DE1798360A1 - Durchflussmeter - Google Patents

Description

Priorität: U.S.A.; 10. Oktober 1967; U.S.Ser.No. 674 712

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflußmesser mit einem inneren Durchgangskanal, in dem eine Wirbelvorrichtung eine Wirbelbewegung des durchströmenden flüssigen oder gasförmigen Mediums hervorruft.

Ein derartiger Durchflußmesser mit Wirbelvorrichtung ist aus dem UJ-Patent 3 279 251 bekannt und enthält einen Durchgangskanal, der einen Abschnitt aufweist, in dem eine Wirbelbewegung des durchströmenden Mediums bewirkt wird, sowie einen Abschnitt, in dem die Querschnittsfläche in Strömungsrichtung ansteigt. Während das Strömungsmedium von dem wirbelbildenden Abschnitt aus zu dem Abschnitt vergrößerten Querschnitts strömt, tritt eine hydrodynamische Instabilität auf, die eine i-räzession. des Zentrum« niedrigen Druck3 der wirbelnden Flüssigkeit um die Längsachse bei einer bestimmten Frequenz verursacht, d. h., das genannte Zentrum

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niedrigen Drucks wird radial aus der Längsachse verschoben und rotiert um die Längsachse. Diese Wirbelpräzession weist eine Frequenz auf, die in bestimmten Fällen direkt proportional zur Durchflußrate des Strö'mungsmedium3 ist. Ein geeignetes Abtastglied ist in dem Durchgangskanal vorgesehen, um diese Präzession zu messenund diese Information zu einer Vorrichtung zu übertragen, die die Durchflußrate aus der gemessenen Präzession bestimmt. Wegen weiterer Einzelheiten wird auf das US-Patent verwiesen.

Bei der Anwendung solcher Wirbel-DurchfluSmesser auf vorhandene Leitungen treten Schwierigkeiten auf, wenn die Eingangs- und Ausgangsenden des Durchflußmessers nicht im wesentlichen dieselbe Größe und Form aufweisen wie die Leitung, auf welcher sie montiert werden sollen.

Ferner wird die Brauchbarkeit eines solchen Durchflußme3sers herabgesetzt, wenn starke und zahlreiche Querschnittsänderungen entlang der verschiedenen Kanalabschnitte und entlang verschiedener Durehflußmesser auftreten, die starke Hindernisae oder Strömungswiderstände darstellen und nicht erwünscht sind. Wenn ferner das Expansionsverhältnis zwischen den. Kanalafeschnitten zu groß ist, können übermäßige Druckverluste auftreten, während ein zu kleines Expansionsverhältnis entweder zu gar keinen oder zu nur sehr schwachen. Schwingungen führt.

Wenn ferner das Verhältnis der durchschnittlichen axialen Geschwindigkeit zu der durchschnittlichen tangentialen Geschwindigkeit sich bei einer Änderung der Durchflußrate ändert, kann der Durchflußmeaser übermäßige Nichtlinearitäten aufweisen. Bei solchen Durchflußmessern,

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■bei denen das Strömungsmedium mit Hilfe von Wirbelblättern in Wirbelbewegungen versetzt wird, wurde festgestellt, daß, wenn das Strömungsmedium um sehr kleine Winkel abgelenkt wird, entweder schwache oder überhaupt keine Schwingungen auftreten, während bei großen Ablenkungswinkeln sich starke Druckverluste ergeben. Ein weiteres unerwünschtes Ergebnis besteht darin, daß die Beziehung zwischen der Schwingungsfrequenz und der Durchflußrate nicht linear ist. Wenn ferner solche Durchflußmesser für komprimierbare Strömungsmedien verwendet werden, können sich unerwünschte Effekte durch die Kompressibilität ergeben.

Die Zahl der benutzten Wirbelblätter stellt ebenfalls einen bedeutenden Faktor bei der Wirksamkeit derartiger Durchflußinesser dar. 'flenn zu viele Wirbelblätter benutzt werden, wird der Durchflußmesser übermäßig kompliziert, während bei Verwendung von zu wenig Wirbelblättern die Wirbelvorrichtung entweder unwirksam ist oder übermäßig lang ist. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obengenannten Schwierigkeiten zu überwinden und insbesondere einen Durchflußmesser zu schaffen, der an die vorhandenen Strömungsleitungen angeschlossen werden kann, ohne daß besondere Anpassungszwischenstücke verwendet werden müssen.

Ein Durchflußmesser mit einem inneren Durchgangskanal, in dem eine Wirbelvorrichtung eine Wirbelbewegung des durchströmenden flüssigen oder gasförmigen Mediums hervorruft, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß ein erster Abschnitt des Durchgangskanals eine vorgegebene Querschnittsfläche aufweist, daß ein zweiter zwischen dem ersten Kanalabschnitt und dem stromabwärts gelegenen Kanalende liegender zweiter Abschnitt des Durchgangskanals mit

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dem ersten Kanalabschnitt in Verbindung steht und einen stromabwärts sich vergrößernden Querschnitt aufweist, wobei das Verhältnis der Querschnitte des ersten und zweiten Kanalabschnitts ungefähr zwischen 1 zu 1-1/3 und 1 zu 3 liegt, so daß das Niederdruckzentrum der wirbelnden Flüssigkeit radial aus der Längsachse des Durchgangskanals verschoben wird und um diese Längsachse rotiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Durchflußmessers;

Figur 2 eine Querschnittsansicht des in Figur gezeigten Durchflußmessers, wobei der Körper des Durchgangskanals im Querschnitt gezeigt wird und die WirbeIvorrichtung und die Entwirbelvorrichtung in Draufsicht gezeigt werden;

Figur 3 eine ähnliche Ansicht wie Figur 2, wobei eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt wir&j und

Figur 4 eine ähnliche Ansicht wie Figur 2, wobei

eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt wird.

Wie man in den Figuren 1 und 2 sieht, enthält der Strömungsmesser 1 einen Hohlkörper 2, der einen inneren Durohgangs-

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kanal 7 mit einem Eingangsende 3 und einem Ausgangsende 4 bildet. Jedes Ende des Hohlkörpers 2 weist einen Flansch 5 bzw. 6 auf, der sich von dem jeweiligen Ende aus erstreckt, damit der Durchflußmesser 1 mit einer anzuschließenden Leitung (nicht gezeigt) verbunden werden kann.

Der Hohlkörper 2 enthält einen stromaufwärts gelegenen Teil 10, einen Mittelteil 11 und einen stromabwärts gelegenen Teil 12. Vorzugsweise weisen die stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Teile 10 bzw. 12 dieselbe Form und Größe wie die Leitung auf', in welche der Durchflußmesser 1 eingesetzt werden soll, so daß keine besonderen Anpassungsstücke erforderlich sind.

Der Mittelteil 11 weist einen geringeren Querschnitt

als der stromabwärts gelegene Teil 12 auf. Bei dem in

der Zeichnung gezeigten kreisförmigen Durchflußmesser

ist der Mittelteil 11 ein Teil verringerten Durchmessers.

Eine Wirbelvorrichtung 13 ist in dem stromaufwärts gelegenen Teil 10 befestigt, um das durchströmende Medium in eine Wirbelbewegung zu versetzen. Die Wirbelvorrichtung 13 enthält eine Mehrzahl von Blättern 14, die einen axialen Teil 14a und einen ablenkenden Teil 14b aufweisen, wobei der letztere einen Winkel zur Längsachse aufweist. Die Blätter 14 sind an einem äußeren Randteil

15 angebracht, der an den Wänden des stromaufwärts gelegenen Teils 10 befestigt ist, und werden durch eine Nabe

16 zusammengehalten. Eine Entwirbelvorrichtung 17, die eine Mehrzahl axialer Blätter 18 enthält, welche zwischen einer Nabe 19 und einem Randteil 20 befestigt sind, ist in dem stromabwärts gelegenen Teil 12 angebracht, um die

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wirbelnde Flüssigkeit wieder auszurichten und den Durchflußmesser von den Wirkungen von stromabwärts gelegenen Störungen zu isolieren.

Das Strömungsmedium wird durch den Strömungsmesser geleitet, und während es durch die Wirbelblätter 15 strömt, beginnt es eine Wirbelbewegung auszuführen. Während das wirbelnde Medium von dem stromaufwärts gelegenen Teü ™ 10 durch den Teil 11 zu dem ausgeweitetenTeil 12 gelangt, tritt eine hydrodynamische Instabilität auf, und eine Präzession des Niederdruckzentrums des wirbelnden Mediums ist die Folge. Ein Abtastglied 25 ist von den Wirbelblättern 14 aus stromabwärts angebracht, und zwar vorzugsweise an dem stromabwärts gelegenen Ende des Mittelteils 11, so daß die Schwingungen des Mediums abgetastet und durch eine Übertragungsvorrichtung 26 zu einem geeigneten Schaltkreis übertragen werden kann.

Bei dem in den Zeichnungen gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der stromaufwärts gelegene Teil 10 fe mit dem Mittelteil 11 durch einen konisch zulaufenden Verbindungsteil 27 verbunden, und der Mittelteil 11 ist mit dem stromabwärts gelegenen Teil 10 durch einen konisch zulaufenden Verbindungsteil 28 verbunden« Bs versteht sich jedoch von selbst, daß die Verbindungen zwischen den Teilen 10-11 und 11-12, falls erwünscht, abruft sein können. Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten AUßführungBbeispiel sind der stromaufwärts gelegene Teil ίο und der stromabwärts gelegene Teil 12 hinsiehtlioh ihres Querschnitts im wesentlichen gleich, und der Mittelteil 11 weist, eine verringerte Querschnittsfläche auf. Die Wirb«!vorrichtung 13 ist in dem stromaufwärts gelegenen Teil 10 angebracht, so daß das Strömungsmedium mit seiner Wirbelbewegung be-

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ginnt, sobald es in den Durchflußmesser eingetreten ist. Das wirbelnde Strömungsmedium gelangt durch den Mittelteil 11 verringerten Querschnitts und beginnt mit der Präzessionsbewegung, wenn das wirbelnde Strömungsmedium beim Beginn des Eintretens in den stromabwärts gelegenen Teil 12 expandiert.

Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der stromaufwärts gelegene Teil 10, der Mittelteil 11 und der stromabwärts gelegene Teil 12 ähnlich ausgeführt wie bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Jedoch ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Wirbelvorrichtung 13 in dem Mittelteil 11 verringerten Durchmessers angebracht.

Das in Figur 4 gezeigte Ausführungsbeispiel kann Anwendung finden, wenn die an den Durchflußmesser anzuschließende leitung (nicht gezeigt) verhältnismäßig klein ist, so daß es unpraktisch sein kann, den Durchmessers des Mittelteils weiter herabzusetzen. Ein weiterer Vorteil dieses Ausführungsbeispieles besteht darin, daß geringere Druckverluste verursacht werden als bei den in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben der stromaufwärts gelegene Teil und der stromabwärts gelegene Teil 12 ähnliche Querschnittsflächen, aber der Mittelteil 11 weist eine vergrößerte Querschnittsfläche auf. Die Wirbelvorrichtung 13 ist in dem stromaufwärts gelegenen Teil 10 angebracht, und es tzitt Präzession auf, wenn das wirbelnde Medium in den erweiterten Mittelteil 11 eintritt. Eine Entwirbelvorrichtung 17 ist in dem Teil 11 angebracht. Das Abtastglied 25 ist an dem stromabwärts gelegenen Ende des Teils 10 angebracht, um die Schwingungen des Strömungamediums

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abzutasten; das Abtastglied 25 könnte aber aüoh irgendwo in den Teilen des Durchgangskanals vorgesehen werden, die stromabwärts von der Wirbelvorrichtung 13 und stromaufwärts von den Blättern 20 der Entwirbelvorrichtung liegen.

Es wurde festgestellt, daß dann befriedigende Ergebnisse erhalten werden, wenn das Verhältnis der Querschnittsflache des Mittelteils 11 zu der Querschnitts-

φ fläche des stromabwärts gelegenen Teils zwischen 1 zu 1-1/3 und 1 zu 3 liegt. Das Verhältnis der Querschnittsflachen des stromaufwärts gelegenen Teils 10 und des Mittelteils 11 sollte ebenfalls innerhalb dieeer Grenzen liegen. Bei den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen wird ein Verhältnis von 1 zu 2 zwischen benachbarten Teilen 10-11 und/oder Teilen 11-'12 bevorzugt, was zu hervorragenden Ergebnissen führt. So beträgt bei den in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen das Querschnittsverhältnis des stromaufwärts gelegenen Teils, des Mittelteils und des stromabwärts gelegenen Teils 10 bzw. 11 bzw. 12 2 zu 1 zu 2, während bei

_ dem in Figur 4 gezeigten AuBführungsbeispiel das entspre-

™ chende Verhältnis 1 zu 2 zu 1 beträgt.

Bei den oben aufgeführten Querschnittsverhältnissen wurde festgestellt, daß Schwingungen erzeugt werden, die stark genug sind, um zuverlässig gemessen zu werden, ohne daß übermäßige Druckverluste auftreten, und ferner kann in Verbindung mit den beschriebenen Wirbelvorrichtungen eine Linearität erreicht werden.

• Die in den Zeichnungen gezeigte Wirbelvorrichtung 13 enthält eine Märzahl von Wirbelblättern 14, deren ablenkende

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Teile 14b so geformt und so geneigt sind, daß die Strömungsrichtung des Strömungsmediums abgelenkt wird und dadurch, das Medium zu einer Wirbelbewegung veranlaßt wird. Um zufriedenstellende Ergebnisse zu erhalten, sind die ablenkenden Teile 14b der Blätter 14 so geformt, daß die Strömungsrichtung um einen Winkel geändert wird, der ungefähr zwischen 20 Grad und 80 Grad liegt. Die in den Zeichnungen vorzugsweise gewählte Form ist so, daß die Strömung um einen Winkel von ungefähr 45 Grad abgelenkt wird. Dies hat Wirbelbewegun- · geryS^trömungsmediums mit genügender Stärke zur Folge, so daß starke Schwingungen auftreten, ohne daß große Druckverluste entstehen. Ferner erzeugt die Anordnung der Wirbelblätter eine Wirbebewegung, bei der das Verhältnis der axialen zu der tangentialen G-eschwindigkeitskomponente im wesentlichen konstant bleibt, und zwar unabhängig von der Größe der Durchflußrate. Ferner kann bei Benutzung der oben aufgeführten die Wirbelbewegung verursachten Ablenkwinkel und bei Verwendung der beschriebenen Querschnittsverhältnisse die Beziehung zwischen der Schwingungsfrequenz und der Durchflußrate innerhalb kleiner Grenzen über einen weiten Bereich des Durchflusses linear gemacht werden.

Es ist auch festgestellt, daß die Anzahl der Wirbelblätter 14, aua denen die Wirbelvorrichtung aufgebaut ist, die Wirkungsweise des Durchflußmessers beeinflußt. Zwischen 4 und 12 Wirbelblättern können bei dem erfindungsgemäßen Durchflußmesser verwendet werden,so daß sich ein guter Wirkungsgrad ohne unnötige Kompliziertheit ergibt. Es wurde festgestellt, daß acht Blätter, wie bei den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen gezeigt wird, befriedigende Ergebnisse bringen. Zusätzlich kann ein einzelnes schneckenförmiges Blatt benutzt werden. In diesem Fall sollte "das Blatt mindestens eine vollständige

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Windung aufweisen, vorzugsweise aber zwei oder drei Windungen.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein verbesserter Durchflußmesser geschaffen, der an bereits vorhandenen leitungen angebracht werden kann, ohne daß besondere Übergangsstücke verwendet werden müssen, und der keine großen und zahlreichen Änderungen in seiner Querschnittsfläche aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Durchflußmesser ist ferner das Verhältnis der axialen Geschwindigkeitskomponenten zu der tangentialen Geschwindigkeitskomponente im wesentlichen gegenüber einer Änderung der Durchflußrate konstant, und der erfindungsgemäße Durchflußmesser erzeugt eine Wirbelbewegung, die nicht so groß ist, daß übermäßige Druckverluste entstehen, und nicht so klein, daß nur schwache Schwingungen auftreten würden, iterner kann die Beziehung zwischen der Schwingungsfrequenz und der Durchflußrate innerhalb kleiner Grenzen über einen weiten Durchflußbereich linear gemacht werden. Ferner weist cter erfindungsgemäße Durchflußmesser eine wirksame Wirbelvorrichtung auf, ohne daß die Kompliziertheit des Durchflußmessers übermäßig heraufgesetzt wird.

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Claims (16)

Patentansprüche

1. Durchflußmesser mit einem inneren Durchgangskanal, in dem eine Wirbe!vorrichtung eine Wirbelbewegung des durchströmenden flüssigen oder gasförmigen Mediums hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Abschnitt (11 in Figuren 2 und 5; 10 in Figur 4·) des Durchgangskanals (7) eine vorgegebene Querschnittsfläche aufweist, daß ein zweiter zwischen dem ersten Kanalabschnitt und dem stromabwärts gelegenen Kanalende (4) liegender zweiter Abschnitt (12 in Figuren 1, 2; 11 in Figur 4) des Durchgangskanals mit dem ersten Kanalabschnitt in Verbindung steht und einen stromabwärts sich vergrößernden Querschnitt aufweist, wobei das Verhältnis der Querschnitte des ersten und zweiten Kanalabschnitts ungefähr zwischen 1 zu 1-1/3 und 1 zu 3 liegt, so daß das Niederdruckzentrum der wirbelnden Flüssigkeit radial aus der Längsachse des Durchgangskanals verschoben wird und um diese Längsachse rotiert'.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgangskanal (7) einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt (10), einen Mittelabschnitt (11) und einen stromabwärts gelegenen Abschnitt (12) aufweist, und daß der Mittelabschnitt eine andere Querschnittsfläche als der stromabwärts gelegene Abschnitt aufweist.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitt sf lachen der stromaufwärts und der stromabwärts gelegenen Abschnitte (10 bzw. 12) im wesentlichen gleich zueinander sind.

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4. Durchflußmesser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Abschnitte (10, 12) größere Querschnittsflächen als der Mittelabschnitt, (11) aufweisen.

5. Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, d aß das Verhältnis der Querschnittsflächen des Mittelabschnitts (11) und der stromaufwärts bzw. stromabwärts gelegenen Abschnitte ungefähr 1 zu 2 beträgt.

6. Durchflußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelvorriehtung (13) eine Mehrzahl von Wir be Ib lätter η (H) enthält, die das durch den Durchgangskanal (7) strömende Strömungsmedium ablenken.

7. Durchflußmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die WirbeIvorrichtung (13) sich in dem stromaufwärts gelegenen Kanalabsohnitt (10) befindet.

8. Durchflußmeaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wirbelvorrichtung (13) in dem Mittelabschnitt (11) befindet.

9. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelblätter (14) zwecks Ablenkung des Strömungsmediums so positioniert, ■sind, daß das Verhältnis von axialer zu tangentialer Ge-

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schwindigkeitskomponente im wesentlichen unabhängig von der Höhe der Durohflußrate konstant bleibt.

10. Durchflußmesser nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel-r blätter (14) mindestens einen schräg geneigten Teil (Hb) aufweisen, um die Flüssigkeit um einen Winkel von ungefähr 20 Grad bis 80 Grad zur Längsachse des Durchflußmessers abzulenken.

11. Durchflußmesser nach Anspruch 10, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Wirbelblätter (H) das Strömungsmedium um einen Winkel von ungefähr 45 Grad zur Längsachse des Durchflußmessers ablenken.

12. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelvorrichtung (13) zwischen vier und 12 Wirbelblättern (H) enthält.

13. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelvorrichtung (13) acht Wirbelblätter (H) enthält.

H. Durchflußmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Kanalabschnitte (10 bzw. 12) geringere Querschnittsflächen aufweisen/der mitülere Abschnitt (11).

15. Durchflußmesser nach anem der vorangehenden Ansprüche, da d u r ο h gekennzeichnet, daß eine Entwirbelungsvorrichtung (17) an den Durchgangskanal (7) angeschlossen ist, um -/.as wirbelnde Strömungsmedium in einen wirbelfreien Zustand za bringen,

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16. Durchflußmesser nach Anspruch 15_t dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der
Wirbelvorrichtung (13) und der Entwirbelvorrichtung
(17) eine Abtastvorrichtung (25) vorgesehen ist, um die Änderung der Strömungsparameter in dem wirbelnden Strömungsmedium zu messen·

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