CN110836980B - 用于确定空心体中的流体的流动速度的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定空心体(1)中的流体的流动速度的设备和方法，所述设备包括：至少一个布置在空心体(1)中的扰流装置(10、20、30、40、50)和至少一个沿流动方向看以特定的间距设置在扰流装置(10、20、30、40、50)下游的传感器(15、25、35、45、55)，该传感器用于确定通过扰流装置(10、20、30、40、50)在流动中引发的扰动，其中，扰流装置(10、20、30、40、50)具有用于在流体流中产生可变化的扰动的部件。

Description

用于确定空心体中的流体的流动速度的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定空心体中的流体的流动速度的设备，所述设备包括：至少一个布置在空心体中的扰流装置和至少一个沿流动方向看以特定的间距设置在扰流装置的下游的传感器，该传感器用于确定扰流装置在流动中引发的扰动，本发明还涉及一种用于确定空心体中的流体的流动速度的方法。
背景技术
由现有技术已知用于确定空心体中的流体流速或体积流量的各种方法。例如已知所谓的旋涡计数器、亦即涡流式流量计，然而其缺点在于，测量在此很大程度上受到流体粘度的影响，其中，在具有低雷诺数和高运动粘度的液体中不能或难以实现流动速度的确定。还已知超声波测量装置，然而其对于评估电子设备提出高要求，这是因为由于高声速在使用多普勒效应的情况下仅出现声信号的微小的渡越时间差。
也已知，借助涡轮确定空心体中的体积流量。然而涡轮具有多个可动的部件，这导致相应的磨损，其中，还由于在流动介质中使用涡轮而导致压力损失。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于确定空心体中的流体、例如液体的流动速度的设备和方法，其中，所述设备和方法都基本上是独立于流体粘度的，并且就此而言即使在具有低雷诺数的、亦即具有高粘度或低流动速度的流体中也能在考虑空心体直径的情况下确定体积流量。
为了实现所述目的，根据本发明提出，扰流装置具有用于在体积流中产生可变化的扰动的部件。本发明的核心在于，在体积流中产生扰动，其中，例如用于产生扰动的脉冲的强度可以根据空心体中流体的粘度来选择。本发明的有利的特征和设计方案由从属权利要求得出。
因此特别是根据第一实施方式提出，扰流装置包括扰流体，该扰流体用于在体积流或流动的流体中产生扰动。具体来说，在此情况下还可以提出，扰流体具有至少一个伸入体积流中的扰流元件，扰流元件的扰流面是可变化的。就此而言通过至少一个扰流元件提供以下选项：向流体发出脉冲，并且因此在流体中产生扰动，扰动的大小取决于例如流体的粘度。其背景是，最终必须在流体或流体流中引发扰动、特别是旋涡/涡流，该扰动、特别是旋涡也可以通过至少一个传感器确定。当然，在高粘度的流体中与在低粘度液体、例如水中相比更难以并且需消耗更多能量来产生可通过传感器确定的扰动、特别是旋涡。
为了在流体中产生扰动，根据第一实施方式有利地提出，所述至少一个扰流元件被设计为能横向于流动方向从扰流体中移出。特别以有利于流动的方式设计的扰流体具有与所述至少一个扰流元件沿流动方向间隔开的、用于确定扰动的传感器。也就是说，扰流体不仅显示出用于产生扰动、特别是旋涡的扰流元件，而且也还配设有用于确定扰动的传感器，这表明，至少一个传感器相对于至少一个扰流元件沿流动方向看具有间距。
根据另一、即第二实施方式提出，扰流体具有至少一个类似于翼形的扰流元件，扰流元件能迎向流动方向摆出。与扰流体隔开地在空心体上布置有传感器，以用于探测由扰流体的扰流元件产生的扰动、例如旋涡。
在扰流体不仅具有至少一个扰流元件、而且还具有用于确定扰动的传感器的实施方式中，以及在反向于流动方向布置在能摆出的扰流体上的至少一个类似于翼形的扰流元件中，有利的是，相应的扰流元件是可无级调节的、亦即可无级地进入流体流动中。由此存在以下可能性：改变扰动的大小，并且这由下述方式实现，即，使作为阻力进入流动中的面是可变的。
另一、即第三实施方式的特征在于，所述至少一个扰流装置在空心体的壁部中具有缺口，分流器/挤流器
Figure BDA0002131614080000031
例如柱塞形件/印章形件可动地布置在该缺口中。在此情况下，膜片也是分流器。在此有利的是，柱塞形件的柱塞头以与侧面的空心体壁部间隔开的方式布置在缺口中，其中，分流器和特别是柱塞形件平行于或横向于空心体的中心纵轴线可动地布置在缺口中。通过至少一个这种位于管道周部上的装置，可以通过有目的的流体动荡在空心体的内壁上产生扰动，该扰动通过相应的传感器探测，该传感器与扰流装置隔开特定间距地布置在空心体的壁部上或中。实践中也存在以下可能性：将多个这种扰流装置布置在空心体内周的区域中，这实现了探测流动中的不对称性的可能性。
第四实施方式的特征在于，扰流装置具有至少一个布置在空心体的壁部上的扰流元件，该扰流元件能横向于空心体的纵轴线进入体积流中。在此也有利地提出，扰流元件能无级地横向于中心纵轴线进入流体中。
根据本发明的另一个特征，用于确定扰动的传感器被设计为压力传感器，特别是设计为压电陶瓷传感器。
本发明的主题同样涉及一种用于利用根据权利要求1至15中的一项或多项所述的设备来确定空心体中的流动速度的方法。根据本发明的方法的特征在于，能确定在通过扰流装置产生扰动与通过传感器确定扰动之间的时间段，从而在预给定扰流装置和传感器之间的间距的情况下能确定流动速度。在此情况下特别提出，通过扰流装置在流体流中引发至少一个脉冲或脉冲序列。脉冲强度可以在此根据特别是液体粘度来选择；其背景是，可以在流体流中提供尽可能有差别的/分化的扰动，有利地始终提供完整的、彼此分开的旋涡。
有利地也可以在流体流中引发脉冲序列，以便最后获得更好的信噪比。有利的是，能调节在两个脉冲之间的间距、在两个脉冲序列之间的间距并且还有脉冲序列的长度。这因此避免了在两个脉冲或脉冲序列之间的相互作用或使影响最小化。也就是说，应使传感器能够探测到清楚的信号。
至少一个脉冲或至少一个脉冲序列的产生根据本发明的另一个特征通过作为扰流装置的部件的MEMS(微机电系统)、例如压电陶瓷元件实现。在此有利的是，每单位时间的单独脉冲的频率或脉冲序列的频率是可控的。也可以调节脉冲序列的长度。
附图说明
根据附图示例性详细说明本发明。
图1a以截面图示意性示出用于确定空心体中的流动速度的第一实施方式的第一变型方案；
图1b示意性示出根据图1a的第一实施方式的第二变型方案；
图1c示意性示出根据图1a的第一实施方式的第三变型方案；
图2以截面图示意性示出用于确定空心体中的流动速度的第二实施方式；
图3a示出根据图1和图2的设备的第一变型方案作为第三实施方式；
图3b示出根据图1和图2的设备的第二变型方案作为第三实施方式；
图4以截面图示出用于确定空心体中的流动速度的设备的第四实施方式；
图5示出第五实施方式，其中，扰流装置和传感器都具有压电元件。
附图标记列表：
1 空心体
10 扰流装置
11 扰流体
12 凸出部
13 扰流元件
14 中心纵轴线
15 传感器
20 扰流装置
21 扰流体
23 类似于翼形的扰流元件
25 传感器
26 有利于流动的保持件
27 箭头
30 扰流装置
32 缺口
34 柱塞形件
34a 柱塞头
35 传感器
43 扰流元件
45 传感器
51 扰流体
55 传感器
具体实施方式
根据图1a至图5用附图标记1表示示意性示出的空心体。
在根据图1a(第一变型方案)的空心体1中设有扰流装置10。扰流装置10包括扰流体11，其中，扰流体11在其与流动(箭头3)相反指向的凸出部12的区域中在下侧和上侧上分别具有扰流元件13。扰流元件13能横向于中心纵轴线14无级地从扰流体11中移出或翻转出，其中，迎向流动的面积取决于目前的移出长度。该面积的大小在此影响发出到流体中的、例如呈脉冲或脉冲序列形式的扰动的大小。
具有扰流体11的扰流装置10包括与扰流元件13间隔开(间距X)的、用于确定由扰流元件产生的扰动的传感器15，该扰动在此特别是旋涡。经由在通过扰流元件在扰流装置10的扰流体11的其中一个端部上进行的旋涡的产生与通过传感器进行的旋涡的确定之间的时间差、和在扰流元件13与传感器15之间的间距X以及空心体的横截面积，随后可以在已知流动条件的情况下确定每单位时间的体积流量。
图1b示出作为第二变型方案的实施方式，其中，扰流元件13能横向于中心纵轴线14周期性地移动，以便因此形成旋涡，该旋涡随后可以由传感器15探测到。扰动可以通过脉冲或通过脉冲序列产生。
图1c示出作为第三变型方案的实施方式，其中，扰流元件13类似于尾翼往复运动。
此外，用相同的附图标记表示相同的物体。
图2示出扰流装置20，其具有扰流体21，其中，扰流体在其一个端部上、确切地说在背对流动的端部上具有类似于翼形的扰流元件23，该扰流元件能反向于流动方向摆出(箭头27)。与扰流体21的该端部间隔开(间距X)地设有传感器25，以用于探测通过扰流元件在流体中产生的扰动。传感器25通过有利于流动的保持件26保持，该保持件布置在空心体1中。
图3a在第一变型方案中示出布置在空心体1的壁部中的扰流装置30，其中，扰流装置30具有布置在空心体的壁部中的缺口32，柱塞形件34作为扰流元件能平行于空心体的中心纵轴线14在该缺口中运动。柱塞头34a在此与侧向的空心体壁部间隔开地布置在缺口32中。柱塞头34a的上侧在此与空心体1的内壁齐平。利用该实施方式存在以下可能性：在空心体的周部上产生有目的的流体动荡，该流体动荡在穿流过空心体的流体中引发扰动(例如以旋涡的形式)，该扰动可以通过与柱塞形件34距离间距X地布置在空心体的壁部中的传感器35来探测。此外，如果存在不对称的流动，则可以使用多个扰流装置，其理想地沿周向均匀地分布在周部上。
图3b作为第二变型方案示出，如何通过扰流元件13的在空心体的壁部中沿横向于中心纵轴线14的方向的运动产生旋涡，该旋涡由空心体的壁部中的传感器35探测。通过所述运动或多个运动，扰动可以在流体流中也作为流体脉冲或作为流体脉冲序列产生。
图4与前面的附图的区别仅在于，在空心体的壁部上布置有至少一个扰流元件，所述至少一个扰流元件能横向于空心体的中心纵轴线进入流体流中。在此也是，扰流元件43横向于空心体的中心纵轴线14的进入在流体流中引发扰动，该扰动可以通过空心体的壁部中的传感器45来探测。传感器在此与扰流元件43间隔开(间距X)地布置在空心体的壁部中。
由图5得出具有扰流体51的扰流装置50，该扰流体接纳有压电元件52。与具有压电元件52的扰流体51间隔开地设有传感器55，该传感器同样配备有压电元件52，以便探测通过扰流装置50经由压电元件52在流体中引发的扰动。传感器55也与扰流体51间隔开(间距X)地布置。

Claims (19)

1.一种用于确定空心体(1)中的流体的流动速度的设备，所述设备包括布置在空心体(1)中的至少一个扰流装置(10、20、30、40、50)和沿流动方向看以特定的间距设置在扰流装置(10、20、30、40、50)下游的至少一个传感器(15、25、35、45、55)，该传感器用于确定通过扰流装置(10、20、30、40、50)在流动中引发的扰动，
其特征在于，
扰流装置(10、20、30、40、50)具有用于在流体流中产生可变化的扰动的部件，所述至少一个扰流装置(30)具有在空心体(1)的壁部中的缺口(32)，分流器可动地布置在该缺口中。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，扰流装置(10、20、50)包括扰流体(11、21、51)。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，扰流体(11、21)具有伸入体积流中的至少一个扰流元件(13、23)，所述至少一个扰流元件的扰流面是可变化的。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述至少一个扰流元件(13、23)能横向于流动方向从扰流体(11、21)移出。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，其特征在于，扰流体(11)被以有利于流动的方式设计。
6.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于，扰流体(11)沿流动方向看与所述至少一个扰流元件(13)间隔开地具有至少一个用于确定扰动的传感器(15)。
7.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于，扰流体(21)具有类似于翼形的至少一个扰流元件(23)，所述至少一个扰流元件能反向于流动方向摆出。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，分流器被设计为柱塞形件(34)。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，柱塞形件(34)的柱塞头(34a)与侧向的空心体壁部间隔开地布置在缺口(32)中。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，柱塞形件(34)布置成能在缺口(32)中平行于空心体(1)的纵轴线运动。
11.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，柱塞形件(34)布置成能在缺口(32)中横向于空心体(1)的纵轴线运动。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，扰流装置(40)具有布置在空心体的壁部上的至少一个扰流元件(43)，所述至少一个扰流元件能横向于空心体(1)的中心纵轴线(14)进入流体流中。
13.根据权利要求3或4或12所述的设备，其特征在于，所述至少一个扰流元件(13、23、43)能以可无级调节的方式进入流体流中。
14.根据权利要求1中任一项所述的设备，其特征在于，用于确定扰动的传感器(15、25、35、45、55)被设计为压力传感器。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述压力传感器是压电陶瓷传感器。
16.一种用于借助根据权利要求1所述的设备来确定空心体(1)中的流体的流速的方法，
其特征在于，
能确定在通过扰流装置(10、20、30、40、50)产生扰动与通过传感器(15、25、35、45、55)确定扰动之间的时长，使得在预先给定了扰流装置(10、20、30、40、50)与传感器(15、25、35、45、55)之间的间距的情况下能确定流速。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，通过扰流装置(10、20、30、40、50)在流体流中引发至少一个脉冲或至少一个脉冲序列。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述至少一个脉冲或至少一个脉冲序列通过压电元件产生。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，单独脉冲的频率或脉冲序列的频率是可控的。
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