DE69922663T2

DE69922663T2 - Vorrichtung zur messung einer volumenflüssigkeitsströmung in einem rohr

Info

Publication number: DE69922663T2
Application number: DE69922663T
Authority: DE
Inventors: Carolus Marinus PETERS
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 1998-08-03
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2019-08-03
Also published as: NL1009797C2; WO2000008420A1; EP1102966A1; AU5200399A; ES2234280T3; DE69922663D1; EP1102966B1; JP2002522756A; US6675661B1; JP4693990B2; ATE285065T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des Volumenstroms einer Flüssigkeit in einem Rohr, die mindestens zwei in dem Rohr anzuordnende Objekte mit unterschiedlicher Form und/oder unterschiedlichem Durchmesser, einen Sensor zum Bestimmen der Frequenz, mit der Wirbel auftreten, die sich hinter den Objekten bilden, wenn die Flüssigkeit um diese Objekte herumfließt, und eine Einrichtung aufweist, um aus dieser Frequenz den Volumenstrom der Flüssigkeit zu bestimmen.
Eine solche Vorrichtung ist aus DE-A-37 14 344 bekannt.
In diesem Dokument weist der Wirbeldurchflussmesser zwei Objekte oder besser das eine Objekt auf, das in zwei Teile unterschiedlicher Form geteilt ist. Der Zweck dieses Objekts (dieser zwei Teile) besteht darin, nur eine Wirbelfrequenzmessung bereitzustellen. Die zwei Teile des Objekts müssen im Wesentlichen gleiche Abmessungen aufweisen. Auch wenn in diesem Dokument das Auftreten mehrerer Wirbelfrequenzen beschrieben ist, ist die Konstruktion darauf gerichtet, die Komponenten höherer Frequenz durch Abrunden der Ecken des Objekts zu unterdrücken, sodass sich nur eine Wirbelfrequenzkomponente ergibt.
Durch Anordnen eines Objekts in einem Flüssigkeitsstrom bildet sich beim Umfließen dieses Objekts durch die Flüssigkeit eine sogenannte Karman'sche Wirbelstraße hinter diesem Objekt aus. Eine solche Wirbelstraße ist zum Beispiel in Milton van Dyke, An Album of Fluid Motion, Stanford Universität, Kalifornien, 1982 gezeigt. In Abhängigkeit von der Form und den Abmessungen des Objekts bilden sich in der Flüssigkeit Wirbel mit einer bestimmten Frequenz. Im Allgemeinen kann diese Frequenz f_v durch die folgende Beziehung dargestellt werden:
wobei S_r die durch die Form des Objekts bestimmte Strouhal-Zahl bildet, D den Durchmesser des Objekts darstellt, d.h. die Strecke, über die der Flüssigkeitsstrom von dem Objekt unterbrochen wird, und U₀ die Anströmgeschwindigkeit der in Richtung auf das Objekt strömenden Flüssigkeit darstellt. Indem die Frequenz der Wirbel mit einer bekannten Anströmgeschwindigkeit gemessen wird, kann für jedes Objekt die zugehörige Strouhal-Zahl bestimmt werden. Es hat sich herausgestellt, dass die Strouhal-Zahl über einen gewissen Bereich im Wesentlichen unabhängig von der Reynolds-Zahl Re ist und einen konstanten Wert hat. Diese Reynolds-Zahl weist die folgende Beziehung mit der oben erwähnten Anströmgeschwindigkeit U₀ auf:
wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit darstellt, d den Durchmesser des Rohrs darstellt, durch das die Flüssigkeit geleitet wird, und η die dynamische Viskosität der Flüssigkeit darstellt. Demgemäß existiert in dem angegebenen Bereich eine lineare Beziehung zwischen der Wirbelfrequenz f_v und der Anströmgeschwindigkeit U₀, wie sie vorher dargestellt wurde, weil die Strouhal-Zahl unabhängig von der Flüssigkeitsdichte und der Viskosität der Flüssigkeit ist.
Wenn die Anströmgeschwindigkeit nicht konstant ist, können sich in einer solchen Volumenstrom-Messvorrichtung Probleme ergeben. Aufgrund von Variationen in der vorherrschenden Anströmgeschwindigkeit können sich darin Pulsationsfrequenzen ergeben. Die Probleme, auf die hier Bezug genommen wird, sind von dem Verhältnis zwischen der Pulsationsfrequenz f_p in der vorherrschenden Anströmgeschwindigkeit und der Wirbelfrequenz f_v abhängig. Aus dem Artikel von M.C.A.M. Peters et al., Impact of pulsations on vortex flowmeters, Paper vorgestellt bei FLOMEKO'98, Lund, Schweden, 15.–17. Juni 1998 geht hervor, dass sich zeigt, dass die Wirbelfrequenz f_v einen Wert annimmt, der einer Wirbelfrequenz entspricht, die zu einer ungefähr durchschnittlichen Anströmgeschwindigkeit gehört, wenn f_v/f_p < 0,4 und f_v/f_p > 2,5. In beiden Fällen existiert eine charakteristische lineare Beziehung zwischen Wirbelfrequenz und Anströmgeschwindigkeit, und die letztere Größe kann durch Messung der Wirbelfrequenz bestimmt werden. Wenn im Unterschied dazu gilt, dass 0,4 < f_v/f_p < 2,5, treten sogenannte Verriegelungsphänome auf. "Verriegelung" bedeutet, dass innerhalb definierter Grenzen die Wirbelfrequenz bei Variationen in der Anströmgeschwindigkeit dieselbe bleibt, d.h., die Wirbelfrequenz wird innerhalb dieser Grenzen stark durch die Pulsationsfrequenz in der Anströmgeschwindigkeit dominiert. Aus dem angegebenen Artikel, insbesondere den 11 und 12, geht hervor, dass diese durch die Pulsationsfrequenz dominierten Wirbelfrequenzen bei f_v/f_p-Verhältnissen von ½, 1, 1½ und 2 auftreten. Bei Amplituden in der Pulsationsfrequenz von ungefähr 5 % der Anströmgeschwindigkeit hat es sich herausgestellt, dass die Fehler in der gemessenen Wirbelfrequenz zwischen +8 % und –18 % liegen. Solche Fehler führen zu gleichen Fehlern in der zu bestimmenden Anströmgeschwindigkeit. Demgemäß sind bekannte Anströmgeschwindigkeits-Messvorrichtungen des in dem Oberbegriff angegebenen Typs bei einer pulsierenden Anströmgeschwindigkeit mit 0,4 < f_v/f_p < 2.5 äußerst unzuverlässig.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Nachteil zu beseitigen und eine Vorrichtung des in dem Oberbegriff beschriebenen Typs bereitzustellen, die auch für zufällige Pulsationen noch eine genaue Bestimmung dieser Anströmgeschwindigkeit ermöglicht.
In dieser Hinsicht ist die Vorrichtung, wie sie in dem Oberbegriff beschrieben ist, gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Objekte von so unterschiedlicher Form und/oder so unterschiedlichem Durchmesser vorhanden sind, dass mindestens eine der dadurch bestimmten Wirbelfrequenzen unabhängig von einer Pulsationsfrequenz ist, die möglicherweise in der Anströmgeschwindigkeit der Flüssigkeit auftritt.
Durch Anordnen von zwei Objekten einer unterschiedlichen Form und/oder eines unterschiedlichen Durchmessers in dem Rohr kann das S_r/D-Verhältnis für die zwei Objekte so unterschiedlich gewählt werden, dass für eine gegebene pulsierende Anströmgeschwindigkeit mindestens eine der zwei Wirbelfrequenzen einen solchen Wert hat, dass das f_v/f_p-Verhältnis außerhalb des Bereichs (0,4, 2,5) zu liegen kommt. Nur aus einer solchen Wirbelfrequenz kann eine richtige Anströmgeschwindigkeit bestimmt werden. Offensichtlich erfordert dies das Vorhandensein eines Sensors, um die Pulsationsfrequenz zu bestimmen. In vielen Fällen liegt das f_v/f_p-Verhältnis für beide Wirbelfrequenzen außerhalb dieses Bereichs. In einer solchen Situation wird durch Messung der Wirbelfrequenz in jeder der zwei Wirbelstraßen derselbe Wert für die Anströmgeschwindigkeit erhalten. Auch wenn natürlich mehr als zwei Objekte in dem Rohr angeordnet werden können, ist dies im Wesentlichen unnötig, und in der Praxis reichen nur zwei Objekte aus.
Die zwei angegebenen Objekte können nacheinander angeordnet werden, während der gegenseitige Abstand ausreichend groß gewählt wird, um jede gegenseitige Wechselwirkung der zwei Objekte so klein wie möglich zu halten. Eine solche Wechselwirkung kann auch minimiert werden, indem die zwei Objekte kreuzweise in dem Rohr angeordnet werden. Die Objekte können nicht nur hintereinander angeordnet werden, sondern auch nebeneinander, wieder unter dem Erfordernis, dass ihr gegenseitiger Ab stand ausreichend groß ist, um die Wechselwirkung zwischen den Objekten auf ein Minimum zu verringern. Darüber hinaus ist es in jedem Fall dann, wenn der Durchmesser des Rohrs relativ zu den Abmessungen der Objekte groß ist, auch möglich, die zwei Objekte als ein Ganzes auszugestalten.
Sowohl die Messung der Wirbelfrequenz als auch die Messung der Pulsationsfrequenz wird mit Hilfe von Drucksensoren durchgeführt, die an einem geeigneten Punkt an oder in der Wand des Rohres angeordnet sind, obwohl es auch möglich ist, dass die Sensoren, die die Wirbelfrequenz bestimmen, in oder an den jeweiligen Objekten angeordnet sind, da die Wirbel eine auf die Objekte wirkende Kraft verursachen, die gemessen werden kann. Ferner ist es möglich, den Sensor zum Bestimmen der Pulsationsfrequenz in einen der Sensoren oder in beide Sensoren zum Bestimmen der Wirbelfrequenz zu integrieren.
Die Erfindung wird nun weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen:
1A und 1B zeigen schematisch einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt einer Vorrichtung gemäß des Standes der Technik zur Messung des Volumenstroms einer Flüssigkeit in einem Rohr,
2A und 2B zeigen schematisch einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
3A und 3B zeigen schematisch einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
4A und 4B zeigen schematisch einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung, und
5A und 5B zeigen schematisch einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt einer vierten beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Entsprechende Teile in den Figuren sind durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt ein Rohr 1, in dem ein Objekt 2 angeordnet ist. Das Objekt 2 verläuft über den Durchmesser des Rohrs 1 und hat einen dreieckigen Querschnitt eines Durchmessers D. Wenn eine Flüssigkeit einer Anströmgeschwindigkeit U₀ in der durch den Pfeil P angegebenen Richtung durch das Rohr 1 geleitet wird, entwickelt sich über eine bestimmte Länge hinter dem Objekt 2 eine sogenannte von Karman'sche Wirbelstraße 3. Die Frequenz, mit der die Wirbel in dieser Wirbelstraße erzeugt werden, d.h. die Wirbelfrequenz, wird durch die Form und den Durchmesser D des Objekts 2 bestimmt. Diese Frequenz f_v wird von einem Drucksensor 4 an der Innenwand des Rohrs 1 gemessen. Die oben erwähnte zu bestimmende Anströmgeschwindigkeit U₀ ist proportional zu der Wirbelfrequenz f_v. Die Proportionalitätskonstante wird durch Kalibration mit einer bekannten Anströmgeschwindigkeit bestimmt.
Wie vorstehend bereits dargelegt worden ist, führt diese Konstruktion zu Problemen, wenn die Anströmgeschwindigkeit mit einer Pulsationsfrequenz f_p gepulst ist, wobei 0,4 < f_v/f_p < 2,5. Aus diesem Grund sind zwei Objekte von unterschiedlicher Form und/oder unterschiedlichem Durchmesser in dem Rohr angeordnet worden.
In 2 sind ein erstes Objekt 5 eines kreisförmigen Querschnitts und eines Durchmessers D₁ und ein zweites Objekt 6 eines dreieckigen Querschnitts und eines Durchmessers D₂ in dem Rohr 1 angeordnet worden. Beide Objekte verlaufen hintereinander über den Durchmesser des Rohrs. Die Vorrichtung ist hier mit zwei Sensoren 7 und 8 zur Messung der Wirbelfrequenzen f_v1 und f_v2 in den von Karman'schen Wirbelstraßen, die sich hinter den jeweiligen Objekten bilden, ausgestattet. Die Form und der Durchmesser der Objekte 5 und 6 sind so unterschiedlich, dass sich das S_r1/D₁-Verhältnis von dem S_r2/D₂-Verhältnis in einem solchen Maße unterscheidet, dass sich die Wirbelfrequenzen um mindestens ungefähr einen Faktor von 6 unterscheiden. S_r1 und S_r2 sind die Strouhal-Zahlen des Objekts 5 bzw. 6. Weil sich die Wirbelfrequenzen f_v1 und f_v2 um mindestens ungefähr einen Faktor von 6 unterscheiden, liegt immer mindestens eines der Verhältnisse f_v1/f_p, f_v2/f_p außerhalb des Bereichs (0,4, 2,5), und auf diese Weise ist eine genaue Messung einer der Wirbelfrequenzen und somit eine genaue Bestimmung der zu dieser proportionalen Anströmgeschwindigkeit immer möglich. Um das richtige Verhältnis auswählen zu können, ist ein Drucksensor 9 vorhanden, um eine Bestimmung der Pulsationsfrequenz f_p der Flüssigkeitsströmung zu ermöglichen. Ferner ist eine zum Beispiel einen Mikroprozessor aufweisende Einrichtung 10 vorhanden, um aus den von den Drucksensoren 7, 8 und 9 kommenden Signalen die Anströmgeschwindigkeit zu bestimmen. Tatsächlich kommt (kommen) als Maß für die Anströmgeschwindigkeit nur die Wirbelfrequenz oder nur die Wirbelfrequenzen in Frage, für die das (die) Verhältnis(se) zwischen der Wirbelfrequenz und der Pulsationsfrequenz außerhalb des Bereichs (0,4, 2,5) liegen oder liegt. Um das Auftreten einer Wechselwirkung zwischen den zwei Objekten 5 und 6 zu verhindern, wodurch die von Karman'sche Wirbelstraße hinter dem Objekt 5 durch das Objekt 6 gestört wird, sollte der Abstand L zwischen den Objekten ausreichend groß gewählt werden. Offensichtlich hängt dieser Abstand von der Form und dem Durchmesser der Objekte ab.
3 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die zwei Objekte 11 und 12 sind hier so in dem Rohr 1 angeordnet, dass sie einander senkrecht kreuzen. Das Objekt 11 hat einen kreisförmigen Querschnitt, während das Objekt 12 einen halbkreisförmigen Querschnitt hat. Beide Objekte verlaufen wieder über den Durchmesser des Rohrs 1. Mittels der sich gegenseitig kreuzenden Anordnung der Objekte wird jede Wechselwirkung zwischen den zwei Objekten sogar dann minimiert, wenn der Abstand zwischen den zwei Objekten relativ klein ist. Die Form und der Durchmesser der Objekte unterscheiden sich hier wieder so sehr voneinander, dass sich wie in der ersten beispielhaften Ausführungsform die gemessenen Wirbelfrequenzen um mindestens ungefähr einen Faktor von 6 unterscheiden.
4 zeigt zwei nebeneinander in dem Rohr angeordnete Objekte 13 und 14. Die Objekte haben einen kreisförmigen bzw. einen dreieckigen Querschnitt und unterschiedliche Durchmesser und verlaufen parallel zueinander in dem Rohr 1. Der gegenseitige Abstand L zwischen den Objekten ist gewählt worden, um so groß zu sein, dass jede Wechselwirkung zwischen den Objekten minimiert wird. Auch hier sind die Form und der Durchmesser der zwei Objekte wieder so unterschiedlich, dass sich die fraglichen Wirbelfrequenzen um mindestens ungefähr einen Faktor von 6 unterscheiden.
In den bisher beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sind sowohl die Form als auch der Durchmesser der zwei Objekte unterschiedlich. Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, in denen die Form alleine oder der Durchmesser alleine des Objekts unterschiedlich ist. 5 liefert ein Beispiel einer Ausführungsform, in der die zwei Objekte dieselbe Form haben, aber sich im Durchmesser unterscheiden. Die zwei Objekte 15 und 16 sind hier nebeneinander angeordnet und bil den ein Ganzes 17 miteinander. Die Drucksensoren zum Messen der Wirbelfrequenzen sind hier ebenfalls nebeneinander angeordnet. Aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der Objekte 15 und 16 werden auch hier wieder Wirbelfrequenzen gemessen, die sich voneinander um mindestens ungefähr einen Faktor von 6 unterscheiden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier darstellten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Arten von Modifikationen daran, natürlich insoweit als sie in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüchen fallen. Wie vorstehend bereits angemerkt wurde, ist es möglich, dass die Sensoren zum Bestimmen der Wirbelfrequenzen in oder an den fraglichen Objekten statt in oder an der Wand des Rohrs 1 angeordnet sind. Wie vorstehend bereits erwähnt worden ist, ist es auch möglich, den Sensor zum Bestimmen der Pulsationsfrequenz in einen Sensor zum Bestimmen der Wirbelfrequenz zu integrieren. Ferner sind alle Arten von Formen und Abmessungen möglich, die anders sind, als die hier dargestellten, solange sich die gemessenen Wirbelfrequenzen voneinander in einem solchen Maße unterscheiden, dass mindestens eine dieser Frequenzen unabhängig von einer Pulsationsfrequenz ist, die in der Anströmgeschwindigkeit der Flüssigkeit auftreten kann.

Claims

Vorrichtung zum Messen des Volumenstroms einer Flüssigkeit in einem Rohr (1), wobei die Vorrichtung ein Rohr (1), ein erstes und ein zweites Objekt (5, 6; 11, 12; 13, 14; 15, 16) mit unterschiedlicher Form und/oder unterschiedlichem Durchmesser, die in dem Rohr (1) angeordnet sind, einen ersten Sensor, der in dem Rohr zum Bestimmen einer Frequenz, mit der Wirbel auftreten, die sich hinter den Objekten bilden, wenn die Flüssigkeit um diese Objekte herum fließt, angeordnet ist, und eine Einrichtung aufweist, um aus dieser Frequenz den Volumenstrom der Flüssigkeit zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einem zweiten Sensor (7, 8) versehen ist, der in dem Rohr angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Sensor die Wirbelfrequenzen (f_v1 und f_v2) messen, die dem ersten bzw. dem zweiten Objekt entsprechen, und ein weiterer Sensor (9) in dem Rohr angeordnet ist, um die Pulsationsfrequenz zu messen, die möglicherweise in der Anströmgeschwindigkeit der Flüssigkeit auftritt, wobei der Unterschied in der Form und/oder im Durchmesser der Objekte so ist, dass die Wirbelfrequenz des ersten Objekts unabhängig von der Pulsationsfrequenz bei einer Pulsationsfrequenz ist, wo die Wirbelfrequenz des zweiten Objekts von der Pulsationsfrequenz abhängt, und umgekehrt, wobei die Einrichtung zum Bestimmen des Volumenstroms den Volumenstrom aus einer ausgewählten der Wirbelfrequenzen bestimmt, die danach bestimmt ist, dass sie unabhängig von der Pulsationsfrequenz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (10) vorgesehen sind, in denen in Antwort auf Si gnale von den obigen Sensoren (7, 8 und 9) die Anströmgeschwindigkeit aus der Wirbelfrequenz oder den Wirbelfrequenzen bestimmt wird, für die gilt, dass das Verhältnis zwischen Wirbelfrequenz und Pulsationsfrequenz außerhalb des Bereiches zwischen 0,4 und 2,5 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, gesehen in Flussrichtung, zwei hintereinander angeordnete Objekte (5, 6) vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, gesehen in Flussrichtung, zwei sich kreuzende Objekte (11, 12) vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, gesehen in Flussrichtung, zwei nebeneinander angeordnete Objekte (13, 14) vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass, gesehen in Flussrichtung, die zwei nebeneinanderliegenden Objekte (15, 16) ein Ganzes bilden.