CN111566453B - 根据旋涡测量原理的流量计装置、用于其的测量管和用于测量介质的流量或流速的方法 - Google Patents

根据旋涡测量原理的流量计装置、用于其的测量管和用于测量介质的流量或流速的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及：用于根据旋涡测量原理的流量计装置(1)的用于引导流体的测量管(10)，其中，该测量管在流入侧端面中具有流入侧开口并且在流出侧端面中具有流出侧开口，该测量管在流入侧开口和流出侧开口之间沿着轴向方向延伸；布置在该测量管(10)中的钝体(15)，其中，该钝体用作在流体流过该测量管时产生具有流量依赖旋涡频率的卡门涡街；以及至少一个旋涡检测器(16)，该至少一个旋涡检测器(16)用于检测涡街的旋涡并且用于提供旋涡依赖信号；其特征在于，该测量管(10)具有控制阀(14)，该控制阀(14)在旋涡检测器(16)与流出侧端面之间并且与旋涡检测器轴向间隔开，该控制阀(14)环形地收缩该测量管(10)的流动横截面。

Description

根据旋涡测量原理的流量计装置、用于其的测量管和用于测 量介质的流量或流速的方法
技术领域
本发明涉及根据旋涡测量原理的流量计装置、用于该流量计装置的测量管，以及用于测量介质的流量或流速的方法。
背景技术
例如，在“Durchfluss-Handbuch(流量手册)”第四版，2003，ISBN3-9520220-3-9，pg.103ff.中描述了一种通用流量计装置。通用流量计基于如下事实：旋涡从钝体(流体围绕其在管道内流动)两侧交替脱落(shed)，并且形成所谓的卡门涡街(Kármán vortexstreet)，其中，旋涡导致待由旋涡检测器检测的周期性压力波动。对于具体的测量布置，旋涡的脱落频率基本上与流速、斯特劳哈尔数(Strouhal number)(无量纲数)成比例。因此，流速或体积流量可以以简单的方式通过确定旋涡频率来确定。
发明内容
由于测量原理，在钝体处发生压力损耗，在不利的情况下，这会导致旋涡检测器区域中达不到流体介质的蒸汽压。在这种情况下，流动的可靠测量已不再可能。因此，本发明的目的是：找到补救方法。该目的通过根据本发明的测量管、流量计装置以及相应方法实现。
根据本发明的用于根据旋涡测量原理的流量计装置的、用于引导流体的测量管在流量计装置的流入侧端面中具有流入侧开口，以及在流量计装置的流出侧端面中具有流出侧开口，该测量管在流入侧开口和流出侧开口之间沿着轴向方向延伸；
被布置在测量管中的钝体，其中，该钝体用作在流体流过测量管时产生具有流量依赖旋涡频率的卡门涡街；
至少一个旋涡检测器，该至少一个旋涡检测器用于检测涡街的旋涡并且用于提供旋涡依赖信号；
其特征在于，流量计装置具有控制阀，该控制阀在旋涡检测器与流量计装置的流出侧端面之间并且与旋涡检测器轴向地间隔开，该控制阀环形地收缩测量管的流动横截面。
在本发明的一个改进中，控制阀具有流动阻力，该流动阻力不小于流量计装置的流入侧端面与旋涡检测器之间的流动阻力的50％，例如不小于75％，进一步地例如不小于90％，特别是不小于95％。
在本发明的一个改进中，控制阀具有最小流动横截面积，该最小流动横截面积不大于钝体的区域中的最小流动横截面积的1.5倍，例如不大于1.25倍，并且特别是不大于1.1倍。
在本发明的一个改进中，测量管在第一轴向位置处在旋涡检测器与控制阀之间具有第一直径，其中，在第二轴向位置处，控制阀具有第二直径，该第二直径比第一直径小至少1/10，其中，一方面由第一直径和第二直径之间的差与第一轴向位置和第二轴向位置之间的差形成的商不小于2，例如不小于4，并且特别是不小于8。
本发明的一个改进中，控制阀与旋涡检测器轴向地间隔开，其中，轴向距离例如不小于旋涡检测器与控制阀之间的测量管的直径的一半，特别是不小于一个直径。
根据本发明的流量计装置包括：根据本发明的测量管，以及操作和评估电路，该操作和评估电路被配置为确定基于旋涡检测器的信号的旋涡频率和作为旋涡频率的函数的流量测量值。
根据本发明的方法涉及利用根据旋涡测量原理的流量计装置来测量介质的流量或流速，该流量计装置包括：用于引导流体的测量管，其中，该测量管在流量计装置的流入侧端面中具有流入侧开口，并且在流量计装置的流出侧端面中具有流出侧开口，测量管在流入侧开口和流出侧开口之间沿着轴向方向延伸；钝体，该钝体被布置在测量管中，其中，钝体用作在流体流过测量管时产生具有流量依赖旋涡频率的卡门涡街；至少一个旋涡检测器，该至少一个旋涡检测器用于检测涡街的旋涡并且用于提供旋涡依赖信号；评估单元，该评估单元被配置为确定基于信号的旋涡频率和作为旋涡频率的函数的流量测量值；其中，流量计装置具有控制阀，该控制阀在旋涡检测器与流量计装置的流出侧端面之间，该控制阀环形地收缩测量管的流动横截面；其中，流入侧端面处的静压与钝体和控制阀中间的轴向位置处的静压之间的差不大于流入侧端面处的静压与流出侧端面处控制阀的下游的静压之间的差的2/3，尤其是不大于一半。
在本发明的一个改进中，介质具有蒸汽压，其中，钝体与控制阀中间的轴向位置处的静压不小于介质的蒸汽压的1.5倍。
在本发明的一个改进中，流入侧端面处的静压与流出侧端面处的静压之间的差不小于流出侧端面处的静压的20％。
在一个改进中，本发明涉及用于灌装饮料和可流动食品的灌装设备的测量管和流量计装置。
附图说明
现在将基于附图所示的示例性实施例来解释本发明，所示为：
图1：根据本发明俯视图的流量计装置的第一示例性实施例的示例性的纵向视图；
图2：根据本发明侧视图的流量计装置的第二示例性实施例的示例性纵向视图；
图3：根据本发明的流量计装置的第三示例性实施例的示例性纵向视图。
具体实施方式
图1中示出的根据本发明的流量计装置的第一示例性实施例，包括测量管10，该测量管10在流入侧上具有第一凸缘11，以及在流出侧上具有第二凸缘12，以在管道中安装。测量管10在流入侧上具有第一内径d1的第一圆柱形区段13，以及在流出侧上具有第二内径d2的第二圆柱形区段14，其中，第一圆柱形区段和第二区段之间的过渡被设计为径向台阶或径向跳变。流量计装置1还具有钝体15，该钝体15被布置在第一圆柱形区段13中并且垂直于测量管10的纵向轴线延伸穿过测量管，以便随着介质流过测量管10生成卡门涡街。在钝体15下方的流动方向内，流量计装置1具有传感器叶片(sensor vane)16形式的旋涡检测器，该旋涡检测器从测量管壁伸出到测量管中。钝体15和传感器叶片16相对于测量管纵向轴线在其中延伸的公共测量管纵向平面镜像对称。传感器叶片16例如被安装在膜中，并且由旋涡引起的传感器叶片的偏转例如借助于(压电)电阻或压电传感器或电容性传感器(这里未示出)，特别是，具有差动电容的电容性传感器来检测，其中，它们的信号由评估单元处理以确定流量依赖旋涡频率以及计算流量值。例如在公开的专利申请DE10 2013013476 A1、DE102013105363 A1和WO 1998031 88 A1中描述了用于传感器叶片和信号评估的合适的保持器。
第一圆柱形区段13和第二圆柱形区段14之间的直径的上述减小实现节流效果，该节流效果在流动介质中，使得传感器叶片16的区域中的第一圆柱形区段13内的静压被保持在比在流出侧上被连接到测量管并且具有第一管道区段的直径的管道(pipeline)中的静压更高的水平。以这种方式，尽管由测量原理引起在钝体15处的压降，传感器叶片16的区域中的静压仍可以保持在较高水平，特别是，高于在管道内流动的介质的组分的蒸汽压。以这种方式，防止了构件的脱气或空化，因此即使在例如在具有第一直径或流入侧管道的直径的流出侧上被连接到测量管10的管道中蒸汽压达不到目标，测量继续也是可能的并且避免了对流量计装置1的损坏。第一圆柱形区段和第二圆柱形区段之间的直径跳变可以相对于钝体15被设计成使得流入侧端面处的静压与钝体15和控制阀(第二圆柱形区段)14中间的轴向位置处的静压之间的差不大于，在具有第一直径的管道再次被连接在控制阀下游时，流入侧端面处的静压与控制阀下游流出侧端面处的静压之间的差的2/3，尤其是一半。
图2中示出的根据本发明的流量计装置100的第二示例性实施例，包括测量管110，该测量管110在流入侧上具有第一凸缘111并且在流出侧上具有第二凸缘112，以在管道中安装。测量管110具有具有第一内径的中心第一圆柱形区段113，以及流出侧上的具有第二内径的第二圆柱形区段114，其中，第一圆柱形区段和第二区段之间的过渡被设计为径向台阶或径向跳变。在流入侧上，锥形区段118也被连接第一圆柱形区段113的上游，并且将测量管的直径从被连接在流入侧上的管道的直径连续减小到第一圆柱形区段113的直径，以便增加介质的流速。这种直径的减小应该在流动介质的能量损失尽可能小的情况下发生。流量计装置100还具有钝体115，该钝体115被布置在第一圆柱形区段113内，并且垂直于测量管110的纵向轴线延伸穿过测量管，以便生成介质流过测量管110的卡门涡街。测量管110具有两个壁区域，该两个壁区域以膜状方式变薄，并且用作具有电换能器的压力传感器116、117的膜，其中，该膜受到卡门涡街的不同的影响。压力传感器116、117一起形成旋涡检测器，其中，它们的传感器信号之间差的波动由操作和评估电路120评估，以便确定旋涡频率，并且因此确定流量。
第一圆柱形区段113与第二圆柱形区段114之间直径的上述减小实现了节流效果，该节流效果在流动介质中，使得压力传感器116、117的膜区域中的第一圆柱形区段113内静压被保持在比在流出侧上被连接到测量管并且在流入侧端面上具有测量管的直径的管道中的静压更高的水平。以这种方式，尽管由测量原理引起在钝体15处的压降，但是压力传感器116、117的膜区域中的静压仍可以保持例如高于在管道中流动的介质的组分的蒸汽压。
图3示出的根据本发明的流量计装置200的第三示例性实施例，包括测量管210，该测量管210在流入侧上具有第一凸缘211并且在流出侧上具有第二凸缘212，以在管道内安装。测量管210具有中心圆柱形区段213，该中心圆柱形区段213具有第一内径。在流入侧上，锥形区段218连接圆柱形区段213的上游，并且将测量管的直径从被连接在流入侧上的管道的直径连续地减小到第一圆柱形区段113的直径，以便增加流介质的流速。在流出侧上，锥形区段219也被连接圆柱形区段213的下游，并且沿着流出侧端面的方向连续地增加测量管210的直径，其中，测量管210在流出侧端面上具有环形盘状控制阀214，该控制阀的内径相对于邻接的锥形区段的直径突然减小，特别是，相对于中心圆柱形区段213的直径突然减小。
流量计装置200还具有钝体215，该钝体215被布置在第一圆柱形区段213中，并且垂直于测量管210的纵向轴线延伸穿过测量管，以便随着介质流过测量管210生成卡门涡街。测量管210具有两个壁区域，该两个壁区域以膜状方式变薄，并且用作具有电换能器的压力传感器216、217的膜，其中，该膜受到卡门涡街的不同的影响。压力传感器216、217一起形成旋涡检测器，其中，它们的传感器信号之间的差的波动由操作和评估电路120评估，以便确定旋涡频率，并且因此确定流量。
环形盘状控制阀214处的直径跳变具有如下效果：在流动介质中，压力传感器的膜区域中的中心圆柱形区段213中的静压被保持在比在流出侧上被连接到测量管并且具有流入侧端面上的直径的管道中的静压更高的水平。以这种方式，尽管由测量原理在钝体215处引起压降，压力传感器位置处的静压仍可以保持在较高水平，特别是，高于在管道内流动的介质的组分的蒸汽压。

Claims (18)

1.一种用于根据旋涡测量原理的流量计装置(1、100、200)的、用于引导流体的测量管(10、110、210)，其中，所述测量管在流入侧端面中具有流入侧开口并且在流出侧端面中具有流出侧开口，所述测量管在所述流入侧开口和所述流出侧开口之间沿着轴向方向延伸；
钝体(15、115、215)，所述钝体(15、115、215)被布置在所述测量管(10、110、210)中，其中，所述钝体用作在流体流过所述测量管时产生具有流量依赖旋涡频率的卡门涡街；
至少一个旋涡检测器(16、116、117、216、217)，所述至少一个旋涡检测器(16、116、117、216、217)用于检测所述涡街的旋涡并且用于提供旋涡依赖信号；
其特征在于：所述测量管(10、110、210)具有节流阀(14、114、214)，所述节流阀(14、114、214)在所述旋涡检测器(16、116、117、216、217)与所述流出侧端面之间并且与所述旋涡检测器轴向地间隔开，所述节流阀(14、114、214)环形地收缩所述测量管(10、110、210)的流动横截面；
其中，所述测量管在第一轴向位置处在所述旋涡检测器与所述节流阀之间具有第一直径(d1)，其中，在第二轴向位置处，所述节流阀具有第二直径(d2)，所述第二直径(d2)比所述第一直径小至少1/10，其中，一方面由所述第一直径和所述第二直径之间的差与所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间的差形成的商不小于2，其中，所述第一直径与所述第二直径之间的过渡是突然的。
2.根据权利要求1所述的测量管(10)，其中，所述节流阀具有流动阻力，所述流动阻力不小于所述测量管的所述流入侧端面与所述旋涡检测器之间的流动阻力的50％。
3.根据权利要求1所述的测量管(10)，其中，所述节流阀具有流动阻力，所述流动阻力不小于所述测量管的所述流入侧端面与所述旋涡检测器之间的流动阻力的75％。
4.根据权利要求1所述的测量管(10)，其中，所述节流阀具有流动阻力，所述流动阻力不小于所述测量管的所述流入侧端面与所述旋涡检测器之间的流动阻力的90％。
5.根据权利要求1所述的测量管(10)，其中，所述节流阀具有流动阻力，所述流动阻力不小于所述测量管的所述流入侧端面与所述旋涡检测器之间的流动阻力的95％。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的测量管(10)，其中，所述节流阀(14)具有最小流动横截面积，所述最小流动横截面积不大于所述钝体的区域中的最小流动横截面积的1.5倍。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的测量管(10)，其中，所述节流阀(14)具有最小流动横截面积，所述最小流动横截面积不大于所述钝体的区域中的最小流动横截面积的1.25倍。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的测量管(10)，其中，所述节流阀(14)具有最小流动横截面积，所述最小流动横截面积不大于所述钝体的区域中的最小流动横截面积的1.1倍。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的测量管(10)，其中，所述第二直径(d2)比所述第一直径小至少1/10，其中，一方面由所述第一直径和所述第二直径之间的差与所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间的差形成的商不小于4。
10.根据权利要求9所述的测量管(10)，其中，一方面由所述第一直径和所述第二直径之间的差与所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间的差形成的商不小于8。
11.根据权利要求1-5中的任一项所述的测量管(10)，其中，所述节流阀(14)与所述旋涡检测器(16)轴向地间隔开，其中，轴向距离不小于所述旋涡检测器与所述节流阀之间的所述测量管在第一轴向位置处的第一直径(d1)的一半。
12.根据权利要求1-5中的任一项所述的测量管(10)，其中，所述节流阀(14)与所述旋涡检测器(16)轴向地间隔开，其中，轴向距离不小于所述旋涡检测器与所述节流阀之间的所述测量管在第一轴向位置处的第一直径(d1)。
13.一种根据旋涡测量原理的流量计装置(100)，包括：根据权利要求1-12中任一项所述的测量管(10)，以及
评估单元，所述评估单元被配置为确定基于所述旋涡检测器的信号的旋涡频率和作为所述旋涡频率的函数的流量测量值。
14.一种利用根据旋涡测量原理的流量计装置(1、101)来测量介质的流量或流速的方法，所述流量计装置包括：
测量管(10)，所述测量管(10)用于引导流体，其中，所述测量管在流入侧端面中具有流入侧开口并且在流出侧端面中具有流出侧开口，所述测量管在所述流入侧开口和所述流出侧开口之间沿着轴向方向延伸；
钝体(15)，所述钝体(15)被布置在所述测量管(10)中，其中，所述钝体用作在流体流过所述测量管时产生具有流量依赖旋涡频率的卡门涡街；
至少一个旋涡检测器(16)，所述至少一个旋涡检测器(16)用于检测所述涡街的旋涡并且用于提供旋涡依赖信号；
操作和评估电路，所述操作和评估电路被配置为确定基于所述信号的旋涡频率和作为所述旋涡频率的函数的流量测量值；
其中，所述流量计装置具有节流阀，所述节流阀在所述旋涡检测器与所述流量计装置的所述流出侧端面之间，所述节流阀环形地收缩所述测量管的流动横截面；
其中，所述流入侧端面处的静压与所述钝体和所述节流阀中间的轴向位置处的静压之间的差不大于所述流入侧端面处的静压与所述流出侧端面处所述节流阀的下游的静压之间的差的2/3。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述流入侧端面处的静压与所述钝体和所述节流阀中间的轴向位置处的静压之间的差不大于所述流入侧端面处的静压与所述流出侧端面处所述节流阀的下游的静压之间的差的一半。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述介质具有蒸汽压，其中，所述钝体与所述节流阀中间的所述轴向位置处的静压不小于所述介质的所述蒸汽压的1.5倍。
17.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述流入侧端面处的静压与所述流出侧端面处的静压之间的差不小于所述流出侧端面处的静压的20％。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述流入侧端面处的静压与所述流出侧端面处的静压之间的差不小于所述流出侧端面处的静压的20％。
CN201880083328.0A 2017-12-29 2018-12-10 根据旋涡测量原理的流量计装置、用于其的测量管和用于测量介质的流量或流速的方法 Active CN111566453B (zh)

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