DE69209738T2 - Fluidischer Oszillator und Verwendung in einem Durchflussmesser - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen fluidischen Oszillator, der das Messen von Durchflußmengen eines strömenden, flüssigen oder gasförmigen Fluides ermöglicht.
• Fluidische Oszillatoren sind insbesondere für die Volumenmessung von Fluiden interessant, beispielsweise Wasser und Gas, die Benutzern geliefert werden. Der größte Teil von gegenwärtig vorliegenden Durchflußmessern oder -zählern enthält sich bewegende mechanische Elemente. Dies ist insbesondere bei Durchflußmessern mit einer Turbine oder einer Membran der Fall. Im Vergleich dazu weisen fluidische Oszillatoren kein sich bewegendes Teil auf, welches mit der Zeit verschleißen könnte, und folglich erfordern diese Oszillatoren keine Rekalibrierung.
• Diese Oszillatoren können kleine Abmessungen und einen sehr einfachen Aufbau aufweisen. Somit ist ihre Zuverlässigkeit sehr gut. Zusätzlich liefern sie ein Frequenzsignal, das in einfacher Weise in ein numerisches Signal konvertiert werden kann. Dieses Merkmal ist insbesondere für die Fernablesung von Zählern vorteilhaft.
• Der Großteil der Anstrengungen zur Entwicklung dieser Durchflußmesser bezog sich auf Durchflußmesser mit Vortex-Effekt oder mit Coanda-Effekt.
• Das Funktionsprinzip der Durchflußmesser mit Vortex-Effekt basiert auf der gut bekannten Tatsache, daß die Präsenz eines Hindernisses in einer Leitung, in der Fluid strömt, zu einer periodischen Ablösung von Wirbeln führt. Das Meßprinzip besteht darin, die Ablösungsfrequenz der Wirbel zu erfassen, die bei einem Hindernis mit gegebener Geometrie proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist.
• Die Frequenz der Wirbel wird auf verschiedene Weisen gemessen, wodurch die mittlere Strömungsgeschwindigkeit und somit der Durchfluß erhalten werden kann. Die Durchflußmesser mit Vortex-Effekt sind im allgemeinen sehr empfindlich gegen Geräusche und gegen die stromaufwärtigen Fluidzustände. In der Praxis wird ein Strömungsgleichrichter verwendet, um ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil zu erhalten. Ein Durchflußmesser dieses Typs ist beispielsweise in dem US-Patent Nr. 3 589 185 beschrieben.
• Der Coanda-Effekt, der bei den Durchflußmessern gleichen Namens verwendet wird, besteht in der natürlichen Neigung eines Fluidstromes, den Konturen einer Wand zu folgen, wenn der Strom in der Nähe dieser Wand ausströmt, selbst wenn sich die Kontur dieser Wand von der Ausströmachse des Strahls entfernt. Ein fluidischer Oszillator dieses Typs enthält eine Kammer, in die der Fluidstrahl durch eine konvergente Düse einströmt In der Kammer sind symmetrisch bezüglich der Einströmachse des Strahls zwei Seitenwände angeordnet. Der vom Eingang des Oszillators abgegebene Strahl haftet aufgrund des Coanda-Effektes spontan an einer der Seitenwände an. Durch einen Seitenkanal in der Wand, an welcher der Strahl anhaftet, wird nun ein Teil des Durchflusses abgezweigt, wodurch bewirkt wird, daß sich der Strahl von dieser Wand löst und an der gegenüberliegenden Wand anhaftet. Das pHänomen wiederholt sich nun und führt zu einer permanenten Oszillation der eintretenden Strömung. Leider ist bei dieser Art von Vorrichtung der Meßbereich des Durchflusses relativ begrenzt, und die Nichtlinearität der Kalibrierungskurve ist sehr groß. Außerdem kann bei dieser Art von Vorrichtung die Oszillation unter bestimmten Bedingungen aufhören, die mit äußeren störungen zusammenhängen, was zu einem Signalverlust führt. Um den möglichen Meßbereich zu erhöhen, haben Okadayashi et al in dem US-Patent Nr. 4 610 162 vorgeschlagen, zwei fluidische Osizillatoren zu kombinieren, von denen einer bei geringen Durchflüssen und der andere bei großen Durchflüssen arbeitet.
• Aufgrund der bei Durchflußmessern mit Vortex-Effekt und Coanda-Effekt auftretenden Nachteilen wurden Versuche unternommen, um andere Arten von fluidischen Oszillatoren zu entwickeln, die gemäß fundamental anderer Prinzipien arbeiten. Eine Anwendung dieser Durchflußmesser ist in den US-Patenten Nr. 4 184 636, Nr. 4 244 230 und Nr. 4 843 889 beschrieben.
• Beispielsweise ist in dem US-Patent Nr. 4 244 230 ein Durchflußmesser mit fluidischem Oszillator beschrieben, der in einem Kanal in dem Weg des Fluides angeordnet ist und von diesem einen Teil entnimmt. Der Oszillator weist zwei Organe auf, die Seite an Seite angeordnet sind und deren einander gegenüberliegende Wände eine Düse bilden. Ein Hindernis weist eine frontale Oszillationskammer auf, die gegenüber der Düse angeordnet ist. Die Kammer weist einen gemeinsamen Eingang und Ausgang auf. Der aus der Düse austretende Strahl dringt in die Kammer ein und trifft auf den Boden der Kammer auf.
• Der Strahl wird in der Kammer durch die Bildung von zwei Wirbeln auf der einen und der anderen Seite des Strahls in transversale Oszillation versetzt. Jeder Wirbel wird gegenphasig abwechselnd stark und schwach. Der Strahl tritt aus dem gemeinsamen Ausgang aus und wird in den Hauptstrom geleitet.
• Druckaufnehmer ermöglichen, die Oszillationsfrequenz des Strahls in der Kammer zu messen, die proportional zum Durchfluß ist.
• Die Leistungen dieser Art von Durchflußmesser sind im allgemeinen besser als die mit herkömmlichen fluidischen Durchflußmessern erzielten. Leider sind diese Leistungen jedoch noch nicht zufriedenstellend, insbesondere hinsichtlich der Empfindlichkeit und des Meßbereichs.
• Die vorliegende Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 beansprucht wird, hat zur Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen. Die Erfindung schlägt einen fluidischen Oszillator und einen einen solchen Oszillator enthaltenden Durchflußmesser vor, welche im Vergleich zu Durchflußmessern nach dem Stand der Technik verbesserte Leistungen haben.
• Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen fluidischen Oszillator, bei dem die Oszillation des Strahls selbst bei geringem Durchfluß aufrechterhalten werden kann. Dieser Oszillator enthält:
• - einen Fluideingang, der einen zweidimensionalen Strahl bilden kann,
• - ein Hindernis im Weg des Strahls, welches gegenüber dem Eingang einen Vorderabschnitt in der Form einer Kammer aufweist, wobei diese Kammer zwei bezüglich einer durch den Eingang laufenden Längssymmetrieebene symmetrische Wände aufweist, wobei die Wände in dieser Ebene ineinander übergehen,
• - Mittel, um abwechselnd den Druck an jeder der Seitenflanken des Hindernisses in der Nähe des Vorderabschnittes in Relation mit einer Oszillation des Strahls zwischen den Wänden der Kammer zu erhöhen.
• Vorteilhafterweise sind die Wände der Kammer geneigt, um im wesentlichen ein V zu bilden, dessen beide Schenkel sich erweiternd verlaufen.
• Gemäß einer besonderen Ausführungsform enthält der Oszillator eine Umhüllung, die zum einen am Fluideingang und zum anderen an einem Fluidausgang geöffnet ist, wobei das Hindernis in dieser Umhüllung angeordnet ist und wobei diese Umhüllung Wände aufweist, die zusammen mit den Außenwänden des Hindernisses Strömungsdurchgänge des Fluides bilden.
• Vorteilhafterweise enthalten die Mittel zum Erhöhen des Drucks an den Seitenflanken zwei symmetrische Hauptdurchgänge, die in den Wänden der Kammer ausgebildet sind, wobei jeder Durchgang bezüglich der Längsebene geneigt ist und einen Eingang im Inneren der Kammer und einen Ausgang an einer Seitenflanke des Hindernisses aufweist.
• Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung sind diese Durchgänge Schlitze.
• Die Durchgänge können einen kreisförmigen oder rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen.
• Bei einer besonderen Ausführungsform weisen die Durchgänge einen Querschnitt auf, der sich verengt und sich dann erweitert.
• Vorteilhafterweise durchbrechen die Durchgänge die Kammer an der Stelle des Anhaltepunktes des Strahls oder in der Nähe von diesem.
• Gemäß einer Ausführungsvariante enthält der Oszillator wenigstens zwei zusätzliche Fluiddurchgänge, die in dem Hindernis ausgebildet sind, wobei die zusätzlichen Durchgänge bezüglich der ersten Durchgänge stromabwärts liegen und zur Längssymmetrieeb.ene symmetrisch sind.
• Gemäß einer besonderen Ausführungsform sind wenigstens die Hauptdurchgänge gekrümmt.
• Die Erfindung betrifft auch einen Durchflußmesser mit einem solchen fluidischen Oszillator, wobei das Fluid zwischen den Wänden der Kammer mit einer für den Fluiddurchfluß charakteristischen Oszillationsfrequenz oszilliert, und der außerdem Mittel zur Messung der Oszillationsfrequenz aufweist.
• Die Mittel zur Messung der Oszillationsfrequenz weisen Mittel zur Messung von Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit in den in den Wänden der Kammer ausgebildeten Durchgängen auf.
• Die Merkmale der Erfindung ergeben sich besser durch das Lesen der nachfolgenden, beispielhaft und nicht einschränkend gegebenen Beschreibung, die sich auf die beigefügte Zeichnung bezieht. In dieser zeigen:
• - die Figuren 1A und 1B eine Ausführungsform eines Durchflußmessers mit einem fluidischen Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Figur 1A diesen Oszillator im Längsschnitt zeigt und die Figur 1B ein Querschnitt entlang der Linie AA aus Figur 1A ist;
• - Figur 2A schematisch eine Teilansicht eines Hindernisses, das mit einem Durchgang versehen ist, der gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung eine Venturi-Düse bildet;
• - Figur 2B schematisch eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen fluidischen Oszillators;
• - Figur 3 das Funktionsprinzip des fluidischen Oszillators;
• - Figur 4 die Frequenzänderungen des Strahls in Abhängigkeit von der Reynoldszahl mit und ohne Schlitze, wobei die Reynoldszahl von der Geschwindigkeit des Strahls und der Größe des Strahls abhängt;
• - Figur 5 das Verhältnis von Signal zu Geräusch in Abhängigkeit von der Reynoldszahl mit und ohne Schlitze;
• - Figur 6 den Druckverlust in Abhängigkeit von der Reynoldszahl mit und ohne Schlitze; und
• - Figur 7 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
• In den Figuren 1A und 1B ist schematisch ein Durchflußmesser dargestellt, der einen fluidischen Oszillator gemäß der Erfindung enthält, sowie einen Querschnitt durch diesen. Das Fluid, das flüssig oder gasförmig sein kann und dessen Durchfluß gemessen werden soll, ist durch die Pfeile F dargestellt.
• Wie in den Figuren 1A und 1B zu sehen ist, weist der Oszillator eine Längssymmetrieebene 2 auf.
• Das Fluid dringt in den Oszillator mittels einer kubischen Kammer 1 ein, deren Seitenlänge gleich der Höhe des Strahls ist und die von einem Eingang gefolgt wird, der die Form einer konvergierenden Düse 3 mit rechteckigem Querschnitt hat. Diese Kammer 1 bewirkt den Übergang zwischen einer axialsymmetrischen Strömung und der zweidimensionalen Strömung, die im Oszillator vorgesehen ist. Die Verwendung einer konvergierenden Düse 3 ermöglicht, die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides zu erhöhen.
• Zum Erzielen eines solchen Fluidstrahls können andere Mittel als eine konvergente Düse verwendet werden, beispielsweise ein Kanal mit kleinem Durchmesser und ausreichender Länge.
• Der Fluideingang mündet in einer Umhüllung E. Im Inneren der Umhüllung E ist ein Hindernis 16 mit bezüglich der Längssymmetrieebene 2 symmetrischer Form angeordnet. In dem Vorderabschnitt des Hindernisses 16 gegenüber dem Ausgang der Düse 3 ist eine konvergente Kammer 8 ausgebildet. Auf diese Weise führt der von der Düse gelieferte Fluidstrahl beim Eindringen in die konvergente Kammer 8 zu zwei bezüglich der Symmetrieebene 2 symmetrischen Wirbeln.
• Der gegenüber der Düse 3 angeordnete Vorderabschnitt des Hindernisses 16 hat die Form eines V, deren Schenkel (Wände 20 und 21 in Figur 1A) sich nach außen erweiternd verlaufen. Das Innere des V ist durch zwei Wände 22 und 23 gebildet, die bezüglich der Ebene 2 geneigt und symmetrisch sind. Diese beiden Wände 22 und 23 gehen in der Ebene 2 ineinander über, um einen Totraum 9 zu bilden. Die Wände 20 bis 23 haben mit Ausnahme des Abschnittes der Wände 22 und 23 in der Nähe der Symmetrieebene 2 eine konvexe Form, wobei diese Abschnitte der Wände 22 und 23 eine konkave Form haben. Die Wände des Hindernisses 16 sind jeweils von einem Fluiddurchgang 11 und 12 durchbrochen. Diese Durchgänge sind bezüglich der Ebene 2 symmetrisch angeordnet.
• Diese Durchgänge sind vorteilhafterweise Schlitze, so daß im Hindernis 16 zwei Inseln 6 und 7 gebildet sind. Die Durchgänge 11 und 12 können Kanäle sein und einen kreisförmigen oder rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben. In Figur 1A ist der Querschnitt der Durchgänge 11 und 12 gleichförmig.
• Der Querschnitt kann jedoch sich verengend verlaufen, um eine Beschleunigung des in diesen Durchgängen strömenden Fluides zu erhalten (Venturi-Effekt), und dann sich erweiternd, um einen zusätzlichen Druckverlust zu vermeiden. In Figur 2A ist schematisch eine Teilansicht eines Hindernisses 16 dargestellt, das mit einem Durchgang mit Venturi-Gestalt versehen ist.
• Das Fluid kann in dem Oszillator auch durch die Durchgänge 5, 15, 4 und 14 strömen, die zwischen den Wänden des Hindernisses 16 und den Wänden der Umhüllung E gebildet sind.
• In Figur 1B ist ein Querschnitt des fluidischen Oszillators entlang den Pfeilen AA dargestellt. Es ist zu sehen, daß der fluidische Oszillator in einem zur Symmetrieebene 2 senkrechten Querschnitt eine rechteckige Form hat. Bei dieser besonderen Ausführungsform beträgt die Höhe H des Oszillators ungefähr das Siebenfache der Breite des Eingangsrohres des Oszillators.
• Im Inneren der Schlitze 11 und 12 ermöglichen Aufnehmer 24 und 25, die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides in diesen Schlitzen zu messen.
• In Figur 3 ist die Funktionsweise des fluidischen Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Fluid, dessen Durchfluß gemessen werden soll, dringt in den Oszillator durch die konvergente Düse 3 ein. Diese Düse ist mittels einer kubischen Kammer, deren Seitenlänge gleich der Höhe des Oszillators ist, mit einem nicht dargestellten Kanal kreisförmigen Querschnitts verbunden, der stromaufwärts angebracht ist und durch den das Fluid strömt. Beim Durchqueren der Düse 3 wird das Fluid konzentriert, um einen Strahl 30 zu bilden. Ab einem Schwellenwert der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides im Strahl 30 oszilliert dieser Strahl mit einer bestimmten Oszillationsfrequenz zwischen den als P1 und P2 in Figur 3 dargestellten Stellungen.
• Die natürliche Instabilität dieses Strahls aufgrund dieser Oszillation liegt an der Asymmetrie des Strahls, die aufgrund der natürlichen Instabilität des Strahls üblicherweise unvermeidlich ist. Diese Asymmetrie kann betont werden, indem an der Wand der Düse 3 ein kleines Hindernis angeordnet wird. Dies ist jedoch im allgemeinen nicht notwendig.
• Die Frequenz der Oszillation des Strahls zwischen den beiden Stellungen P1 und P2 ist direkt proportional zu dem Durchfluß des den Oszillator durchquerenden Fluides. Der Proportionalitätskoeffizient wird einfach durch Eichung des Oszillators bestimmt.
• Wenn sich der Strahl in der Stellung P2 befindet, wie dies in Figur 3 dargestellt ist, bilden sich zwei Wirbel, von denen der eine Wirbel 31 konzentriert und stark ist und von denen der andere Wirbel 32 schwach ist. Die Schlitze 11 und 12 sind so angeordnet, daß sie dem Anhaltepunkt des Strahls entsprechen, also der Auftreffstelle des Strahls auf das Hindernis 16 bei einer maximalen Auslenkung des Strahls von der Symmetrieebene 2.
• Für die Stellung P2 wird ein Teil des Fluides durch den Schlitz 12 strömen und aus dem Ausgang 13 des Schlitzes austreten, um zum Durchgang 15 zu gelangen, wodurch der Druck im Bereich des Durchgangs 5 und am Ausgang 17 des Oszillators erhöht wird. Der Wirbel 32 führt zu einem Entweichen von Fluid zum Ausgang 17 sowohl durch die Durchgänge 4 und 14 als auch durch den Schlitz 11. Jedoch ist, wenn sich der Strahl in der Stellung P2 befindet, die durch den Schlitz 11 strömende Fluidmenge gering im Vergleich zu der zum Schlitz 12 strömenden Fluidmenge.
• Der Strahl wird aus zwei Gründen zwischen den beiden Stellungen P1 und P2 oszillieren.
• Zum einen ist es gut bekannt, daß die Bahn eines freien Strahls instabil ist, da ein Strahl bei Betrachtung im Querschnitt niemals homogen, sondern unsymmetrisch ist. Wenn der Strahl auf ein Hindernis wie das Hindernis 16 trifft, oszilliert er zwischen zwei Endstellungen, wobei die Oszillationsfrequenz direkt proportional zum Durchfluß ist. Diese Oszillation erklärt sich durch die Erzeugung von zwei Hauptwirbeln, den Wirbeln 31 und 32 in Figur 2.
• Zum anderen verstärken die Schlitze 11 und 12 die Oszillation, und sie erhöhen die Oszillationsfrequenz. Wenn sich beispielsweise im Fall der Figur 3 der Strahl in der Stellung P2 befindet, werden am Eingang des Schlitzes 12 Zonen mit hohem Druck erzeugt, und die Präsenz eines starken Wirbeis 31 blockiert praktisch den Durchgang 5. In diesem Fall strömt der Großteil des Fluides durch die Durchgänge 4 und 14, wobei die Strömung im Schlitz 11 relativ gering ist. Das durch den Schlitz 12 strömende Fluid, das den Druck am Ausgang dieses Schlitzes erhöht, wird durch den Durchgang 15 sowie auch durch den Durchgang 5 strömen, um den Wirbel 31 zu treffen. Diese Druckerhöhung ermöglicht, den Wirbel 31 zur Symmetrieebene 2 zu drücken, und sie trägt somit dazu bei, den Strahl aus der Stellung P2 zur Stellung P1 zu verlagern. Im Verlauf dieser Verlagerung schwächt sich der Wirbel 31 ab, während sich der Wirbel 32 verstärkt. Wenn sich der Strahl in einer Weise, die zu der bezüglich Figur 3 beschriebenen Weise symmetrisch ist, in der Stellung P1 befindet, ist der Wirbel 32 am stärksten, und der Großteil des Fluides strömt durch den Schlitz 11, während der durch den Schlitz 12 strömende Teil des Fluides klein ist.
• Im Rückgriff auf Figur 1A ist zu bemerken, daß der Abstand zwischen dem Ausgang 40 der Düse 3 und dem ihm gegenüberliegenden Boden 41 der Totzone 9 einen wichtigen geometrischen Parameter bildet. Dieser Abstand muß größer als ein Schwellenwert sein. Jenseits dieses Wertes oszilliert der Strahl mit einer Oszillationsfrequenz, die von diesem Abstand abhängt.
• Die Verminderung der Tiefe der Totzone ermöglicht, die Oszillationsfrequenz zu erhöhen. Dies erhöht jedoch auch den minimalen Oszillationsdurchfluß. Somit muß ein Kompromiß eingegangen werden.
• Wenn jedoch dieser Abstand kleiner als der Schwellenwert ist, weist der Fluidstrahl keine ausreichende Länge mehr auf, um instabil zu werden, und er kann nicht oszillieren.
• Auch der Abstand zwischen dem Eingang 42 des Schlitzes 11 und dem Eingang 43 des Schlitzes 12 ist wichtig: wenn dieser Wert größer als ein optimaler Wert ist, vermindert sich die Oszillationsfrequenz des Strahls, wenn sich der Abstand 42-43 erhöht. Wenn umgekehrt der Abstand 42-23 sehr klein ist, wird die konvergente Kammer 8 so klein, daß die Wirbel keinen ausreichenden Raum haben, um sich zu verlagern. Somit verbleiben die beiden Wirbel blockiert in einer festen Stellung, und es tritt keine Oszillation des Strahls auf. Die Abmessungen 40-41 und 42-43 hängen von den Abmessungen des Strahls selbst und somit vom Ausgang der Düse 3 ab. Zum Bestimmen der optimalen Abmessungen des Oszillators kann eine numerische und experimentelle Simulation vorgenommen werden. Beispielsweise wird zum Bestimmen des optimalen Wertes des Abstandes 40-41 das Hindernis 16 entlang der Symmetrieebene 2 verstellt, um diesen optimalen Wert zu finden. In gleicher Weise werden für den Abstand 42-43 Experimente mit verschiedenen Werten durchgeführt. Die Abstände 40-41 und 42-43 hängen von den Abmessungen des Ausganges der Düse 3 ab.
• Das konvergente Eingangsrohr 3 hat zur Aufgabe, den Schwellenwert des meßbaren Fluiddurchflusses abzusenken und das Profil der Geschwindigkeiten zu homogenisieren.
• Wenn sich der Strahl von der Stellung P1 zur Stellung P2 verlagert, ist die Geschwindigkeit des Fluides im Schlitz 12 groß, während die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides im Schlitz 11 gering ist. Wenn sich der Strahl von der Stellung P2 in die Stellung P1 verlagert, bildet sich eine umgekehrte Situation aus; die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides im Schlitz 11 ist also groß bezüglich derjenigen im Schlitz 12.
• Als Folge können zwei in den Schlitzen 11 und 12 angeordnete Geschwindigkeitsaufnehmer 24 und 25 verwendet werden, um die Änderungen der Strömungsgeschwindkeit des Fluides zwischen einem Schlitz und dem anderen zu erfassen. Da die Geschwindigkeitsänderungen in den. Schlitzen 11 und 12 gegenphasig sind, können die Ausgangssignale der Aufnehmer 24 und 25 voneinander subtrahiert werden, um ein Signal mit einer Amplitude zu erhalten, die dem doppelten der von den Aufnehmern 24 und 25 gelieferten Amplituden entspricht. Durch Ausführen einer Subtraktion der Signale der Aufnehmer 24 und 25 kann außerdem das Verhältnis von Signal zu Geräusch verbessert werden.
• Das Strömen des Fluides in den Schlitzen 11 und 12 erfährt keine anderen Störungen als durch den Einfluß des Strahls, der die periodischen Strömungsänderungen hervorruft. Das Strömen in den Schlitzen ist somit leicht zu kontrollieren. Das Messen der Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides in den Schlitzen ist eine vorteilhafte Weise, die Oszillationsfrequenz des Strahls und folglich den Durchfluß zu messen.
• Selbstverständlich kann, wie bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, die Oszillationsfrequenz des Strahls gemessen werden, indem die Druckdifferenz zwischen zwei bestimmten Stellen der konvergenten Kammer gemessen wird. Beispielsweise können zwei Druckaufnehmer angeordnet werden, namlich ein Aufnehmer 51 in der Nähe des Eingangs 43 des Schlitzes 12 und ein anderer Aufnehmer 50 in der Nähe des Eingangs 42 des Schlitzes 11.
• Das Messen der Geschwindigkeitsänderungen ermöglicht, den Bereich der Durchflußmessung zu erweitern. Wenn ein Aufrechterhalten einer Meßgenauigkeit der Oszillationsfrequenz und somit des Durchflusses von 1 zu 150 gewünscht wird, entwickelt sich die Geschwindigkeit nämlich proportional, also 1 zu 150, während sich der Druck mit 1 zu 150² entwickelt, also 1 zu 22.500.
• Es ist sehr schwierig, denselben Genauigkeitsgrad bei einem solchen Bereich der Druckmessung aufrechtzuerhalten, wenn ein einziger Druckaufnehmer verwendet wird. Da außerdem die Amplitude der Drucksignale in erster Annäherung proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des Strahls bei geringen Geschwindigkeiten ist, kann die Druckänderung so gering wie 0,1 Pascal sein. Diese Größenordnung von Druck ist mit den Druckaufnehmern fast nicht zu erfassen. Es ist somit von Interesse, die Oszillationsfrequenz des Strahls mittels eines Signals zu messen, das anstatt vom Druck von der Geschwindigkeit abhängt, so daß die Dynamik des Signals sich in derselben Größenordnung wie die Dynamik der Geschwindigkeit des Fluides befindet. Jede Art von Geschwindigkeitsaufnehmer ist geeignet, beispielsweise Film-Aufnehmer oder Heißdraht-Aufnehmer, Thermistoren, Silicium-Aufnehmer, Laser-Anemometer oder auch Magnet-Aufnehmer, wenn das Fluid eine elektrisch leitende Flüssigkeit ist.
• Um die Rotationsgeschwindigkeit der Wirbel und folglich die dynamische Druckübertragung durch Erhöhung eines Drucks in der Nähe des Vorderabschnittes des Hindernisses zu erhöhen, sind die Schlitze 11 und 12 vorzugsweise in der Richtung der lokalen Geschwindigkeit des Fluides an den Stellen P1 und P2 ausgerichtet. Diese Stellen P1 und P2 sind bezüglich der Symmetrieebene symmetrisch und in umittelbarer Nähe der Anhaltestellen des Strahls an dem Hindernis 16 angeordnet. Diese Stellungen hängen nur geringfügig von den Reynoldszahlen ab. Durch Hinzufügen von zusätzlichen Schlitzen (Figur 7) wird diese Abhängigkeit noch verringert. Die Ausgänge 10 bzw. 13 der Schlitze 11 und 12 sind in der Nähe der Durchgänge 4 und 5 angeordnet, um den Druck des aus dem Schlitz austretenden Fluides auf den Wirbel mit der größten Intensität zu erhöhen, damit dieser zur Symmetrieebene 2 gedrückt wird. In Figur 1A sind die Schlitze in einem Winkel von ungefähr 90º zur Symmetrieebene 2 ausgerichtet. Wenn dieser Neigungswinkel verringert wird (der Schlitz 12 in Figur 1A mehr zum Abschnitt 15 als zum Abschnitt 5 ausgerichtet ist), vermindert sich der Druckverlust im Oszillator, jedoch vermindert sich auch die Oszillationsfrequenz des Strahls. Die Ausrichtung der Schlitze 11 und 12 ergibt sich somit aus einem Kompromiß.
• Um den abwechselnd von den aus den Schlitzen 11 und 12 austretenden Strahlen auf die Wirbel ausgeübten Schub zu erhöhen, können die Schlitze 11 und 12 gekrümmt sein, wie dies in Figur 2B dargestellt ist, damit die Ausgänge 10 und 13 der Schlitze 11 und 12 näher an die Stellung der Wirbel gebracht ist. Somit wirken die Strahlen direkt auf die Wirbel, ohne von den Kanälen 4 oder 5 geführt werden zu müssen.
• Die obere Grenze des mit dem Oszillator meßbaren Durchflußbereiches hängt nur von dem Druckverlust ab, den das Fluid beim Durchqueren des Oszillators erfährt. Die untere Grenze des Meßbereichs ist durch den Durchfluß bestimmt, der nur Wirbel mit einer zum Hervorrufen einer Oszillation des Fluidstrahls unzureichenden Intensität erzeugt. Diesem Nachteil wird abgeholfen, indem am Ausgang 40 der konvergenten Düse 3 ein Geschwindigkeitsaufnehmer 44 angeordnet wird, dessen Aufgabe darin besteht, die sehr geringen Durchflüsse zu messen, die nicht von dem Oszillator gemessen werden können. Somit wird der mit dem Durchflußmesser mögliche Meßbereich erweitert. Außerdem kann der Geschwindigkeitsaufnehmer 44 regelmäßig durch Vergleich mit dem Geschwindigkeitssignal oder dem Durchflußsignal geeicht werden, das von dem Oszillator geliefert wird, wenn der Aufnehmer 44 und der Oszillator korrekt arbeiten. Üblicherweise driftet nämlich der Geschwindigkeitsaufnehmer 44 während der Zeit, in welcher der Oszillator stabil ist. Diese Lösung ist in dem US-Patent Nr. 5 003 810 beschrieben.
• Der erfindungsgemäße Oszillator verwendet somit einen Oszillationsbereich, der auf der hydrodynamischen Instabilität basiert, die aus einer Interaktion zwischen einem Wirbelpaar und einem Fluidstrahl resultiert. Die Messung von Änderungen der Fluidgeschwindigkeit in den Schlitzen 11 und 12 ermöglicht, den Bereich von meßbaren Durchflüssen zu erhöhen und eine bessere Kalibrierung zu erzielen. Mit dem erfindungsgemäßen Oszillator gibt es keine Gefahr eines Signalverlusts in dem verfügbaren Meßbereich, und der Oszillator liefert für einen gegebenen Durchfluß eine einzige Frequenz.
• In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem zwei zusätzliche Schlitze 45 und 46 hinzugefügt wurden. Daraus ergibt sich eine größere Effizienz des Oszillators durch Verminderung des Druckverlustes des den Oszillator durchquerenden Fluides. Somit kann experimentell der beste Kompromiß zwischen der Ausrichtung und der Anzahl der Schlitze der Abhängigkeit von den Charakteristiken des Fluides, dessen Durchfluß gemessen werden soll, sowie von dem Bereich des zu messenden Durchflusses gefunden werden.
• In den Figuren 4, 5 und 6 sind experimentelle Ergebnisse dargestellt, die mit dem fluidischen Oszillator von Figur 1 erhalten wurden. Um den Einfluß der Schlitze 11 und 12 auf die Leistungen des Oszillators zu vergleichen, wurden die Experimente durchgeführt, indem für eine erste Experimentreihe die Schlitze 11 und 12 verschlossen wurden und indem für eine zweite Experimentreihe die Durchgänge der Schlitze 11 und 12 freigelassen wurden.
• In Figur 4 ist die erhaltene Oszillationsfrequenz, ausgedrückt in Hertz, in Abhängigkeit von der Reynoldszahl dargestellt, die von der Geschwindigkeit des Strahls und seiner Breite abhängt. Die obere Kurve entspricht den experimentellen Ergebnissen mit den Schlitzen, und die untere Kurve entspricht den Ergebnissen ohne Schlitze. Es ist zu sehen, daß die Oszillationsfrequenz des Strahls mit dem erfindungsgemäßen Oszillator verbessert ist.
• In Figur 5 ist die Entwicklung des Verhältnisses von Signal zu Geräusch, ausgedrückt in Dezibel, bei einer Veränderung der Reynoldszahl dargestellt. Es ist eine sehr deutliche Verbesserung des Verhältnisses von Signal zu Geräusch zu sehen, wenn die Schlitze 11 und 12 nicht verschlossen sind (obere Kurve).
• In Figur 6 ist die Entwicklung des Druckverlustes, ausgedrückt in Pascal, in Abhängigkeit von der Reynoldszahl mit Schlitzen und ohne Schlitze dargestellt. Es ist zu sehen, daß die Schlitze 11 und 12 nicht zu einem Druckverlust führen. Die Experimente, deren Ergebnisse in den vorangegangenen Figuren 4, 5 und 6 dargestellt sind, wurden mit Luft durchgeführt.

Claims (13)

1. Fluidischer Oszillator mit:

einem Fluideingang (3), der einen zweidimensionalen Strahl bilden kann;

einem Hindernis (16) im Weg des Strahls, welches gegenüber dem Eingang einen Vorderabschnitt in der Form einer Kammer (8) aufweist, wobei diese Kammer (8) zwei bezüglich einer durch den Eingang (3) laufenden Längssymmetrieebene (2) symmetrische Wände (22, 23) aufweist, wobei die Wände (22, 23) in dieser Ebene (2) ineinander übergehen, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel (11, 12) enthält, um abwechselnd den Druck an jeder der Seitenflanken des Hindernisses (16) in der Nähe des Vorderabschnittes in Relation mit einer Oszillation des Strahls zwischen den Wänden (22, 23) der Kammer (8) zu erhöhen, wobei die Mittel zum Erhöhen des Drucks zwei symmetrische Hauptdurchgänge (11, 12) enthalten, die jeweils einen Eingang (42, 43) im Inneren der Kammer (8) und einen Ausgang (10, 13) in der Nähe einer Seitenflanke des Hindernisses (16) aufweisen.

2. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (22, 23) der Kammer (8) geneigt sind, um im wesentlichen ein V zu bilden, dessen beide Schenkel sich erweiternd verlaufen.

3. Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Umhüllung (E) aufweist, die zum einen am Fluideingang (3) und zum anderen an einem Fluidausgang (17) geöffnet ist, wobei das Hindernis in dieser Umhüllung (E) angeordnet ist und wobei diese Umhüllung Wände aufweist, welche zusammen mit den Außenwänden des Hindernisses (16) Strömungsdurchgänge (4, 5, 14, 15) des Fluids bilden.

4. Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptdurchgänge (11, 12) in den Wänden (22, 23) der Kammer (8) ausgebildet und bezüglich der Längsebene (2) geneigt sind.

5. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge (11, 12) Schlitze sind.

6. Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge (11, 12) einen kreisförmigen oder rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen.

7. Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge (11, 12) einen Querschnitt aufweisen, der sich verengt, um das durch diese Durchgänge strömende Fluid zu beschleunigen, und sich dann erweitert.

8. Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge (11, 12) die Kammer (8) an der Stelle des Anhaltepunktes des Strahls oder in der Nähe von diesem durchbrechen.

9. Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens zwei zusätzliche Fluiddurchgänge (45, 46) enthält, die in dem Hindernis (16) ausgebildet sind, wobei die zusätzlichen Durchgänge (45, 46) bezüglich der ersten Durchgänge (11, 12) stromabwärts liegen und zur Längssymmetrieebene (2) symmetrisch sind.

10. Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Hauptdurchgänge (11, 12) gekrümmt sind.

11. Durchflußmesser mit einem fluidischen Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Fluid zwischen den Wänden (22, 23) der Kammer (8) mit einer für den Fluiddurchfluß charakteristischen Oszillationsfrequenz oszilliert, und außerdem mit Mitteln (24, 25) zur Messung der Oszillationsfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (24, 25) zur Messung der Oszillationsfrequenz Mittel zur Messung von Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit in den in den Wänden (22, 23) der Kammer (8) ausgebildeten Durchgängen (11, 12) aufweisen.

12. Durchflußmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (24, 25) zur Messung von Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit einen Geschwindigkeitsaufnehmer enthalten, der in wenigstens einem der Hauptdurchgänge (11, 12) angeordnet ist.

13. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Messung der Oszillationsfrequenz des Strahls Druckaufnehmer (50, 51) enthalten, die in den Durchgängen (11, 12) oder in der Nähe der Durchgänge (11, 12) angeordnet sind.