CN1503897A - 涡流频率-流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量通过管道的液体或气体介质流量的涡流频率－流量计，该流量计具有一个固定在管道中的阻流体，它具有基本平行于流动方向的、在两个流动方向上被涡流分离棱边限定的侧面，其中在两个侧面中的至少一个侧面上设置至少一个传感器用于测量从分离棱边周期性分离的涡流。本发明要解决的技术问题是，进一步改进这样一种形式的涡流频率－流量计，使得该流量计不仅能够在两个流动方向上进行测量工作而且还能够以简单的机构测量流动方向。这个技术问题由此得到解决，至少一个传感器(16)在流动方向(20，21)上看去偏心地设置在分离棱边(8，8.1；9，9.1)之间。

Description

涡流频率-流量计
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于测量通过管道的液体或气体介质流量的涡流频率-流量计。
涡流频率-流量计利用在一个设置在流体中的扁平的阻流体上的涡流分离。在此存在这种现象，即，涡流交变地被位于阻流体绕流表面对面的侧面分离。由此构成一个所谓的卡曼涡流街，即，涡流在其消散之前，在阻流体后面在流体中还保持一段距离。涡流频率-流量计充分利用这样的知识，对于一定的阻流体轮廓在一个大的流动速度范围上在涡流分离与流动速度之间存在着线性关系，换句话说，通过测量频率可以直接推断出流动速度并由此推断出流体流量。因此除了一个阻流体以外用于测量涡流分离或由此产生的流体参数变化(如压力、速度、温度)的传感机构也属于一个具有涡流频率-流量计的测量装置的结构。
对于首先在文献中描述的且也首先在商业上应用的涡流频率-流量计，阻流体由一个杆型材构成，它径向地在通流横截面里延伸。在GB 140 12 72，US 4 206 642，US 4 285 247，DE  37 14 344 C2，DE 4102 920 C2，US 3 979 954，EP 0 077 764，US 4 434 668，US 4 922 759，US5 214 965，US 5 321 990和EP 0 666 468中可以找到具有这种绕流体的涡流频率-流量计的示例。
后来对涡流频率-流量计添加了一种环状阻流体。与杆状阻流体相比对于相同的、纯粹的通流横截面阻隔(压力损失)环状阻流体具有更小的截面宽度。由此对于相同的绕流速度产生更高的涡流频率，即，与杆状阻流体相比测量分辨率更好。在GB 1 502 260，WO88/04410，DE 32 20 539，DE 28 02 009，US 5 170 671，US 5 289 726，JP560 22 963，JP 59 19 8317，JP 11 48 912，JP 11 48 913和JP 11 48914中可以找到具有一个环状阻流体的涡流频率-流量计的示例。目前具有一个环状阻流体的涡流频率-流量计没有在实践中付诸实施。
在DE 28 02 009中描述了一种具有一个环状阻流体的涡流频率-流量计。在一个实施例中这种阻流体具有一个矩形横截面，即，它具有平行于流动方向的、在两个流动方向上被涡流分离棱边限定的侧面，其中所述阻流体的横截面在分离棱边之间在流动方向和垂直于流动方向上是对称的。因此它适合于在两个方向上测量流动。径向支杆将阻流体同心地固定在管道里面。为了测量阻流体上的涡流分离在阻流体本身上或在其周围、例如管壁上配有压力灵敏或速度灵敏探测器。DE 28 02 009没有给出这种探测器的布置和结构的详细说明。
GB 140 12 72描述了一种具有一个杆状阻流体的涡流频率-流量计，该阻流体同样构成在两个方向上的流量测量。这个阻流体在径向和轴向上中间地具有一个通孔，它从阻流体的一个侧面延伸到另一侧面并在两侧通过与侧面平齐密封的膜片封闭。该通孔充满油，使膜片液压地相互连接。在通孔中设置一个压电传感器，它检测通过膜片由于涡流分离通过充满的油传递的压力脉冲。
因此本发明的目的是，提供一种涡流频率-流量计，它不仅能够在两个流动方向上进行测量工作而且还能够以简单的机构实现流动方向的测量。
这个目的按照本发明通过具有权利要求1特征的涡流频率-流量计而实现。
本来就存在的且必需的至少一个传感器在流动方向上看去偏心地设置在分离棱边之间，仅仅由此就不仅能够在两个流动方向上进行测量，而且也能够附加地测量流动方向。这种效果由此实现，由于轴向相对于两个分离棱边之间的中间位置错置至少一个传感器使得由于涡流分离产生的如压力、温度和速度的参数变化在两个流动方向上是不同的，因此根据这个差别可以识别流动方向。对于这种解决方案不需要关于涡流频率-流量计设计结构以及附加测量装置方面的更多费用。将实际测得的频率和振幅与在一定条件下测得的频率-振幅特性进行比较，其结论明确地对应于一个确定的流动方向，但是这个优点是通过增加数据处理费用换来的。
数据处理费用在本发明的另一设计方案中由此避免，即，上述至少一个传感器对应一个在流动方向上与之错置的并位于同一流动线上的第二个传感器。对于这种传感器布置可以无需与存储的频率-振幅特性进行比较地获得流动方向，将实际测得的振幅直接相互比较，其中由振幅差获得流动方向。对于相应的特性为了获得流动方向也可以考虑两个传感器信号在时间上的偏差。
代替这两个传感器在流动方向上前后的布置也可以将这两个传感器分布在杆状阻流体的高度上或一个环状阻流体的圆周上并在流动方向上相互错开地设置。通过这种布置伴随着识别流动方向的优点还具有可以测得流动非对称性的优点。不言而喻，传感器数量的增加提高了非对称测量的精度。
如果传感器在相反的方向上偏心地设置在分离棱边之间，即相互间具有尽可能大的距离是有优点的，因为这时两个流动方向的信号差最大。
在这方面如果采用微型传感器对本发明的设计方案是有利的。由于微型传感器微小的尺寸它们可以非常紧密地靠近在分离棱边上，因此一方面在轴线上错置的传感器之间最佳地得到大的距离，另一方面得到强的信号。
如果在本发明的设计方案中对于位于阻流体侧面上对面设置的测量位置，将它们通过通孔相互连接，则显示出另一优点。由此使两侧的压力下降和压力增加相加，使得与没有这种连接的测量点比较得到一个倍增的压力振幅，由此产生一个非常高的测量灵敏性。因此压差传感器尤其适用于这种解决方案。
此外，如果通孔两侧通过基本上与外侧和内侧表面平齐密封的膜片进行封闭是有利的。由此避免通孔的阻塞以及避免通过通孔的横流形成涡流。
下面借助于实施例详细描述本发明；在附图中：
图1为一个安装在管道里的涡流频率-流量计的原理截面图，该流量计具有环状阻流体和一个在阻流体后面形成的卡曼涡流街，
图2-8为一个安装在管道里的涡流频率-流量计的原理截面图，该流量计具有杆状阻流体和不同的传感器布置
图9为一个用于表示两个流动方向信号差的压力-时间曲线图，
图10以放大的比例示出图2中的A-A截面图，
图11以放大的比例示出图3中的B-B截面图，
图12，13为涡流频率-流量计的立体图，该流量计具有一个环状阻流体和不同的传感器布置，
图14为不同的可能的阻流体横截面。
图1示出一个管道1，一个涡流频率-流量计2装进管道里面。这个流量计由一个外卡紧环3和一个内阻流环4组成，其中所述阻流环4通过三个径向上以120°角间距设置的、在图1中未示出的支杆与所述卡紧环3刚性连接。这些支杆5在图12和13中示出，其中在这里配有两个或四个支杆5用于固定阻流环4。所述卡紧环3用于将所述涡流频率-流量计2装进管道1里面，该流量计夹紧在两个未示出的法兰之间。流量计的内径等于管道1的内径R0，因此使管道的内壁6通过卡紧环3的内侧连续地过渡并且在这里不产生涡流。所述阻流环4的绕流面7(流动方向通过箭头20表示)设计成一个在流动技术上扁平的、垂直于流动平面，通过尖锐的分离棱边8和9限定该平面的内侧和外侧。在这个分离棱边8，9上环涡流10和11以相同的频率交变地分离，其中环涡流10对应于较大的分离棱边8直径而环涡流11对应于较小的分离棱边9的直径。因为阻流环4通过支杆同心地固定在管道1里面，所以阻流环在形成满管流动的情况下位于一个圆形等流速线上，如同由在图1中所示的涡流速度箭头12所给出的那样。由此可以非常均匀地实现涡流分离，使得环涡流10和11在其分散之前还相对较长地在涡流频率-流量计2后面保留所谓的卡曼涡街。
对于在实施例中所选择的杆状和环状阻流体4，其横截面13为矩形。这样的横截面13对于其两个主轴19，22在流动方向20，21和垂直于流动方向20，21上是对称的，使得在与流动方向21(见图1)相反绕流涡流频率-流量计2时出现相同的特性(所述涡流10，11从分离棱边8.1和9.1分离)，换句话说，对于这种横截面一个对于两个绕流方向一定的绕流速度产生相同的频率。尽管在两个方向上存在体积流测量的可能，但是通过涡流频率-流量计能够减少信号处理费用。
在图14中示例性地示出所述阻流体4的其它横截面13，它们构成在两个流动方向上的测量体。在下面的描述中以一个矩形横截面(图14.2，14.3)为例，其中这些叙述对于其它横截面当然也是有效的。
对于装进阻流环4的传感器涉及微型传感器16(图10，11)。它们在图2至8和12和13中仅象征性地通过圆圈表示。如同已经述及的，在所述分离棱边8，9或8.1，9.1上分离的涡流导致局部的速度和压力波动。因此所有能够测量这些数值或与这些数值有关的参数的测量原理都是适用的。因此适用的传感器示例为：压差传感器、绝对压力传感器、流体总阻传感器、流体摩擦传感器、热损失传感器和热分布传感器。这些传感器类型对于专业人员通常是已知的，因此也能够将这些结构原理转用于微技术，即可以使这些已知的传感器类型微型化。因此微型传感器16在图10，11中以黑盒子形式表示，因为在这里重要的是通过微型传感器16实现的测量原理，而不是其准确的结构。
对于所选的实施例使用压差传感器16，但是本发明不局限于此。在通过压差传感器16进行测量时呈现两个测量点16.1，16.2，它们位于所述横截面13的侧面17，18上。所述测量点16.1，16.2通过一个通孔23相互连接。如图10和11所示，对于测量点16.1，16.2不仅关系到压差-微型传感器16而且关系到通孔23的输出。通过通孔23将压差叠加到侧面17，18上。因为由于涡流交变地分散，在两个侧面17，18中的一侧上的压力升高基本等于另一侧上的压力下降，因此导致信号振幅倍增，即导致大的测量信号强度，由此使测量灵敏性大大提高。
下面借助于图2至8详细描述按照本发明的用于测量流动方向的传感器布置。这些附图示出一个装进管道1里面的涡流频率-流量计2，它具有一个杆状的阻流体4。在这里示出涡流的流动箭头12。
为了测量流量和流动方向在原理上一个传感器16就足够了。这种简单的情况在图2中表示。由这个示意图可以看出，所述压差-微型传感器16设置在管道轴线的高度上并与流动方向20相反地、即向着分离棱边8，9位移。对于这种布置在相同流动速度的前提下在来自方向20的绕流情况下所测得的压力振幅要大于在来自方向21的绕流情况下所测得的压力振幅。这个事实在图9中的曲线中表示，其中曲线A从属于流动方向20而曲线B从属于流动方向21。但是，因为两个频率、即在流动方向20或21上的两个速度可以从属于一个振幅值，所以仅仅通过振幅还不能够推断出流动方向20，21。为此还必需一个由下面确定的条件获得的频率-振幅副的通用特性曲线族，将实际测量值与它们进行比较。对于只安装一个传感器16的布置则要增加数据处理费用。
通过如图3所示的布置可以避免这种费用。在这里配有两个压差-微型传感器16，它们位于一个高度上，在图示情况下位于管道轴线的高度上。两个压差-微型传感器16相对于横截面13的主轴19平均地位移到分离棱边8，8.1或9，9.1(见图11)。传感器16与两个流动方向20，21相反的布置提高了方向识别的可靠性并主要减少了数据处理费用，因为可以直接进行信号振幅比较(见图9)，而无需象图2所示的布置那样必需追溯到被存储的特性曲线族。与这种布置相比的另一优点在于增加了测量盈余。
与图2所示布置相比增加测量盈余也可以通过图4所示的传感器分布实现。在这里两个压差-微型传感器16在同一方向上、即向着分离棱边8，9以相同的长度布置，其中传感器16与管道轴线的距离rM是相等的。除了测量流量和流动方向20，21以外，如果增加相应的数据处理费用，通过这种布置存在着测量通流非对称性的可能性。在识别流动方向20，21方面存在与图2所示布置相同的缺陷。但是这种缺陷可以与图3的解决方案类似地通过倍增的传感器16得到解决，这一点在图5中表示。
但是也可以通过更简单的、在图6中所示的解决方案避免这种缺陷。在这里两个以与管道轴线相等距离设置的压差-微型传感器16在相反的方向上错开地设置。因为它们对于对称的绕流由于对于管道轴线相等的距离检测到相同的局部通流速度、即频率，这种涉及到测量流动方向20，21的布置对应于图3所示的传感器布置具有能够测量通流非对称性的优点。
当然，通过增加分布在阻流体4高度上的传感器16数量提高了非对称测量的精度。图7示出一种传感器布置，其中与在图6中所示的布置相比增加了一个第三的中间测量点。因为对于这个中间位置不存在比较位置，所以这个位置设置在分离棱边8，9与8.1，9.1的中间。同样可以设想将这个中间的测量位置布置在这个或另一个流动方向20，21上，以使这个测量位置的信号振幅对于一定的主流动方向20，21最大化。
在图8中示出一个阻流体4，它具有四个成对布置的压差-微型传感器16，其中一对压差-微型传感器16对于管道轴线分别具有相等的距离rM1或rM2。如图5所示布置那样，这种布置也产生一个关于流动方向20，21识别的盈余。
作为测量位置布置的另一变化可以设想，所有测量位置在一个方向上布置在管道轴线下方而所有测量位置在另一方向上布置在管道轴线上方。
图12和13示出具有环状阻流体4的涡流频率-流量计2，其传感器布置可以与图6或8进行比较。因此对于杆状阻流体4的描述也相应有效。

Claims (9)

1.一种用于测量通过管道(1)的液体或气体介质流量的涡流频率-流量计，该流量计具有一个固定在管道中的阻流体(4)，它具有基本平行于流动方向的、在两个流动方向(20，21)上被涡流分离棱边(8，8.1；9，9.1)限定的侧面(17，18)，其中分离棱边(8，8.1；9，9.1)之间的阻流体(4)的横截面在流动方向(20，21)上和垂直于流动方向(20，21)上是基本对称的并在两个侧面(17，18)中的至少一个侧面上设置至少一个传感器(16)用于测量从分离棱边(8，8.1；9，9.1)周期性分离的涡流(10，11)，其特征在于，为了测量流动方向至少一个传感器(16)在流动方向(20，21)上看去偏心地设置在分离棱边(8，8.1；9，9.1)之间。
2.如权利要求1所述的涡流频率-流量计，其特征在于，所述阻流体(4)是杆状、环状或至少部分环状的。
3.如权利要求1或2所述的涡流频率-流量计，其特征在于，所述至少一个传感器(16)对应一个在流动方向(20，21)上与之错开的且位于同一流动线上的第二个传感器(16)。
4.如权利要求2或3所述的涡流频率-流量计，其特征在于，具有至少两个在所述杆状阻流体(4)高度上或所述至少部分环状的阻流体(4)圆周上分布的且在流动方向(20，21)上相互错开的传感器(16)。
5.如权利要求4所述的涡流频率-流量计，其特征在于，所述传感器(16)成对地布置并且一对传感器(16)与管道轴线的距离是相等的。
6.如权利要求3至5中任一项所述的涡流频率-流量计，其特征在于，所述传感器(16)在相反的方向上偏心地设置在分离棱边(8，8.1；9，9.1)之间。
7.如上述权利要求中任一项所述的涡流频率-流量计，其特征在于，对于在所述阻流体(4)侧面(17，18)上位于对面的测量位置(16.1，16.2)，将这些位置通过一个通孔(23)相互连接。
8.如权利要求7所述的涡流频率-流量计，其特征在于，所述通孔(23)在两侧通过基本上与侧面(17，18)表面平齐密封的膜片封闭。
9.如上述权利要求中任一项所述的涡流频率-流量计，其特征在于，所述传感器(16)是微型传感器。
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