlichen gleich der niedrigsten Frequenz der Wirbel sein, die gemessen werden, wobei die Länge und Breite der Spannbänder und die Dimensionen der Vibrationsplatte usw. passend für den geforderten Zweck ausgewählt sind.

Wenn eine Schwingungskraft mit vorgegebener Amplitude auf solchen ein Vibrationssystem einwirkt, erzeugt das System eine Frequenzantwort wie in Fig. 22 dargestellt. Es kann grob gesagt werden, daß in Fig. 22(a) die Amplitude proportional zur Winkelfrequenz ansteigt und ihre Spitze bei der Resonanzfrequenz η erreicht. Im folgenden fällt die Amplitude im umgekehrten Verhältnis zum Quadrat der genannten Winkelfrequenz, wobei diese Charakteristik durch die Größe der Dämpfung beeinflußt ist. Bei dieser Figur stellt die Ordinate

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ein Amplitudenverhältnis dar (dynamische Amplitude X/statische Amplitude a .) und die Abzisse stellt das Winkelfrequenzverhältnis als dimensionslose Größe dar. Es- ist experimentell ermittelt worden, daß das Ausmaß der Änderungen des Wirbeldrucks im wesentlichen proportional zum Quadrat der Durchflußgeschwindigkeit fällt, wie in Fig. 22b dargestellt. Weil somit die Wirbelfrequenz proprotional zur Durchflußgeschwindigkeit ist, vermindert sich das Ausmaß der Änderung des Wirbeldrucks eventuell proportional zum Quadrat der Wirbelfrequenzo

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Resonanzfrequenz _ η des Vibrators gleich der niedrigsten Frequenz der Wirbel, und daher empfängt der Vibrator Schwingungskräfte, die proportional zum Quadrat der Frequenz steigen. Somit ist die Amplitude der Vibrationsplatte des Vibrators Ira wesentlichen konstant, wie anhand der Fig. 22c gezeigt»

In der FIg. 23 Ist die Charakteristik des Ausgangssignals eines Durchflußmessers gemäß der Erfindung dargestellt. Im stationären Zustand hat das mit dem lichtempfangenen Teil detektierte Signal eine symmetrische Wellenform, relativ zu einem konstanten Gleichanteil DC. Dieser Gleic.hanteil DC korrespondiert einem Gleichgewichtszustand der Vibrationsplatte, wenn diese In Ruhe ist, wie in Fig«, 23(A) gezeigt. Wenn in einem einschwingenden Zustand der zu messende Durchfluß abrupt steigt, erfolgt eine Resonanz bei einer Resonanzfrequenz, die durch die Hasse der Vibrationsplatte des Vibrators und durch die Torsionsfederkonstante der Spannbänder festgelegt Ist. Wenn z. B_n der Fluß in einer Art und Weise, wie in Fig„ 23(B) dargestellt, sich ändert, können hier keine' -Wirbel detektiert werden, da die Wellenform des Ausgangssignals ungeordnet ist«, Es kann somit festgestellt werden, daß ein Resonanzpunkt in der Frequenzcharakteristik der Torsionsschwingung des Vibrators existiert, wie mit der unterbrochenen Linie in Fig. 22(A) gezeigt ist.»

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- VPA 81 P 8611 DE In der Fig. 24 sind eine Vibrationsplatte 9 und Spannbänder 10a und 10b dargestellt. Darüberhinaus ist Dämpfungsrnaterial 36, wie z. B. ein gummiartiges visko-elastisches Material, im Bereich der Spannbänder 10a und 10b angeordnet. Experimente haben gezeigt, daß die Frequenzcharakteristik von Torsionsschwingungen eines mit solchem Dämpfungsmaterial versehenen Vibrators keinen definierten Resonanzpunkt haben, was mit der geraden Linie in Fig. 24(A).angedeutet ist. Es ergibt sich hieraus, daß wenn ein solcher abrupter Wechsel des Durchflusses stattfindet, der Vibrator eine korrekte Antwort des Wechsels im Wirbeldruck liefert. Es ist, wie in Fig. 23(B) gezeigt, eine ungeordnete Wellenform verhindert, wenn eine solche Änderung stattfindet, wodurch die Unmöglichkeit der Detektion von Wirbeln verhindert ist. Somit kann gemäß der Erfindung eine Resonanz des Vibrators 8 zumindest innerhalb des Bereichs der Wirbelfrequenz verhindert werden.

Fig. 25 zeigt eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der in der Fig. 24 dargestellten Anordnung, darin, daß Kammern 17a und 17b total mit Dämpfungsmaterial 37 gefüllt sind. In diesen Kammern 17a und 17b sind die Spannbänder 10a und 10b angeordnet. Auch diese Konstruktion unterdrückt eine Resonanz bei der Torsionsschwingung des Vibrators und verhindert außerdem Biegeschwingungen in vertikaler oder horizontaler Richtung, die durch externe Schwingungen hervorgerufen sein können. Bei diesem Beispiel kann das Dämpfungsmaterial 37 beispielsweise Silikongummi sein.

Im weiteren wird anhand der Figuren 26 bis 28 ein Ausführungsbeispiel eines Durchflußmessers mit einer Karmän'sehen Wirbel-.straße beschrieben, wobei in der Fig. 26 die Wellenform von detektierten Wirbeln und in den Figuren 27 und 28 Schaltpläne zur Weiterverarbeitung des detektierten Signals in je einer Ausführungsvariante dargestellt sind.

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- VPA 81 P 8611 DE In der Fig. 27 ist ein lichtaussendendes Teil 61, ein lichtempfangendes Teil 6a, Pufferverstärker 63I und 633»· eine Integrationsschaltung 632, eine Komparatorschaltung 634, Widerstände R1 bis R6, ein Kondensator C1 und eine Diode D1 gezeigt.

'Das Ausgangssignal des lichtempfangenen Teils 62 ist direkt den Komparator 634 geführt» Außerdem ist dieses Signal über den Pufferverstärker 63I auf die Integratorschaltung 632 geführt. Das Ausgangssignal der Integratorschaltung 632 ist über den Pufferverstärker 633 auf einen zweiten Eingang der Komparatorschaltung 634 geführt» Die Komparatorschaltung vergleicht die an ihren Eingängen anliegenden Signale und erzeugt in dem Fall, wenn sie übereinstimmen, ein Ausgangssignal. Im einzelnen weist das Ausgangssignal des lichtempfangenen Teils 62 eine sinusförmige Wellenform auf, die im wesentlichen symmetrisch zu einer Gleichspannung E_q ist, welche wiederum mit einer konstanten Intensität des Lichts korrespondiert, die in einer Gleichgewichtsposition der vibrierenden Platte - in ihrer Ruhestellung - , hier dargestellt mit "a", in Fig. 26(B) erzeugt wird» Auf der anderen Seite ist das Ausgangssignal der Integratorschaltung 632 das gleiche Signal wie das Gleichspannungssignal E , dargestellt durch die unterbrochene Linie b in Fig. 26(B). Konsequenterweise ist es somit möglich, eine rechteckige Wellenform des Ausgangssignals als Antwort auf die Wirbelfrequenz aufgrund eines Vergleichs der Eingangssignale des Komparators zu bekommen und somit eine entsprechende Änderung der Wellenform in der Komparatorschaltung 634 durchzuführen« Da die lichtemittierenden Teile, die lichtempfangenen Teile, die optischen Glasfiberleitungen us«, generell unterschiedliche Charakteristiken haben und die Gleichspannung E zur Gleiciigewichtsposi- tion der vibrierenden Platte korrespondiert, ändert sich das Ausgangssignal relativ zur Gleichspannung E » wie durch a' in Fig. 26(B) angedeutet ist« Auf jeden Fall wird, wie vorher

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beschrieben, das Ausgangssignal a' mit der Gleichspannung b¹ verglichen, die durch Gleichrichtung erzeugt ist; hierdurch wird die Wellenform geändert. Es ist dadurch möglich, Wirbelfrequenzen sogar dann präzise zu detektieren, wenn die Gleichspannung E sich ändert. Wenn die Gleichspannung E in der Gleichgewichtsposition der vibrierenden Platte absinkt, was zu einem Abfall der Lichtintensität, beispielsweise hervorgerufen durch Verunreinigungen in den optischen Teilen inclusive der reflektierenden Oberfläche, der vibrierenden Platte oder der Glasfiberleitungen führt, kann somit in gleicher Weise ein rechteckförmiges Ausgangssignal als Antwort auf die Wirbelfrequenzen abgeleitet werden. Es muß hierbei festgestellt werden, daß die Zeitkonstante der Integratorschaltung 632 vorzugsweise so groß als möglich gewählt ist. Wenn die Zeitkonstante klein ist, können kleine störende zusätzliche Wellen bei niedrigeren Wirbelfrequenzen zu einer Veränderung der Differenz zwischen den Ausgangssignal "a¹¹ und dem Signal "b" führen, wodurch die Anordnung durch Störungen beeinflußbar ist. Konsequenterweise ist es wichtig, daß die Zeitkonstan- te größer ist als die niedrigste Frequenz der Wirbel. Um störende Effekte zu verhindern ist es eventuell wünschenswert, eine Hysterese, wie sie in der Fig. 27 dargestellt ist, bei der Komparatorschaltung 634 vorzusehen, wie sie beispielsweise durch Widerstände R5 und R6 gebildet sind.

Fig. 28 stellt einen Schaltplan einer geänderten Ausführungsform nach der Fig. 27 dar. In der Fig. 28 ist ein Verstärkerschaltkreis 635 vorhanden, der einen Differenzverstärker 635-, und 635t aufweist. Ein veränderbarer Widerstand 635^, dessen Widerstandswert sich vermindert, wenn die an ihm anliegende Spannung steigt, ist Bestandteil eines CDS-Optokopplers und wirkt im Sinne einer Regelung der Verstärkung des Verstärkers 635,. Der Ausgang A des Pufferverstärkers 633 ist mit dem veränderbaren Widerstand 635^ über einen Pufferverstärker 635 verbunden. Der Unterschied gemäß dieser Abänderung zum Aus-

- VPA 81 P 8611 DE führungsbeispiel nach der Fig„ 27 liegt darin _e daß die Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgangssignal "a" und der Gleichspannung b, die vom Signal "a" über die Integratorschaltung 632 gewonnen ist, verstärkt wird und gleichzeitig die Verstärkung des Verstärkers 632, automatisch durch die Amplitude der Spannung E (A) des genannten Gleichspannungssignals b geregelt wird«. *

Es kann somit zusammengefaßt werden, daß die Lichtintensität, die auf das li.chtempfangene Teil 62 gelangt, durch Verunreinigungen in den optischen Teilen abgesenkt wird, und wenn somit das Ausgangssignal des Teils 62 sich von "a" zu a' ändert, wie in Fig«, 26B dargestellt« Im einzelnen korrespondiert die Gleichspannung DC zur Lichtintensität bei einer im Gleichgewicht befindlichen ¥ibratorplatte und vermindert sich somit von E zu E '. Die Wechselspannung AC korrespondiert somit zu den Änderungen der Lichtintensität, hervorgerufen durch Schwingungen der Vibrationsplatte, und vermindert sich somit von "a" zu a⁸„ Auf jeden Fall kann der Differenzverstärker 635? ^^e Wirbelfrequenzen mit Sicherheit detektieren und dies sogar, wenn die Gleichspannung E sich ändert, weil er entweder jeden Unterschied zwischen den Ausgangssignalen "aⁿ und dem Gleichspannungssignal b oder die Differenz zwischen a¹ und b' verstärkt«. Ebenso vermindert sich auch der Widerstand des veränderbaren Widerstands 635^«· wenn die Gleichspannung aufgrund einer Verminderung der Verstärkung des Verstärkers 635^ fällt» Daraus folgt, daß eine Verminderung der Wechselspannung AC als Antwort auf die Wirbe.1-■ frequenz kompensiert werden kann. Demgemäß ist es möglich, die Verstärkung des Verstärkers 635, durch eine entsprechende Auswahl der Werte der Widerstände RI1 und R12 und des Widerstands 635^ ^zu regeln«, Daher ist es möglich, sogar wenn die Lichtintensität fällt, eine stabile Detektion der Wirbelfrequenzen ohne Beeinflussung durch dieses Verminderung durchzuführen«

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Es ist gezeigt, daß das Ausgangssignal des lichtempfangenen Teils 62 bei diesem Beispiel immer über den Pufferverstärker 631 auf die Integratorschaltung 632 geführt ist. Dies kann jedoch unterlassen werden, wenn die Impedanz, definiert durch den Widerstand R4 und den Kondensator C1 ausreichend größer ist als der Lastwiderstand R2 des lichtempfangenen Teils.

In der Fig. 29 ist ein Motor 101 (beispielsweise die Verbrennungskraftmaschine eines Automobils) mit einer Zuführungsleitung 102 dargestellt. Die Leitung 102 enthält einen Luftfilter 103 und ein weiteres Filterelement 104 sowie ein Einlaßrohr 105, eine Drosselklappe 106 und andere Elemente. Ein Rohr 108 bildet einen Teil des Einlaßrohres 105, wobei der Durchfluß durch das Rohr 108 durch einen Flußvergleichmäßiger 109 stabilisiert ist. Ein Druchflußmesser 107 mit Karmän'scher Wirbelstraße enthält einen Wirbelgenerator 2, der in das Rohr 108 zur Erzeugung der Wirbel eingefügt ist, ein Wirbeldetektor 4, der die Druck.änderungen der erzeugten Wirbel in Lichtpulse als Antwort auf die Wirbelfrequenz umwandelt sowie weitere Teile. Eine elektronische Schaltung 6 zur Umwandlung des Lichtsignals des Wirbeldetektors 4 in ein elektrisches Signal ist über Glasfiberleitungen 5a und 5b an den Wirbeldetektor angeschaltet.

Wie aus Fig. 30 ersichtlich, ist der Wirbeldetektor 4 aus Löchern 20a und 20b, einer Kammer 16, die mit den Löchern kommuniziert und einer Vibrationsplatte 9, die Torsionsschwingungen in der Kammer ausführt, gebildet. Die Löcher weisen Öffnungen 4a und 4b auf, die an gegenüberliegenden Seiten des Generators 2 parallel zum Fluß angeordnet sind und einer Hindurchführung der Druckschwankungen der Wirbel dienen.

Die einen Enden der Glasfiberleitungen 5a und 5b sind so angeordnet, daß ihre optischen Achsen die Rotationsachse des Vibrators in einen bestimmten Winkel kreuzen. Die Enden der Leitungen 5a und 5b sind mit einem lichtaussendenden Teil 6a

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und einem lichterapfangenen Teil 6b versehen« Diese Elemente sind in einem Gehäuse 120 untergebracht« Ein Reinigungsstück. 122 enthält einen Begrenzer 124 und ein Filter 123. Die beschriebene Kammer ist über den Begrenzer 124 und das Filter 123 sowie durch eine Öffnung 121, welche im Gehäuse 120 nahe der lichtaussendenden Teile angeordnet ist, in Verbindung mit der Athmosphäre. ■

Die Funktion der dargestellten Anordnung wird wie folgt beschrieben» Wenn beispielsweise Luft durch die Einführungsleitung 102 (vgl. Fig. 29) fließt und somit Wirbel auf der Seite der Öffnung 4a des Wirbelgenerators 2 erzeugt .(vgl» Fig. 30), wird damit der Druck auf der Seite der Öffnung 4a geringer wird als der Druck auf der Seite 4b. Wenn ein Paar solcher Wirbel erzeugt ist, bewirken solche Druckdifferenzen beim Vibrator 9 eine Torsionsschwingung (entsprechend einer Wechselwirkung). Eine Änderung der Intensität des reflektierten Lichts, hervorgerufen durch die Verbiegung bei dieser Schwingung, wird durch das lichtempfangene Teil 6b detektiert und durch die Glasfiberleitung 5b zur Messung der Wirbelfrequenz übertragen. Somit ist die Menge der eingeflossenen Luft aus dieser Frequenz abzuleiten. Der Druck in der Kammer 26 ist hierbei geringer als der Athmosphärendruck, weil auf der Seite der Öffnung 4a der Druck bekannterweise geringer als der Athmosphärendruck ist, und der Wirbelgenerator 2, der die Einführungsleitung auf der gegenüberliegenden Seite 4b verengt, führt zu der Verminderung des Drucks auch auf der Seite der Öffnung 4b»

Demgemäß ist immer, wenn das Automobil gefahren und somit Luft angesaugt wird^ der Druck in der Kammer 26 negativ. Mit .anderen Worten wird, wenn nicht der Motor einen Rückschlag verursacht. Luft· durch diesen Unterdruck angesaugt und dadurch die Innenseite des Einführungsrohrs in diesem negativen "Druck gehalten^ Hodurch immer saubere Luft durch das

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Reinigungsteil 122 zu dem lichtsendenden Teil geführt wird und dieses somit gesäubert bzw. von Verunreinigungen von vornherein freigehalten wird. Wenn die gesäuberte Luft in der Einführungsleitung 102 durch die Löcher 20a, 20b und die Öffnungen Aa, 4b fließt, wird die Menge der Luft jedoch nicht gemessen. Wie auch immer, der Begrenzer 124 begrenzt die beschriebene Luftmenge auf weniger als 0,1 % der insgesamt angesaugten Luft. Dadurch ist weder die Meßgenauigkeit noch die Erzeugung der Wirbel beeinflußt. 10

Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen zur Durchführung der Schwankungen des Wirbeldrucks an gegenüberliegenden Seiten des Wirbelgenerators 10 angeordnet. Diese Öffnungen können auch an Orten in der Nachbarschaft des Generators und an in Strömungsrichtung dahinterliegenden Orten angebracht werden, so lange sie überhaupt Wirbel erfassen. Dadurch kann, da der Druck innerhalb der Einführungsleitung 102 immer niedriger ist als der Athmosphärendruck, die Luft von außerhalb des Rohrs gereinigt werden.

· Ein weiteres Beispiel einer Anordnung eines Druchflußmessers mit einer Karman¹sehen Wirbelstraße ist in der Fig. 31 gezeigt. In der Fig. 31 ist ein Motor 101 mit einer Einfürungsleitung 102 dargestellt, wobei diese Einführungsleitung einen Luftfilter 103, weitere Filterelemente 104, ein Einführungsrohr 105 und eine Drosselklappe 106 aufweist. Ein Wirbeldruchflußmesser 107 ist innerhalb der Einführungsleitung 102 montiert und enthält ein Rohr 108, welches Teil des Einführungsrohrs 105 ist, einen Durchflußbegrenzer 109 zur Stabilisierung des Durchflusses in dem Rohr 108 und einen Wirbeldetektor 4. Dieser Wirbeldetektor 4 befindet sich -innerhalb der Einführungsleitung und arbeitet derart, daß er Druckschwankungen aufgrund der Wirbel in Lichtsignale zur Produktion von Lichtpulsen entsprechend der Wirbelfrequenz umwandelt. Diese Elemente sind alle im Motorraum beispiels-

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weise eines Automobils installiert«. Eine elektrische Schaltung 12 zur Umwandlung der Lichtsignale des Wirbeldetektors 4 in ein elektrisches Signal ist dagegen im Fahrerraum des Automobils angeordnet, möglichst in einer Umgebung in der sie weniger beeinflußt wird durch die Temperatur und elektrische Störungen etc. als im Motorraum. Die elektrische Schaltung ist mit dem Wirbeldetektor 4 des Durchflußmessers 107 im Motorraum über die Glasfiberleitung 5 verbunden. Bei dieser Anordnung werden die aufgrund der Wirbel detektierten Signale als Lichtsignale vom Motorraum in den Fahrerraum über die Leitung 5 als eine optische Lichtwellenleitung übertragen und demgemäß ist diese Anordnung überhaupt nicht beeinflußbar durch Temperatur und elektromagnetische Störungen. Die Energieversorgung dieser beschriebenen Meßanordnung erfolgt direkt mit Gleichstrom und benötigt lediglich eine ausreichende Stabilisierung, die auf einfache Weise durchgeführt werden kann.

In der Fig. 32 ist eine weitere Anwendung eines erfindungsgemäßen Durchflußmessers gezeigt, bei der ein Motor 101, eine Einführungsleitung 102 - mit Filterelement 104, Einführungsrohr 105, Drosselklappe 106 etc. - einem Wirbeldurchflußmesser 107 innerhalb des Einführungsrohres und einem Durchflußbegrenzer 109 vorhanden ist« Ferner ist hier ein Wirbelgenerator 2 innerhalb der EinfUhrungsleitung zur Erzeugung der Wirbel angeordnet, und es ist ein Wirbeldetektor 4 vorhanden« Dieser dargestellte Mechanismus wandelt Druckschwankungen aufgrund von Wirbeln in Lichtsignale um und erzeugt ein Lichtausgangssignal entsprechend der Wirbelfrequenz. Darüberhinaus ist ein Rohr 130 (wird später beschrieben) und ein Durchflußbegrenzer 131 vorhanden.

Zur Einführung von Luft in einen Kasten 134 zur Kühlung der Komponenten einer Signalverarbeitungsschal-tung 25 ist dieser Durchflußmesser so gestaltet^ daß das Rohr 130 - zur Führung der Luft in den Motor bei negativen Druck - mit dem Kasten 134

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über den Begrenzer 131/ wie in den Fig. 32 und 33 dargestelt, verbunden ist. Eine weitere Einführungsleitung 132 zur Einführung von Luft in den Kasten 134 ist über den Luftfilter zur Athmosphäre hin geöffnet. Der Austausch von Luft durch den Luftfilter 133, das Rohr 132, den Kasten 134, das Rohr 130 und die Einführungsleitung 102 ist hervorgerufen durch den negativen Druck innerhalb des Motors; Somit ist sichergestellt, daß, wenn die Temperatur innerhalb des Motorraums steigt, eine Temperatursteigerung bei den Schalungselementen des Signalverarbeitungsbausteins 25 verhindert ist, weil durch den Kasten 134 ständig Luft fließt. Wenn der Motor nach einer Fahrt mit sehr hoher Geschwindigkeit ausgestellt wird, ist die Temperatur im Motorraum sehr hoch,, jedoch kann auch in diesem Fall durch den verbleibenden großen negativen Druck im Motor die Luft durch den Kasten 134 zur ausreichenden Kühlung fließen.

Wenn die Drosselklappe des Motors voll geöffnet ist, ist der negative Druck gering und der Fluß von Luft durch den Kasten 134 vermindert sich; jedoch fließt in diesem Fall eine große Menge Luft durch die Einführungsleitung, wodurch die Temperatur auch hier innerhalb des Kastens 134 in einem ausreichenden Maß gehalten wird. Ferner beträgt die zur Kühlung angesaugte Luft nur 0,1 % des gesamten Durchflusses, wodurch die Meßgenauigkeit des Durchflußmessers nicht beeinflußt wird.

Die Öffnungen zum Einlassen der Luft können zur Einführungsleitung hin offen sein. In diesem Fall ist das Luftfilter nicht notwendig. Im einzelnen kann die Öffnung zur Einleitung der Luft hinter dem Wirbelgenerator 2 und in Strömungsrchtung vor der Drosselklappe 106 angeordnet sein, was mit der unterbrochenen Linie in Fig. 33 angedeutet ist. Somit ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Menge der eingesaugten Luft bereits meßbar, bevor sie die Öffnungen erreicht.

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- VPÄ 81 P 8611 DE Während die Erfindung im einzelnen im Zusammenhang mit ausgewählten Ausführungsforraen beschrieben ist, sind selbstverständlich auch eine Anzahl von Änderungen und Variationen zur Schaffung von vorteilhaften Wirkungen bei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen möglich, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

24 Ansprüche
33 Figuren

Claims

VPA 81 P 8611 DE Patentansprüche

1 J Durchflußmesser mit Karman'scher isiirbelstraße zur Messung —'

der Durchflußmenge oder der Geschwindigkeit eines Mediums mit - zwei Pfeilern (2a, 2b) (Wirbelkörper),, die in Durchflußrichtung hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet -, daß

- ein in Strömungsrichtung vorn liegender erster Pfeiler (2a) vorhanden ist, der einen gleichschenkligen dreieckförmigen-Querschnitt aufweist und

- ein zweiter, in Strömungsrichtung dahinterliegender zweiter Pfeiler (2b) vorhanden ist, der einen gleichschenkligen trapezförmigen Querschnitt aufweist, daß

- die Grundlinie des Querschnitts des ersten Pfeilers (2a)

gleich der Grundlinie des Querschnitts des zweiten Pfeilers (2b) ist und daß

- der erste Pfeiler (2a) und zweite Pfeiler (2b) so angeordnet sind, daß die Grundlinien parallel zueinander in einem vorgegebenen Abstand (l) verlaufen und quer zur Durchflüßrichtung des zu messenden Mediums liegen«. (Fig» 4)

2» Durchflußmesser nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß

- der dreieckförmige Querschnitt des ersten Pfeilers (2a) einen vertikalen Winkel von 90° bis 120° aufweist,

- die gleichen Schenkel des trapezförmigen Querschnitts des zweiten Pfeilers (2b) einen Winkel einschließen, der kleiner als 40® ist und daß

- die in Durchflußrichtung liegende Höhe h des trapezförmigen Querschnitts des zweiten Pfeilers (2b) kleiner als d/2 ist,

wobei d die Länge der Grundlinie ist und der erste und der .. zweite Pfeiler (2a, 2b) in einem Abstand (1) von 0,2 bis 0,3 χ d angeordnet sind«, ■

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- «2· VPA 81 P 8611 DE

3· Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß - die beiden Seitenflächen des zweiten Pfeilers (2b) jeweils mit einer Öffnung (4a, 4b) versehen sind, durch die Druck-Schwankungen aufgrund der erzeugten Wirbel geleitet werden (Fig. 4).

4. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß - zur Messung der aufgrund der Wirbel der Karmän¹sehen Wirbelstraße hervorgerufenen Druckschwankungen ein Vibrator (8). vorhanden ist, der mit den Druckschwankungen beaufschlagt ist und aus den durch diese Druckschwankungen hervorgerufenen Schwingungen die Frequenz der Wirbel erfaßt, und daß - der Vibrator (8) in einer Vibrationskammer (16) angeordnet ist und sich in einem Massengleichgewicht relativ zu einer Zentrierbohrung |.m Schwerpunkt des Vibrators (8) befindet, wodurch der Vibrator (8) Torsionsschwingungen um die Zentrierbohrung ausführen kann (Fig. 11).

5. Durchflußmesser nach Anspruch 4, . dadurch gekennzeichnet , daß

- der Vibrator (8) eine Vibrationsplatte (9) aufweist und von einem Paar Spannbänder (10a, 10b) getragen wird (Fig. 12).

6. Durchflußmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß

- die Spannbänder (10a, 10b) an ihren Enden fest eingespannt, sind und mit einer mechanischen Spannung beaufschlagt sind.

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7. Durchflußmesser nach Anspruch 6,
.dadurch gekennzeichnet , daß

- ein Teil eines der Spannbänder (10b) im Bereich des festen Endes mit der mechanischen Spannung beaufschlagt ist',

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. ό- VPA 81 P 8611 DE

- wobei an einem Abstützpunkt in einer Kammer zur Umhüllung der Spannbänder (17a, 17b) eine Feder (31) mit einer kleinen Federkonstante vorhanden ist, die einen Druck auf den Teil des Spannbandes (17b) ausübt (Fig« 16.).

8«, Durchflußmesser nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß

- der Vibratorauf einer Platte (9) angeordnet ist, die in der Vibrationskammer (16) eingeschlossen ist, wobei diese

10' Platte (9) die Vibrationskammer (16) in zwei Teilräume (26; 19a, 19b) unterteilt und daß

- ein erster Teilraum (26) mit einer Einrichtung zur Detektion der Verbiegung der Platte (9) versehen ist und der andere Teilraum mit Einführungskanälen (4a, 4b) für die zu messenden Druckschwankungen versehen ist, wodurch die Detektionseinrichtung (23, 24, 25 ο„ο) und die Einführungskanäle durch die Platte (9) voneinander isoliert sind (Fig. 18).

9» Durchflußmesser nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet , daß

- der zweite Teilraum weiterhin in zwei Unterkammern (19a, 19b) aufgeteilt ist, wobei die Zentrierbohrung der Platte (9) den Teilraum symmetrisch teilt, und daß

- die Unterkammern (19a, 19b) alternierend mit den Druck-Schwankungen beaufschlagt sind (Fig. 18).

10» Durchflußmesser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß

- die Detektionseinrichtung ein lichtaussendendes Teil (23), ein lichtempfangenes Teil (24) und mit diesen verbundene Lichtübertragungsteile aufweisen, daß

-τ die offenen Enden der lichtübertragenden Teile (Glasfiber- leitung 5) so angeordnet sind, daß jedes jeweils einem Ende der Platte (9) im ersten Teilraum (26) gegenüberliegt, wodurfch"durch eine Änderung der Intensität des reflektierten Lichts resultierend aus der rotierenden Verbiegung der Platte (9) detektiert wird (Fig. 18).

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- k " VPA 81 P 8611 DE

11 . Durchflußmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß

- die Oberflächen der offenen Enden so angeordnet sind, daß sie dann parallel zur Platte (9) sind, wenn die Platte (9) sich in ihrer maximalen Drehungsposition befindet, bei welcher eine weitere Rotation durch die Wände der Vibrationskammer verhindert ist (Fig. 15)·

12. Durchflußmesser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet. , daß

- zumindest ein Paar von Vorrichtung zur Lichtaussendung und zum Lichtempfangen vorhanden sind, die zur Detektion der schwingenden Verbiegung der Plaatte dieser gegenüberliegend angeordnet sind.

15. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß

- die gesamte Schwingungserfassungseinrichtung so ausgebildet ist, daß die Eigenschwingungen (Resonanzfrequenz) des Vibrators im wesentlichen gleich der niedrigsten zu erwartenden Frequenz der Wirbel ist. ·

14. Durchflußmesser nach Anspruch 13, . dadurch gekennzeichnet , daß - der Vibrator derart auf der Platte angeordnet ist, daß sich diese Anordnung in einem Massengleichgewicht befindet, wodurch die Platte Torsionsschwingungen ausführen kann.

15. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß

- der Vibrator gedämpft ist.

16. Durchflußmesser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß - die'Spannbänder (10a, 10b) so ausgebildet sind, daß sie selbst die Dämpfung bewirken.

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17. Durchflußmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß

- die Spannbänder (10a, 10b) mit einem visko-elastischen Material überzogen sind, wodurch die Spannbänder (10a, 10b) eine entsprechende Dämpfungscharakteristik erhalten»

18. Durchflußmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß

- die Kammer, die die Spannbänder (10a, 10b) einschließt, mit Dämpfungsmaterial gefüllt ist«,

19. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß

- eine Signalverarbeitungsschaltung zur Verarbeitung des detektierten Signals vorhanden ist, die eine Integratorschaltung (632) zur Integration des Ausgangssignals der Detektionseinrichtung (61, 62) und eine Koraparatorschaltung (634) zum Vergleich des Ausgangssignals der Integratorschaltung (632) mit dem Ausgangssignal der Detektionseinrichtung (61, 62) aufweist (Fig. 27)ο

20. Durchflußmesser nach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet , daß die Signalverarbeitungsschaltung folgende.Bausteine enthält:

- ein Differenzverstärker (635₂) ^z^r Verstärkung der Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Integratorschaltung (632) und dem Ausgangssignal der Detektionseinrichtung (61, 62),

- einen zweiten Verstärker (635■*) zur weiteren Verstärkung des Ausgangssignäls des Differenzverstärkers (635p) und

- eine Verstärkungsregeleinrichtung (635^) zur Regelung der ,_ Verstärkung des zweiten Verstärkers (635*) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Integratorschaltung (632) und zur Kompensation von Amplitudenverminderungen des Ausgangssignals der Detektionseinrichtung (61, 62) (Fig. 28).

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-Ό- VPA 81 P 8611 DE

21. Anwendung eines Durchflußmessers nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung der Menge der von einem Automobilmotor angesaugten Luft,

gekennzeichnet durch eine Kombination folgender Merkmale:

- es ist eine Pfeileranordnung (2), die sich in einem Pfad durch die Ansaugleitung (102) des Motors (101) befindet, vorhanden, wobei die Pfeileranordnung (2) eine Karmän'sche Wirbelstraße in der angesaugten Luft erzeugt, - ein Vibrator ist so angeordnet, daß er durch die erzeugten Wirbel in Schwingungen versetzt wird und eine Verbiegungs-Detektions-Einrichtung (4) zur optischen Detektion der Verbiegung des Vibrators wirksam wird,

- außerdem ist eine Anordnung zur Reinigung der angesaugten Luft und zur Begrenzung dieser Luft auf eine vorgegebene Menge und

- eine optische Anordnung, welche den Vibrator und die Verbiegungs-Detektions-Einrichtung (4) enthält und mit der gereinigten Luft versorgt ist (Fig. 29).

22. Anwendung des Durchflußmessers nach einem der Ansprüche bis 20,

gekennzeichnet durch eine Kombination folgender Merkmale:

- ein mit einer Pfeileranordnung (2) aufgebauter Wirbelgenerator ist im Ansaugstutzen eines Motors (101) zur Erzeugung einer Karmin'sehen Wirbelstraße vorhanden, wobei diese Wirbel alternierend auf gegenüberliegenden Seiten des Wirbelgenerators einwirken,

- ein Vibrator (8) ist außerhalb der Ansaugleitung (102) vorhanden und vibriert aufgrund des Wirbeldrucks, der von dem >. Wirbelgenerator erzeugt ist,
- eine optische Verbiegungs-Detektions-Einrichtung (4) mit einem lichtaussendenden Teil (6a) und.einem lichtempfangenen Teil (6b) zur optischen Detektion der Verbiegung des Vibrators (9), wobei die optische Einrichtung außerhalb der Ansaugleitung (102) angeordnet ist,

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- ein Durchflußmessergehäuse,, welches den Wirbelgenerator, den Vibrator (9) und die optische Einrichtung enthält, ist im Motorraum untergebracht und

- eine elektrische Signalverarbeitungsschaltung (12) ist

außerhalb des Motorraums angeordnet und wandelt die Lichtsignale der Durchflußmesserteile im Motorraum in ein elektrisches Signal um, mit dem die Menge der angesaugten Luft erfaßt ifird; die elektrische Signalverarbeitungsschaltung ist mit dem Durchflußmessergehäuse im Motorraum durch eine .10 Glasfiberleitung (5) verbunden (Fig, 31) =

23. Anwendung eines Duchflußmesser nach den Ansprüchen 1 bis. zur Messung der von einem Automobilmotor angesaugten Luft, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale?

- ein Signalverarbeitungsbaustein (25) verarbeitet die detektierten Wirbelsignale und

- ein Gehäuse (134), in dem die Signalverarbeitungsschaltung (2^) untergebracht ist, kommuniziert auf einer Seite mit einer Luftansaugleitung über ein Rohr auf der in Strömungsrichtung hinter einer Drosselklappe liegenden Seite, wobei die andere Seite des Gehäuses (134) mit der Athraosphäre in Verbindung ist, und wodurch aufgrund des negativen Drucks auf dieser Seite der Drosselklappe Luft von der Athmosphäre durch das Gehäuse zur Kühlung der elektrischen Bauelemente der Signalverarbeitungsschaltung (25) geleitet ist (Fig» 33)

24» Anwendung eines Durchflußmessers nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß - die Luft zur Kühlung der elektrischen Bauelea-ente der

Signalverarbeitungsschaltung (25) durch ein Einlaßrohr in -. das Gehäuse (134) eingefügt wird, welches in Strömungsrich- • tung hinter dem Wirbelgenerator und vor der Drosselklappe

angeordnet ist (Fig. 33)ο
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