DE4036869A1

DE4036869A1 - Karman vortex counter having non-metallic bluff body with protective coating - pref. of plastics or ceramic and integrated vortex frequency detector

Info

Publication number: DE4036869A1
Application number: DE4036869A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: MEISTER ERNST 7896 WUTOESCHINGEN DE
Current assignee: MEISTER ERNST 7896 WUTOESCHINGEN DE
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1990-11-19
Publication date: 1992-05-21

Abstract

Bluff body (2) for a vortex counter (1) is made mainly from nonmetallic materials. The novel features are as follows. The tube body and bluff body have continuous protective coating(s) impermeable to gases and liquids. The vortex frequency detector (4) is a homogeneous pt. of the bluff body or is made an integral pt. of this by injecting, fusing, pressing or sintering it in place. The bluff body core is provided with steel plate, glass fibre or C fibre inserts (3) parallel to the direction of the flow to protect the vortex frequency detector if the elastic modulus of the bluff body is less than that of the detector. The cladding layer pref. consists of PVDF, PFA, PTFE, PFE, `Kapton' (RTM), PE, hard rubber, nylon, ABS or `Makrolon' (RTM). A polarised piezo-film, e.g. of PVDF, is used as vortex frequency detector and the core of the bluff body is stiffened with steel plate or glass fibre insert(s). The bluff body and tube body pref. consists of thermoplastics or plastics suitable for injection or compression moulding and the detector is a piezo-element. In particular, the tube body consists of metal or glass fibre-reinforced PVDF. PVC, PFE, PTFE, PE, PP,ABS or nylon and the bluff body core of glass or C fibre-reinforced PVDF, PVC, PTFE, PE, PP, ABS or nylon. The reinforcing plate in the bluff body is fixed firmly to the metallic tube body. A receiver for the computing electronics is attached to the plastics tube body by injection or fusion. Alternatively, the tube body and bluff body consist of ceramic material and the detector of a piezo-ceramic layer under the ceramic top coating on the bluff body and tube body. The walls of the ceramic tube body are provided with 2 through-contacts, to transfer the potential from the piezo-ceramic layer to the outside of the tube body, by doping with metal powder, pref. Pt. USE/ADVANTAGE - This construction eliminates the need to seal the housing (tube) and receiver from the measuring chamber, eliminating dead space. (Dwg. 1/1)

Description

Die Erfindung betrifft Wirbelzähler, kurz WZ, auch Wirbeldurchflußmesser genannt, die aus einem nichtmetallischen Werkstoff aus einem Stück gefertigt sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik, sind weder Dichtungen notwendig um den Wirbelfrequenzaufnehmer und/oder den Prallkörper vom Meßraum abzudichten, noch weist der vom zu messenden Medium durchflossene Teil des WZ (Meßraum) Toträume auf, d. h. der WZ ist sterilisierbar. Des weiteren wird dem Fachmann ein Weg aufgezeigt, zu verhindern, daß eventueller Körperschall, der durch das Rohrleitungssystem übertragen wird, in das der WZ eingebaut ist, die Messung beeinträchtigt.The invention relates to vortex counters, or WZ for short, also to vortex flow meters called that from a non-metallic Material are made from one piece. In contrast to the state of the art, neither seals are necessary around the vortex frequency sensor and / or the impact body to seal from the measuring room, nor does it assign from part of the tool through which the medium flows (measuring room) Dead spaces, d. H. the tool can be sterilized. Furthermore, a way is pointed out to the person skilled in the art prevent any structure-borne noise caused by the Piping system is transferred, in which the tool is installed the measurement is impaired.

Die dem Stand der Technik entsprechenden WZ bestehen zumindest aus zwei Teilen, dem Gehäuse sowie dem Aufnehmer, der im Einzelfall auch Bestandteil des Prallkörpers (auch BLUFFBODY genannt) sein kann. Diese Teile müssen gegen den Meßraum und meist auch gegen die Umgebung mittels Dichtungen abgedichtet werden. - Siehe dazu: EP 03 27 103, EP 01 83 340 Fig. 3, EP 00 68 920, DE 28 27 985. Bei einem erfindungsgemäßen WZ sind solche Dichtungen nicht notwendig, da zumindest eine aus einem Stück bestehende Auskleidung die Dichtigkeit des WZ gewährleistet, oder der WZ im Spritzgußverfahren aus einem Stück hergestellt wird. Das bedeutet, es gibt keine Toträume, Fig. 1 zeigt einen WZ aus einem spritzbaren Kunststoffmaterial 1, wobei der Prallkörper 2 mittels eines geeigneten Armierungsmaterials z. Bsp. mittels Stahlblechen oder Aramidfasern 3 parallel zur Strömungsrichtung versteift ist. Diese Maßnahme ergibt eine hohe Steifigkeit in Strömungsrichtung, so daß der Meßwertaufnehmer nicht durch Wasserschlag oder durch Druckstöße, Druckwellen oder durch im Meßstoff enthaltene Fremdkörper zerstört werden kann. Andererseits ist nur eine geringe Steifigkeit senkrecht zur Rohrachse gegeben, so daß die durch die Wirbelablösung verursachten Druckschwankungen sicher detektiert werden können. Als Detektor dient in der Regel ein Kraftdetektor, wie z. Bsp. ein DMS-Streifen, ein piezoelektrischer Aufnehmer (Bimorph- Streifen) 3, der im Prallkörper mit eingespritzt, eingepreßt, eingeschmolzen oder eingegossen wird. Dieses rationelle Herstellungsverfahren gestattet die preisgünstige Herstellung von Wirbelzählern ohne Dichtungselemente. Stellt man den Prallkörper des WZ aus einem armierten Kunststoff wie z. Bsp. glasfaserverstärktem Nylon, PVC, PPE, PE, PFE, PTFE, PP her, und wählt für den Prallkörper eine N-eckige Querschnittsform, wobei N<=5, so erhält man einen WZ, dessen Prallkörper nur geringen Abrieb durch die Strömungskräfte (Schub-, Scherspannungen, Kavitation) erfährt. Die der Strömung zugewandte Seite des Prallkörpers kann dabei auch konkav ausgeführt werden. Bekanntermaßen leiten Kunststoffe Körperschall nur sehr schlecht. Da der Prallkörper des WZ vorteilhafterweise aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt wird, wird die ohnehin schon beträchtliche Dämpfung des Körperschalls weiter verstärkt, so daß bei einem erfindungsgemäß ausgeführten WZ das Meßergebnis nicht mehr durch Körperschall beeinträchtigt wird. Ebenso ist ein erfindungsgemäßer WZ unempfindlicher gegen Beschleunigungskräfte, da die Masse eines Kunststoffprallkörpers bei gleicher Größe nur ca. 20% der eines Prallkörpers aus Metall beträgt.The state-of-the-art tools consist of at least two parts, the housing and the transducer, which in individual cases can also be part of the impact body (also called BLUFFBODY). These parts must be sealed against the measuring room and mostly also against the environment by means of seals. - See: EP 03 27 103, EP 01 83 340 Fig. 3, EP 00 68 920, DE 28 27 985. Such seals are not necessary in a tool according to the invention, since at least one piece of lining ensures the tightness of the tool , or the WZ is injection molded from one piece. This means that there are no dead spaces. FIG. 1 shows a tool made of a sprayable plastic material 1 , the impact body 2 using a suitable reinforcing material, e.g. For example, is stiffened by means of steel sheets or aramid fibers 3 parallel to the direction of flow. This measure results in a high degree of rigidity in the direction of flow, so that the sensor cannot be destroyed by water hammer or by pressure surges, pressure waves or by foreign bodies contained in the medium. On the other hand, there is only a slight stiffness perpendicular to the tube axis, so that the pressure fluctuations caused by the vortex shedding can be reliably detected. As a rule, a force detector, such as. For example, a strain gauge strip, a piezoelectric transducer (bimorph strip) 3 , which is also injected, pressed, melted or poured into the impact body. This rational manufacturing process allows the inexpensive manufacture of vortex counters without sealing elements. If you place the impact body of the tool made of a reinforced plastic such. For example, glass fiber reinforced nylon, PVC, PPE, PE, PFE, PTFE, PP, and choose an N-shaped cross-sectional shape for the impact body, where N <= 5, we get a tool whose impact body has only low abrasion due to the flow forces ( Shear stresses, shear stresses, cavitation). The side of the impact body facing the flow can also be made concave. It is known that plastics conduct structure-borne noise only very poorly. Since the impact body of the tool is advantageously made of fiber-reinforced plastic, the already considerable damping of the structure-borne noise is further increased, so that the measurement result is no longer impaired by structure-borne noise in a tool designed according to the invention. Likewise, a tool according to the invention is less sensitive to acceleration forces, since the mass of a plastic impact body with the same size is only approximately 20% of that of a metal impact body.

Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung des WZ ist der Prallkörperkern mittels Metallstreifen in Strömungsrichtung versteift, wobei vorzugsweise PVDF als Kunststoffmaterial für den Prallkörperkern Verwendung findet. Das Meßrohr (Gehäuse) ist dabei vorzugsweise aus Metall, kann jedoch auch aus Kunststoff (PVDE, PFE, PTFE vorzugsweise faserarmiert) hergestellt werden. Auf den Prallkörperkern wird eine polarisierte, metallbedampfte Piezofolie, (z. Bsp. aus PVDF) aufgebracht, an der Ableitdrähte angebracht sind. Prallkörperkern und Meßrohr wiederum sind von einer Auskleidungsschicht, vorzugsweise PVDF, überzogen. In another embodiment of the tool according to the invention is the impact body core using metal strips in the direction of flow stiffened, preferably as PVDF Plastic material for the impact body core use finds. The measuring tube (housing) is preferred made of metal, but can also be made of plastic (PVDE, PFE, PTFE preferably fiber-reinforced). On the impact body core is a polarized, metallized Piezo film (e.g. made of PVDF) applied to the Leakage wires are attached. Impact body core and measuring tube in turn are of a lining layer, preferably PVDF, coated.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen WZ besteht darin, den Rohrkörper und den Prallkörper aus einem keramischen Material herzustellen. Der Rohrkörper und der Prallkörperkern bestehen aus einem Stück (sind zusammen gefrittet). Der Prallkörperkern wird mittels einer aufgebrachten Metallschicht leitfähig gemacht, und die Keramikwand des Rohrkörpers an geeigneter Stelle durch Dotierung mit Metallpulver elektrisch leitfähig gemacht (durchkontaktiert). Auf den metallisierten Prallkörperkern wird eine Piezokeramikschicht aufgebracht, auf die wiederum eine Metallschicht aufgebracht ist. Abermals wird an geeigneter Stelle die Rohrwand durchkontaktiert, um das Potential der Piezokeramik zur Rohraußenseite ableiten zu können. Abschließend wird auf den Prallkörperkern und den Rohrkörper die Deckkeramikschicht aufgebracht. Nach erfolgtem Brand der Keramikmasse wird die Piezokeramikschicht durch erhitzen und anlegen einer Hochspannung polarisiert, und kann als Wirbelfrequenzdetektor dienen. Verwendet man als Piezokeramikmaterial z. Bsp. PbTiO₃ Keramik, kann ein solcher WZ auch bei Temperaturen bis 570 K eingesetzt werden. Zur Erhöhung der Druckfestigkeit des WZ (Keramiken weisen bei höheren Temperaturen nur eine geringe Zugfestigkeit auf) kann der Keramikrohrkörper durch ein metallisches Stützrohr verstärkt werden.Another advantageous embodiment of an inventive The tool consists of the tubular body and the To produce impact bodies from a ceramic material. The tubular body and the impact body core consist of one piece (are fried together). The impact core becomes conductive by means of an applied metal layer made, and the ceramic wall of the tubular body at more appropriate Place electrically by doping with metal powder made conductive (plated through). On the metallized A piezoceramic layer is applied to the impact body core, on which in turn a metal layer is applied. The pipe wall is again contacted at a suitable point, the potential of the piezoceramic to the outside of the tube to be able to derive. Finally, the The impact core and the tubular body cover ceramic layer upset. After the ceramic mass has fired, the Piezoceramic layer by heating and applying a high voltage polarized, and can be used as a vortex frequency detector serve. If one uses as piezoceramic material z. Ex. PbTiO₃ Ceramic, such a tool can also be used at temperatures up to 570 K. be used. To increase the pressure resistance of the WZ (ceramics only show at higher temperatures the ceramic tube body can have a low tensile strength be reinforced by a metallic support tube.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung beinhaltet eine hohle metallische Verstärkung im Kern des Prallkörpers. Derartige hohle Metallverstärkungen in Keramikkörpern werden u. a. auch in der Zahnprothetik verwendet. Als Auswertelektronik für den WZ kann eine Elektronikschaltung gemäß EP 00 84 232, EP 00 84 233, DE 24 46 147 dienen. Zur Weiterverarbeitung der Meßwerte kann auch zusätzlich noch ein Single-Chip Mikroprozessor vorgesehen werden.Another advantageous embodiment includes a hollow metallic reinforcement in the core of the impact body. Such hollow metal reinforcements in ceramic bodies will u. a. also used in dentures. An electronic circuit can be used as evaluation electronics for the tool according to EP 00 84 232, EP 00 84 233, DE 24 46 147. For further processing of the measured values, it is also possible a single-chip microprocessor can be provided.

Claims

1. Wirbelzähler dessen Prallkörper aus vorwiegend nichtmetallischen Werkstoffen hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Rohrkörper und der Prallkörper des Wirbelzählers zumindest mit einer ununterbrochenen gas- und flüssigkeitsdichten Schutzschicht überzogen sind, und
b) der Wirbelfrequenzdetektor homogener Bestandteil des Prallkörpers ist, oder aber der Wirbelfrequenzdetektor durch einspritzen, einschmelzen, einpressen oder einsintern zu einem integralen Bestandteil des Prallkörpers wird, wobei der Prallkörperkern zum Schutz des Wirbelfrequenzdetektors mittels Stahlblecheinlagen oder Glasfaser- oder Kohlefasereinlagen parallel zur Durchflußrichtung versehen ist, falls das Elastizitätsmodul des Prallkörpers kleiner als das Elastizitätsmodul des Wirbelfrequenzdetektors ist.

1. vortex meter whose impact body is made of predominantly non-metallic materials, characterized in that

a) the tubular body and the impact body of the vortex meter are at least covered with an uninterrupted gas and liquid-tight protective layer, and
b) the vortex frequency detector is a homogeneous component of the impact body, or else the vortex frequency detector becomes an integral part of the impact body by injecting, melting, pressing in or sintering in, the impact body core being provided to protect the vortex frequency detector by means of sheet steel inserts or glass fiber or carbon fiber inserts parallel to the flow direction, if the modulus of elasticity of the impact body is smaller than the modulus of elasticity of the vortex frequency detector.

2. Wirbelzähler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidungsschicht aus PVDF, PFA, PTFE, PFE, Kapton, PE, Hartgummi, Nylon, ABS oder Makrolon ist, als Wirbelfrequenzdetektor eine polarisierte Piezofolie z. Bsp. aus PVDF dient, und daß der Prallkörperkern mittels Stahlblech- oder Glasfasereinlage(n) versteift ist, welche parallel zur Durchflußrichtung angeordnet ist (sind).2. vortex counter according to claim 1, characterized in that that the lining layer made of PVDF, PFA, PTFE, PFE, Kapton, PE, hard rubber, nylon, ABS or Makrolon is a polarized as a vortex frequency detector Piezo film e.g. Example from PVDF, and that the Impact core with sheet steel or glass fiber insert (s) is stiffened, which is parallel to the flow direction is (are) arranged.

3. Wirbelzähler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Prallkörper und der Rohrkörper des Wirbelzählers aus einem spritzbaren, schmelzbaren oder verpreßbaren Kunststoff gefertigt sind,
b) der Prallkörper mittels einer Stahlblech- oder Glasfasergewebeeinlage in Durchflußrichtung verstärkt ist, und
c) als Wirbelfrequenzdetektor ein Piezoelement dient, das in den Prallkörper durch Einspritzen, Einschmelzen oder Einpressen integriert ist.

3. vortex meter according to claim 1, characterized in that

a) the impact body and the tubular body of the vortex meter are made of a sprayable, meltable or compressible plastic,
b) the impact body is reinforced in the flow direction by means of a sheet steel or glass fiber fabric insert, and
c) a piezo element is used as the vortex frequency detector, which is integrated into the impact body by injection, melting or pressing.

4. Wirbelzähler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Rohrkörper und der Prallkörper aus einem keramischen Material gefertigt sind, und
b) der Wirbelfrequenzdetektor aus einer Piezokeramikschicht besteht, welche unter der den Prallkörper und Rohrkörper überziehenden Keramikdeckschicht auf den Prallkörperkern, aufgebracht ist.

4. vortex counter according to claim 1, characterized in that

a) the tubular body and the impact body are made of a ceramic material, and
b) the vortex frequency detector consists of a piezoceramic layer which is applied to the impact body core under the ceramic cover layer covering the impact body and tubular body.

5. Wirbelzähler gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Rohrkörperkeramik durch Dotierung mit Metallpulver mit zwei Durchkontaktierungen versehen ist, um das Potential der Piezokeramikschicht zur Rohrkörperaußenseite abzuleiten.5. vortex counter according to claim 4, characterized in that the wall of the tubular body ceramic through Doping with metal powder with two vias is provided to the potential of the piezoceramic layer to the outside of the pipe body.

6. Wirbelzähler gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierung durch das Keramikmaterial des Rohrkörpers durch Dotierung der Rohrkörperkeramik mit Platin erfolgt.6. vortex counter according to claim 5, characterized in that the via through the ceramic material of the tubular body by doping the tubular body ceramic done with platinum.

7. Wirbelzähler gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrkörper des Wirbelzählers aus Metall oder aus glasfaserverstärktem PVDF, PVC, PFE, PTFE, PE, PP, ABS oder Nylon gefertigt ist, während für den Prallkörperkern glasfaser- oder kohlefaserverstärktes PVDF, PVC, PFE, PTFE, PE, PP, ABS oder Nylon Verwendung findet.7. vortex counter according to claim 2, characterized in that that the tubular body of the vortex counter Metal or glass fiber reinforced PVDF, PVC, PFE, PTFE, PE, PP, ABS or nylon is manufactured while for the impact body core glass fiber or carbon fiber reinforced PVDF, PVC, PFE, PTFE, PE, PP, ABS or nylon use finds.

8. Wirbelzähler gemäß Anspruch 2 und/oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die im Prallkörper enthaltenen Armierungsbleche fest mit dem metallischen Rohrkörper des Wirbelzählers verbunden sind.8. vortex counter according to claim 2 and / or claim 7, characterized in that the contained in the impact body Reinforcing sheets firmly with the metallic pipe body of the vortex counter are connected.

9. Wirbelzähler gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Kunststoffrohrkörper des Wirbelzählers eine Aufnahme für die Auswertelektronik angespritzt oder angeschmolzen ist.9. vortex counter according to claim 3, characterized in that on the plastic tube body of the vortex counter molded onto a receptacle for the evaluation electronics or melted.