DE3714344C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Karmanwirbel-Strömungsmesser zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides durch Ermittlung der Frequenz von Karmanwirbelzügen, die abwärts eines säulenförmigen Körpers, der in der zu messenden Fluidströmung angeordnet ist, in rechten Winkeln zur Strömung in regelmäßiger Weise erzeugt werden, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Karmanwirbel-Strömungsmesser der vorgenannten Art ist schematisch in Fig. 1 bis 3 dargestellt und beispielsweise in der JP-OS 1 84 512/1983 beschrieben. Der Strömungsmesser enthält zwei säulenförmige, wirbelerzeugende Körper 2 in einer Rohrleitung 1 und einen zugeordneten Wirbeldetektor 4. Der Wirbeldetektor 4 besteht im wesentlichen aus einem oberen Gehäuse 21, einem unteren Gehäuse 22 und einem Schwingungskörper 24. Die säulenförmigen Körper 2 bestehen aus einem stromaufwärtigen Säulenkörper 5, dessen Querschnitt im wesentlichen einem gleichschenkligen Dreieck entspricht, und einem stromabwärtigen Säulenkörper 6, dessen Querschnitt im wesentlichen einem gleichschenkeligen Trapezoid entspricht, wie Fig. 2 zeigt. Das heißt, die schräg verlaufenden Seiten des Trapezoids verlaufen unter gleichen Winkeln zur Grundlinie des Trapezoids. Diese Körper befinden sich in einer Fluidströmung und erstrecken sich im rechten Winkel dazu. Die Druckschwankungen von Karmanwinkel 23, die um beide Seiten der Säulenkörper 5 und 6 erzeugt werden, werden durch offene Zwischenräume 3 A und 3 B zu dem Wirbeldetektor 4 übertragen. Der stromaufwärtige Säulenkörper 5 hat eine Breite oder Grundseitenlänge d ₁, die gleich der Breite oder Grundseitenlänge d ₂ des stromabwärtigen Säulenkörpers 6 ist. Die beiden Säulenkörper haben voneinander einen vorbestimmten Abstand, der in Fig. 2 mit a dargestellt ist und erstrecken sich unter rechten Winkeln zur Strömungsrichtung in der Rohrleitung 1. Der Säulenkörper 2 bildet einen Strömungsmesser, der in der Lage ist, Ergebnisse guter Linearität über einen breiten Meßbereich zu liefern, ohne dabei einen wesentlichen Druckverlust im Fluid hervorzurufen.

Der Strömungsmesser nach den Fig. 1 und 2 wirft jedoch ein ernstes Problem auf, das nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert werden soll. Dieses Problem tritt in einem Übergangszustand auf, während welchem eine Fluidströmung eine plötzliche Änderung erfährt. Es ist durch optische Beobachtung ermittelt worden, daß kleine Wirbel 23 A, die eine höhere Frequenz aufweisen, an den Längskanten des stromaufwärtigen Säulenkörpers 5 zusätzlich zu den Karmanwirbeln 23 erzeugt werden, die normalerweise um den stromabwärtigen Säulenkörper 6 erzeugt werden. Aufgrund ihrer hohen Frequenz wachsen die Wirbel 23 A schneller an, als die Karmanwirbel 23, speziell wenn das Fluid aufgrund von Pulsation einen sehr nett variierenden Strömungsgeschwindigkeitsbereich aufweist. Es besteht daher eine beachtliche Wahrscheinlichkeit, daß die Wirbel 23 A die Karmanwirbel 23 stören, was es schwierig macht, die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides genau zu messen.

Angesichts dieser Umstände liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Karmanwirbel-Strömungsmesser anzugeben, der die Nachteile der bekannten Vorrichtung vorgenannter Art überwindet und die Stabilität von Karmanwirbeln auch in Übergangszuständen der Geschwindigkeit der Fluidströmung beispielsweise aufgrund einer Pulsation sicherstellt, darüber hinaus einen einfachen Aufbau und eine einfache Herstellung zuläßt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines konventionellen Karmanwirbel-Strömungsmessers;

Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung der Säulenkörper in dem Strömungsmesser nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 2, die die um die Säulenkörper erzeugten Wirbel zeigt;

Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Strömungsmessers nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 4, die um die Säulenkörper erzeugten Wirbel zeigend;

Fig. 6(A) und 6(B) grapische Darstellungen der in einer pulsierenden Strömung von den Säulenkörpern nach Fig. 5 erzeugten Karmanwirbel;

Fig. 7 eine schematische Darstellung im Querschnitt eines Strömungsmessers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Strömungsmessers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Strömungsmessers nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Pulsationsrate in bezug auf den Winkel zwischen den Schrägflächen im stromabwärtigen Säulenkörper im Strömungsmesser nach Fig. 9;

Fig. 11 eine graphische Darstellung, die die Pulsationsrate erklärt;

Fig. 12 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids und der Strouhal-Zahl, wie man ihn erhält, wenn die stromabwärtigen Säulenkörper unterschiedliche Winkel zwischen ihren Schrägflächen haben;

Fig. 13 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides und der Strouhal-Zahl, wie man ihn erhält, wenn die stromabwärtigen Säulenkörper einen eingeschlossenen Winkel von 60° zwischen ihren Schrägflächen, jedoch unterschiedliche Trapezoidhöhen haben;

Fig. 14 eine graphische Darstellung der minimalen Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides, bei der Wirbel ermittelt werden können, in bezug auf die Distanz zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Säulenkörpern, und

Fig. 15 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides und der Strouhal-Zahl, wie man ihn erhält, wenn die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Säulenkörper unterschiedliche Distanzen zueinander aufweisen.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf mehrere in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsformen näher erläutert. Zunächst sei auf Fig. 4 Bezug genommen. Der in dieser Figur dargestellte Strömungsmesser enthält eine Säulenkörperanordnung 7, bestehend aus einem stromaufwärtigen Säulenkörper 8 und einem stromabwärtigen Säulenkörper 9. Der stromaufwärtige Säulenkörper 8 hat einen Querschnitt, der im wesentlichen einem gleichschenkligen Dreieck entspricht. Er hat eine Grundfläche 10 mit zwei abgerundeten längslaufenden Rändern R. Der stromabwärtige Säulenkörper 9 hat einen Querschnitt, der im wesentlichen einem symmetrischen Trapezoid entspricht, d. h. dessen Schrägflächen unter gleichen Winkeln zur Grundfläche verlaufen. Der stromabwärtige Säulenkörper hat eine Grundfläche 11, die von der Grundfläche 10 des stromaufwärtigen Säulenkörpers 8 einen Parallelabstand der Größe a und eine Breite d ₂ hat, die gleich der Breite d ₁ der Grundfläche 10 des stromaufwärtigen Säulenkörpers 8 ist. Die Säulenkörper 8 und 9 liegen in einer Fluidströmung im rechten Winkel zu dieser. Sie bilden Karmanwirbel 23 aus, wie in Fig. 5 dargstellt ist, erzeugen jedoch keine der kleinen Wirbel 23 A, die in Fig. 3 dargestellt sind.

Die Fig. 6(A) und 6(B) zeigen die Eigenschaften der Karmanwirbel, die in einer pulsierenden Strömung erzeugt werden. In den Fig. 6(A) und 6(B) ist V die Geschwindigkeit eines Fluides, das mit einer Amplitude Δ V ₁ oder Δ V ₂ pulsiert, Δ Pa ist der Druck des Fluides, der durch die Karmanwirbel hervorgerufen wird, die um die Säulenkörperanordnung 7 nach dieser Erfindung gemäß Fig. 4 erzeugt werden, und Δ Pb ist der Druck, der durch die von dem bekannten Säulenkörper 2 nach Fig. 2 erzeugten Wirbel hervorgerufen wird. Fig. 6(A) zeigt die Drücke Δ Pa und Δ Pb, die von der Pulsation des Fluides mit der Amplitude Δ V ₁ resultieren, und Fig. 6(B) zeigt die Drücke Δ Pa und Δ Pb, die aus der Pulsation des Fluides mit einer Amplitude Δ V ₂, die größer als Δ V ₁ ist, resultieren. In Fig. 6(A) variieren die Drücke Δ Pa und Δ Pb in geeigneter Weise in Übereinstimmung mit der Pulsationsamplitude Δ V ₁ des Fluides. In Fig. 6(B) variiert jedoch der Druck Δ Pb nicht mit der größeren Amplitude Δ V ₂, wie durch einen Kreis im Wellenzug angeordnet ist, während der Druck Δ Pa noch immer der Amplitude Δ V ₂ genau folgt. Diese Ergebnisse sind experimentell erhalten worden. Fig. 6(B) bestätigt, daß die Säulenkörperanordnung 7 nach dieser Erfindung die stabile Erzeugung von Karmanwirbeln selbst dann erlaubt, wenn ein Fluid mit gesteigerter Amplitude pulsiert.

Eine weitere Vorrichtung, die die Erfindung verkörpert, ist in Fig. 7 dargestellt. Sie enthält eine Säulenkörperanordnung 12, bestehend aus einem stromaufwärtigen Säulenkörper 13 und einem stromabwärtigen Säulenkörper 9, der im Aufbau identisch jenem nach Fig. 4 ist. Der stromaufwärtige Säulenkörper 13 hat zwei schmale Querseiten b, die in rechten Winkeln zur Grundfläche 14 und parallel zur Strömung des Fluides verlaufen, und abgerundete Kanten R, die jeweils zwischen einer schmalen Querseite b und einer der schräglaufenden Dreiecksflächen ausgebildet ist, die sich an einer Spitze c treffen. Die schmalen Seitenflächen b stellen zusammen mit einer geeigneten Breite d ₁ der Grundfläche 14 sicher, daß Karmanwirbel 23 stabil ohne Rücksicht auf irgendeinen Übergangszustand in der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides beispielsweise aufgrund Pulsation erzeugt werden.

Eine weitere Vorrichtung, die die Erfindung verkörpert, ist in Fig. 8 dargestellt. Diese ist eine modifizierte Ausführungsform von Fig. 7. Sie enthält eine Säulenkörperanordnung 18 aus einem stromaufwärtigen Säulenkörper 19 und einem stromabwärtigen Säulenkörper 9, der im Aufbau identisch jenem nach Fig. 7 ist. Der stromaufwärtige Säulenkörper 19 hat zwei schmale Seitenflächen b ₁, die parallel zur Strömung des Fluides verlaufen und an der Verbindungskante zur Grundfläche 20 verrundet sind, wie mit R dargestellt ist. Die schmalen Seitenflächen b ₁ stellen zusammen mit einer geeigneten Breite d ₁ der Grundfläche 20 eine stabile Erzeugung von Karmanwirbeln 23 sicher.

Es wird nun auf Fig. 9 Bezug genommen, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel ist im Aufbau im wesentlichen gleich den Ausführungsformen, die bereits erläutert worden sind. Sie enthält eine Säulenkörperanordnung 40, bestehend aus einem stromaufwärtigen Säulenkörper 41 mit einem im wesentlichen gleichschenklig dreieckigen Querschnitt und einem stromabwärtigen Säulenkörper 43 von im wesentlichen symmetrisch trapezoiden Querschnitt. Die Grundflächen 42 und 44 der Säulenkörper 41 und 43 haben im wesentlichen gleiche Breiten d ₁ und d ₂ und weisen zueinander einen Abstand a auf, verlaufen parallel zueinander und in rechten Winkeln zur Strömung des Fluides.

Der stromabwärtige Säulenkörper 43 hat zwei schräg verlaufende Flächen, die einen Scheitelwinkel β von etwa 60° zwischen sich einschließen. Es hat sich aufgrund optischer Beobachtungen herausgestellt, daß, wenn ein Fluid mit niedriger Geschwindigkeit strömt, die Gestalt der erzeugten Wirbel und ihre Wechselwirkung von Winkel β zwischen den Schrägflächen des stromabwärtigen Säulenkörpers abhängen. Es wurde daher untersucht, bei welcher Pulsationsrate des Fluides in bezug auf den Winkel β Wirbel in zufriedenstellender Weise erzeugt werden. Die Ergebnisse sind in Fig. 10 dargestellt. Aus dieser geht hervor, daß man die besten Ergebnisse bei einem Scheitelwinkel von etwa 60° erzielt. Die Pulsationsrate basiert auf dem Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit V des Fluides und der Amplitude Δ V seiner Pulsation, wie in Fig. 11 gezeigt, und wird ausgedrückt als ( Δ V/2 ) × 100 (%), wobei die Durchschnittsgeschwindigkeit des Fluides ist.

Es ist bislang angenommen worden, daß die Geschwindigkeit eines Fluides und die Frequenz der Wirbel, die darin erzeugt werden, ein gegenseitiges Verhältnis hoher Linearität über einen breiten Geschwindigkeitsbereich aufweisen, wenn der Winkel b eine Größe von 40° nicht überschreitet. Es ist jedoch gefunden worden, daß die Linearität dieses Verhältnisses weniger leicht durch den Winkel β beeinflußt wird und im wesentlichen auf der gleichen Größe gehalten werden kann, wie in Fig. 12 gezeigt, ohne nachteiligen Einfluß auf andere Eigenschaften zu haben, wenn entweder der Winkel β die Größe von 80° nicht überschreitet oder wenn die Rohrleitung einen in geeigneter Weise gedrosselten Einlaß hat. Die Strouhal-Zahl St, die in Fig. 12 gezeigt ist, wird ausgedrückt als Wirbelfrequenz x typische Wirbellänge/Fluidgeschwindigkeit.

Abgesehen vom Optimalwinkel β von etwa 60° wurde folgendes experimentell ermittelt:

• 1. Es ist möglich, Wirbel höchster Stabilität zu erzeugen und sie mit einem hohen Nutz/Stör-Verhältnis zu ermitteln, wenn die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Säulenkörper im wesentichen die gleiche typische Grundseitenbreite haben (d ₁ = d ₂ = d).
• 2. Es ist möglich, stabile Wirbel zu erzeugen, ohne irgendeinen wesentlichen Druckverlust im Fluid hervorzurufen, wenn die schräg verlaufenden Flächen des stromaufwärtigen Säulenkörpers einen Scheitelwinkel α haben, der nicht kleiner als 90° und nicht größer als 120° ist.
• 3. Wenn der stromabwärtige Säulenkörper eine Trapezoidhöhe h hat, die gleich oder kleiner als die Hälfte der Grundseitenbreite d ist, dann ist es möglich, stabile Wirbel zu erzeugen und ein gutes Linearitätsverhältnis zu erzielen, selbst wenn das Fluid mit niedriger Geschwindigkeit strömt, wie in Fig. 13 gezeigt.
• 4. Es ist möglich, einen breiten Meßbereich und Ergebnisse guter Linearität zu erzielen, wenn die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Säulenkörper einen gegenseitigen Abstand a von 0,2 d bis 0,3 d aufweisen, wie aus den Fig. 14 und 15 hervorgeht.

Die verschiedenen Ausführungsformen dieser Erfindung, die oben beschrieben worden sind, weisen eine Vielzahl von Vorteilen auf. Die abgerundeten Ränder oder Kanten am stromaufwärtigen Säulenkörper ermöglichen die stabile Erzeugung von Karmanwirbeln, selbst wenn das Fluid beispielsweise aufgrund von Pulsation seine Strömungsgeschwindigkeit ändert. Der stromabwärtige Säulenkörper mit einem Scheitelwinkel von etwa 60° zwischen den schräg verlaufenden Flächen trägt zur Realisierung eines Karmwirbel-Strömungsmessers bei, der einfachen Aufbau hat und dabei stabile Karmanwirbel erzeugen kann, selbst wenn das zu messende Fluid seine Strömungsgeschwindigkeit beispielsweise aufgrund von Pulsation ändert.

Claims (4)

1. Karmanwirbel-Strömungsmesser zur Messung der Strömungsrate eines Fluides durch Ermittlung der Frequenz von Karmanwirbelzügen, enthaltend:
eine Rohrleitung (1) zum Führen der Strömung des zu messenden Fluides darin;
eine Wirbelerzeugungseinrichtung (7, 12, 18, 40) in der Rohrleitung (1) zur Erzeugung von Karmanwirbeln um beide Seiten derselben;
einen Wirbeldetektor (4) zur Ermittlung der Frequenz von um die Wirbelerzeugungseinrichtung (7, 12, 18, 40) erzeugten Karmanwirbeln, wobei
die Wirbelerzeugungseinrichtung (7, 12, 18, 40) einen stromaufwärtigen Säulenkörper (8, 13, 19, 41) von gleichschenklig dreieckigem Querschnitt und einen stromabwärtigen Säulenkörper (9, 43) von symmetrisch trapezoidem Querschnitt aufweist, der stromabwärtige Säulenkörper (9, 43) eine Grundfläche (11, 44) aufweist, die die gleiche Breite (d ₂) wie die Grundfläche (10, 14, 20, 42) des stromaufwärtigen Säulenkörpers (8, 13, 19, 41) aufweist, wobei die Grundflächen von stromaufwärtigem und stromabwärtigem Säulenkörper in einem vorbestimmten Abstand (a) parallel zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß der stromaufwärtige Säulenkörper abgerundete Seitenkanten (R) längs der Grundfläche (10, 14, 20, 42) desselben aufweist.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, bei dem der stromaufwärtige Säulenkörper (13) zwei schmale Seitenflächen (b) aufweist, die längs der Grundfläche (14, 20) parallel zur Strömung des Fluides verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei schmalen Seitenflächen (b) jeweils eine Kante aufweisen, die einen der abgerundeten Ränder (R) bilden.

3. Karmanwirbel-Strömungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Schrägflächen des stromabwärtigen Säulenkörpers (43) einen Scheitelwinkel β von etwa 60° zwischen sich bilden.

4. Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei schräg verlaufenden Flächen des stromaufwärtigen Säulenkörpers (41) einen Winkel von 90° bis 120° zwischen sich einschließen und der stromabwärtige Säulenkörper (43) eine Höhe aufweist, die maximal der Hälfte der Breite (d ₂) der Grundfläche (44) desselben entspricht, wobei der vorbestimmte Abstand (a) zwischen den beiden Säulenkörpern (41, 43) das 0,2- bis 0,3fache der Breite (d ₁, d ₂) der genannten Grundflächen der Säulenkörper (41, 43) entspricht.