DE102004047242A1 - Wirbeldurchflussmesser - Google Patents
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Abstract
Wirbeldurchflussmesser mit einem geschlossenen Messrohr (1), durch welches ein mengenmäßig zu messendes fließfähiges Medium (2) strömt, das einen hierin angeordneten Störkörper (3) anströmt, wobei ein in Strömungsrichtung nachgeordneter Schwingungssensor (4) die durch den Störkörper (3) erzeugte Wirbelfrequenz erfasst, welche eine dem Schwingungssensor (4) nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit (5) in ein den Mengen- oder Volumendurchfluss entsprechendes elektrisches Signal (6) umwandelt, wobei Mittel zur signaloptimierenden Veränderung der relativen Position zwischen Messrohr (1) und Störkörper (3) und/oder Messrohr (1) und Schwingungssensor (4) vorgesehen sind.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wirbeldurchflussmesser mit einem geschlossenen Messrohr, durch welches ein mengenmäßig zu messendes Medium strömt, das einen hierin angeordneten Störkörper anströmt, wobei ein in Strömungsrichtung nachgeordneter Schwingungssensor die durch den Störkörper erzeugte Wirbelfrequenz erfasst, welcher eine dem Schwingungssensor nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit in ein den Mengen- oder Volumendurchfluss entsprechendes elektrisches Signal umwandeln.
- Das Einsatzgebiet derartiger Wirbeldurchflussmesser erstreckt sich vornehmlich auf Anwendungen in der chemischen Industrie, der pharmazeutischen Industrie, der Papierindustrie oder der Nahrungs- und Genussmittelindustrie, um beispielsweise eine kontinuierliche Messung des Mengen- oder Volumendurchflusses in Rohrleitungen des Wasser/Abwasserbereichs von Herstellungsanlagen zu ermöglichen.
- Geräte zur Durchfluss- und Mengenmessung in derartigen geschlossenen Rohrleitungen werden unterteilt in Durchflussmesser (z.B. Coriolis-Massedurchflussmessesr) und die hier interessierenden Mengenmesser bzw. Volumenzähler (z.B. Wirbeldurchflussmesser).
- Wirbeldurchflussmesser sind seit vielen Jahren allgemein bekannt und dienen vornehmlich der mengenmäßigen Messung von Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen als fließfähige Medien in geschlossenen Rohrleitungen. Wirbeldurchflussmesser arbeiten nach dem physikalischen Prinzip der Kármánschen Wirbelstraße, bei der die Wirbelfrequenz nach einem angeströmten Störkörper gemessen wird. Trifft nämlich ein strömendes Medium auf ein Hindernis, bilden sich Druckschwankungen im Medium, die zu Wirbelablösungen an dem Hindernis führen. Dieses Phänomen machen sich Wirbeldurchflussmesser zunutze. Über den geometrisch definierten Störkörper werden Wirbelablösungen im Durchflussmesser erzeugt, deren Frequenz mit dem nachgeschalteten Schwingungssensor erfasst werden. Dabei sind die Schwingungssensoren üblicherweise entweder in einem festen Abstand hinter dem Störkörper positioniert oder direkt am Störkörper
- Ein Problem bei dieser Durchflussmesstechnik resultiert daraus, dass die optimale Positionierung des Schwingungssensors hinter dem Störkörper von den fluidmechanischen Gegebenheiten, d.h. insbesondere der Viskosität und der Reynoldszahl des Mediums, abhängt. Somit ist die Positionierung des Schwingungssensors nur für eine einzige fluidmechanische Konfiguration – beispielsweise Wasser als fließfähiges Medium – optimal. Die Positionierung des Schwingungssensors kann bei Veränderung der fluidmechanischen Konfiguration nicht in das neue Optimum nachgestellt werden.
- Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wirbeldurchflussmesser der vorstehend angegebenen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass eine flexible Anpassung an unterschiedliche fludimechanische Konfigurationen auf einfache Weise möglich wird.
- Die Aufgabe wird ausgehend von einem Wirbeldurchflussmesser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
- Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einem Wirbeldurchflussmesser Mittel zur signaloptimierenden Veränderung der relativen Position zwischen Messrohr und Störkörper und/oder Messrohr und Schwingungssensor vorgesehen sind.
- Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass hierdurch eine adaptive Sensorpositionierung ermöglicht wird, um beispielsweise einen einzigen Wirbeldurchflussmesser für verschiedene fließfähige Medien zu nutzen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein optimales Messsignal entweder durch eine Veränderung der relativen Position zwischen Messrohr und Störkörper oder auch durch eine Änderung der relativen Position zwischen Messrohr und Schwingungssensor oder beidem erzielbar ist. Diese Erkenntnis bietet verschiedene technische Ansatzpunkte, um für verschiedene fluidmechanische Konfigurationen eine optimales Messsignal – insbesondere eine maximale Amplitude – einzustellen. Denn entweder kann der Störkörper relativ zum Schwingungssensor und dem Messrohr lageverändert werden oder der Schwingungssensor kann relativ zum Messrohr und dem Störkörper lageverändert werden. Es ist auch denkbar sowohl Schwingungssensor als auch Störkörper bewegbar auszuführen.
- Zu diesem Zwecke können die Mittel zur signaloptimierenden Veränderung der relativen Position in Radialrichtung wirken. Bei einer möglichen Ausführungsform kann der Störkörper oder der Schwingungssensor einen Stößel umfassen, welcher abgedichtet durch eine korrespondierende Wandöffnung im Messrohr hindurchgeführt ist, um von außen her eine Radialverstellung des Störkörpers bzw. Schwingungssensors vorzunehmen. Abhängig von der relativen Position des Störkörpers oder Schwingungssensors im Messrohr ändert sich das den Mengen- oder Volumendurchfluss entsprechende elektrische Signal. Daher kann über die Änderung der relativen Position in Radialrichtung das elektrische Signal optimal eingestellt werden.
- Daneben ist es auch möglich, dass die Mittel zur signaloptimierten Veränderung der relativen Position in Axialrichtung zum Messrohr wirken. Bei einer möglichen Ausführungsform kann hierfür ein mit dem Störkörper oder dem Schwingungssensor verbundene Mitnehmer vorgesehen werden, der über eine Schieberankopplung durch das Messrohr hindurchgeführt ist, um von außen her die Axialverstellung des Störkörpers bzw. Schwingungssensors vorzunehmen. Vorzugsweise ist der Mitnehmer zweiteilig aufgebaut. Ein im Messrohr angeordnetes und mit dem Störkörper bzw. Schwingungssensor verbundenes Mitnehmerteil ist hierbei über eine magnetische Kopplung mit einem außen liegenden Mitnehmerteil verbunden. Wird nun das außen liegende Mitnehmerteil in Axialrichtung zum Messrohr bewegt, so ändert sich entsprechend die axiale Positionierung des hiermit gekoppelten Störkörpers bzw. Schwingungssensors. Es ist jedoch auch denkbar, die Schieberankopplung durch das Messrohr hindurch über einen abgedichteten Längsschlitz durchzuführen. In diesem Fall sind jedoch geeignete Maßnahmen zur Schlitzabdichtung, wie diese aus dem Bereich der Hydraulik bekannt sind, einzusetzen.
- Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die relative Position des Störkörpers oder Schwingungssensors im Messrohr in Radialrichtung und in Axialrichtung gleichermaßen zu verstellen, um ein optimales Messsignal zu erhalten oder die Messtechnik an unterschiedliche fluidmechanische Konfigurationen anzupassen.
- Nach einer möglichen Ausführungsvariante kann die signaloptimierende Veränderung der relativen Position in Axialrichtung und/oder Radialrichtung über manuelle Betätigungselemente erfolgen. Solche manuellen Betätigungselemente können beispielsweise nach Art von Stellschrauben und dergleichen ausgebildet sein, welche eine Veränderung der relativen Position von Hand ermöglichen.
- Nach einer weiteren Ausführungsvariante kann die signaloptimierende Veränderung der relativen Position in Axialrichtung und/oder Radialrichtung über mit einer Hilfsenergie bewegbare Stellglieder erfolgen. Hierfür eignen sich beispielsweise elektrische Linearantriebe, wie Proportionalmagnete und dergleichen.
- Werden derartige Stellglieder zur Positionsänderung verwendet, so lassen diese sich in einen Regelkreis integrieren, welcher insbesondere zur Maximierung der Signalamplitude dient und über den Schwingungssensor den Istwert erfasst, die vom Schwingungssensor erfassbare Signalamplitude maximiert. Der Vorteil eines derartigen Regelkreises besteht darin, dass eine automatische Signaloptimierung vorgenommen werden kann. Durch einen solchen Regelkreis können auch Informationen über verschiedene physikalische Eigenschaften des strömenden Mediums gewonnen werden, beispielsweise wenn die Signalamplitude von der Reynoldszahl abhängt.
- Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme kann die Auswerteeinheit auch über definierte axiale Verschiebungen von Störkörper oder Schwingungssensor Unsymmetrien um Strömungsprofil des strömenden Mediums ermitteln, um hierüber falsche Einbaubedingungen des Wirbeldurchflussmessers zu diagnostizieren.
- Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die Figur zeigt einen Wirbeldurchflussmesser mit Mitteln zur signaloptimierenden Veränderung von Bauteilen.
- Gemäß Fig. ist ein geschlossenes Messrohr
1 von einem fließfähigen Medium2 durchströmt. Innerhalb des Messrohrs1 ist ein Störkörper3 angeordnet, welcher vom fließfähigen Medium2 angeströmt wird, so dass sich nachfolgend im fließfähigen Medium2 Wirbel bilden. Die Frequenz der so gebildeten Wirbel wird von einem in Strömungsrichtung nachgeordneten Schwingungssensor4 erfasst. Die Wirbelfrequenz ist insbesondere abhängig von der Viskosität und Reynoldszahl des fließfähigen Mediums2 sowie von der Strömungsgeschwindigkeit. Die vom Schwingungssensor erfasste Wirbelfrequenz geht einer nachgeschalteten elektronischen Auswerteeinheit5 eingangsseitig zu, welche hieraus über an sich bekannte mathematische Zusammenhänge ein den Mengen- oder Volumenfluss entsprechendes elektrisches Signal6 erzeugt. - Die relative Position zwischen Messrohr
1 und Störkörper3 sowie auch die relative Position zwischen Messrohr1 und Schwingungssensor4 lässt sich bei diesem Ausführungsbeispiel in Axialrichtung, d.h. in Strömungsrichtung des fließfähigen Mediums2 , verändern, um das elektrische Signal zu optimieren, also eine maximale Amplitude sicherzustellen. Die maximale Amplitude ist – wie vorstehend erläutert – abhängig von den fluidmechanischen Gegebenheiten des fließfähigen Mediums. - Der Störkörper
3 und der Schwingungssensor4 sind mit jeweils zugeordneten Stößeln7a bzw.7b an ein Stellglied8 angekoppelt. Beim Stellglied8 handelt es sich hier um zwei zu einer Baueinheit zusammengefasste elektrische Linearantriebe, welche je einem Stößel7a bzw.7b zugeordnet sind, um die Position von Störkörper3 und Schwingungssensor4 in Axialrichtung zu verändern. Zu diesem Zwecke sind beider Stößel7a und7b durch eine schlitzartige Wandöffnung9 im Messrohr1 durchgeführt, welche mit an sich bekannten Abdichtmaßnahmen ein Austreten des fließfähigen Mediums2 aus dem Messrohr1 an die Atmosphäre verhindert. - Das Stellglied
8 ist Teil eines Regelkreises zur Maximierung der Signalamplitude, dessen Regeleinheit10 eingangsseitig mit dem Schwingungssensor4 zur Istwert-Erfassung in Verbindung steht. Die Regeleinheit10 ist integraler Bestandteil der elektronischen Auswerteeinheit5 , welche beispielsweise als speicherprogrammierbare Steuerung ausgebildet sein kann. Die Maximierung der Signalamplitude im Sinne einer signaloptimierenden Veränderung der relativen Position zwischen Messrohr1 und Störkörper3 bzw. Messrohr1 und Schwingungssensor4 erfolgt automatisch. - Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche Gebrauch machen. So ist es beispielsweise auch möglich, eine signaloptimierende Veränderung der relativen Position zwischen Messrohr
1 und Störkörper3 oder Messrohr1 und Schwingungssensor4 in Radialrichtung durchzuführen. Dieses kann durch eine entsprechende Auf- und Abbewegung der Stößel7a bzw.7b erfolgen. -
- 1
- Messrohr
- 2
- fließfähiges Medium
- 3
- Störkörper
- 4
- Schwingungssensor
- 5
- elektronische Auswerteeinheit
- 6
- elektrisches Signal
- 7
- Stößel
- 8
- Stellglied
- 9
- Wandöffnung
- 10
- Regeleinheit
Claims (10)
- Wirbeldurchflussmesser mit einem geschlossenen Messrohr (
1 ), durch welches ein mengenmäßig zu messendes fließfähiges Medium (2 ) strömt, das einen hierin angeordneten Störkörper (3 ) anströmt, wobei ein in Strömungsrichtung nachgeordneter Schwingungssensor (4 ) die durch den Störkörper (3 ) erzeugte Wirbelfrequenz erfasst, welche eine dem Schwingungssensor (4 ) nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit (5 ) in ein den Mengen- oder Volumendurchfluss entsprechendes elektrisches Signal (6 ) umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur signaloptimierenden Veränderung der relativen Position zwischen Messrohr (1 ) und Störkörper (3 ) und/oder Messrohr (1 ) und Schwingungssensor (4 ) vorgesehen sind. - Wirbeldurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur signaloptimierenden Veränderung der relativen Position in Radialrichtung wirken und einen mit dem Störkörper (
3 ) oder Schwingungssensor (4 ) verbundenen Stößel (7a ;7b ) umfassen, der abgedichtet durch eine korrespondierende Wandöffnung (9 ) im Messrohr (1 ) hindurchgeführt ist, um von außen her eine Radialverstellung des Störkörpers (3 ) bzw. Schwingungssensors (4 ) vorzunehmen. - Wirbeldurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur signaloptimierenden Veränderung der relativen Position in Axialrichtung wirken und einen mit dem Störkörper (
3 ) oder Schwingungssensor (4 ) verbundenen Stößel (7a ;7b ) umfassen, der über eine Schiebeankopplung durch das Messrohr (1 ) hindurchgeführt ist, um von außen her eine Axialverstellung des Störkörpers (3 ) bzw. Schwingungssensors (4 ) vorzunehmen. - Wirbeldurchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die signaloptimierende Veränderung der relativen Position in Axialrichtung und/oder Radialrichtung über manuelle Betätigungselemente erfolgt.
- Wirbeldurchflussmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die manuellen Betätigungselemente nach Art von Stellschrauben ausgebildet sind.
- Wirbeldurchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die signaloptimierende Veränderung der relativen Position in Axialrichtung und/oder Radialrichtung über mit einer Hilfsenergie bewegbare Stellglieder (
8 ) erfolgt. - Wirbeldurchflussmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die über eine Hilfsenergie bewegbaren Stellglieder (
8 ) nach Art von elektrischen Linearantrieben ausgebildet sind. - Wirbeldurchflussmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder (
8 ) Teil eines Regelkreises zur Maximierung der Signalamplitude sind, dessen Regeleinheit (10 ) eingangsseitig mit dem Schwingungssensor (4 ) zur Istwert-Erfassung in Verbindung steht. - Wirbeldurchflussmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (
10 ) integraler Bestandteil der elektronischen Auswerteeinheit (5 ) ist. - Wirbeldurchflussmesser nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (
5 ) über definierte axiale Verschiebungen von Störkörper (3 ) oder Schwingungssensor (4 ) Unsymmetrien im Strömungsprofil ermittelt.
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