DE1907037A1

DE1907037A1 - Stroemungsmessgeraet und Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit einer Stroemung

Info

Publication number: DE1907037A1
Application number: DE19691907037
Authority: DE
Inventors: White Douglas F
Original assignee: American Standard Inc
Current assignee: Trane US Inc
Priority date: 1968-02-13
Filing date: 1969-02-12
Publication date: 1969-09-11
Also published as: DE6905512U; FR2001794A1; NL164131B; NL164131C; NL6902307A; JPS4811075B1; DE1907037C3; DE1907037B2; GB1219231A; CA923727A; US3650152A

Description

Die Erfindung betrifft ein Strömungsmeßgerät.

In einem im November 1965 in der "Aeronautical Quarterly" auf Seite 350 veröffentlichten Artikel beschreibt W. A. Mair Versuche, bei welchen eine flache Scheibe am stromwärts ge-' legenen, flach gehaltenen Ende eines mit einer gekrümmten Nase versehenen, zylindrischen Körpers angebracht wurde, um den Widerstand des Körpers zu reduzieren, wenn die Anordnung in einen Windtunnel bzw. Windkanal mit verhältnismässig geringer Windgeschwindigkeit eingesetzt wurde. Der Verfasser berichtet, daß der Widerstand vergrößert oder verringert werden konnte, was vom axialen Abstand der Scheibe vom zylindrischen Körper abhing. Im Bereich hohen Widerstandes wurde festgestellt, daß die Strömung im Bereich zwischen der Basis des Körpers und der Scheibe äusserst ungleichförmig und durch ein Signal mit einer vorherrschenden Frequenz für einen bestimmten Wert der Strömungs- - geschwindigkeit der Luft gekennzeichnet war.

609837/0267

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

Bei Analyse der Untersuchungen von Mair wurde festgestellt, daß das Gerät unter Verwendung des zylindrischen Körpers und der stromabwärts daran angeordneten Scheibe möglicherweise als Strömungsmesser Verwendung finden kann, mit welchem die Frequenz der durch Mair beobachteten, ungleichförmigen Strömung gemessen wird; die festgestellte Frequenz wird daraufhin der Geschwindigkeit der Strömung zugeordnet. Unter Zugrundelegung dieser Erkenntnisse wurde ein der Vorrichtung von Mair ähnliches Gerät geschaffen, welches konzentrisch in ein Rohr so eingelegt wurde, daß die Nase stromaufwärts zu liegen kam. Es wurden Untersuchungen bezüglich der Charakteristiken der durch Mair festgestellten, sogenannten unsteten Strömung vorgenommen. Im allgemeinen bekräftigten diese Untersuchungen Mair's Beobachtungen einer unsteten, schwingungsförmigen Strömung in der Nähe und stromabwärts des Zwischenraumes zwischen der Basis des Körpers und der daran angeordneten Scheibe. Man gelangte jedoch auch zur Erkenntnis, daß das abgefühlte Signal nicht stabil war insofern als die Frequenz und Amplitude der bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten gemessenen Schwingungen nicht immer angezeigt bzw. aufgenommen werden konnten; ganz allgemein gesprochen, sie konnten in keine feste Be- 1^.

Ziehung zur Strömungsgeschwindigkeit gesetzt werden. Es waren zu viele, nicht voraussehbare Veränderungen der Strouhal-Zahl über einem beträchtlichen Bereich der Reynolds-Zahl vorhanden. Meßergebnisse der schwingenden Strömung konnten deshalb praktisch nicht verwertet werden, um das genannte Gerät als Strömungsmesser einsetzen zu können.

Nach der vorliegenden Erfindung wurde ein Gerät der beschriebenen Art weiterentwickelt und modifiziert, mit welchem stark stabilisierte Schwingungen im stromabwärts gelegenen Nachstrom erzeugt werden können. Die Schwingungen der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Art unterliegen nicht den genannten zufälligen Veränderungen und Schwankungen. Das Gerät der oben beschriebenen Art wurde insbesondere durch ein zusätzliches Element weiterentwickelt, welches die Strömung nahe oder stromabwärts des Zwischenraumes zwischen der Basis des zylin-

909837/0267

drischen Körpers und der Scheibe aufteilt. Dabei werden die Schwingungen im stromabwärts gelegenen Nachstrom stabilisiert, indem die schwingende Strömung in einer Ebene gehalten wird, welche, in ihrer Winkellage bezüglich der Längsachse der Vorrichtung fixiert bleibt. Auf diese Weise werden die bereits genannten, nicht vorhersehbaren und willkürlichen Veränderungen vermieden, so daß das Schwingungsbild ohne weiteres und jederzeit wiederholbar bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit festgelegt werden kann. Es wurde darüberhinaus festgestellt, daß die Strouhal-Zahl für die stabilisierte, schwingende Strömung über einem beträchtlichen Bereich der Reynolds-Zahl konstant ist. Somit ist in der durch das Gerät nach der Λ vorliegenden Erfindung erzeugten, stabilisierten und schwingenden Strömung die Frequenz der Schwingung direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und dies innerhalb eines beträchtlichen Geschwindigkeitsbereiches. Das weiter entwickelte Gerät ist deshalb insbesondere als Strömungsmesser verwendbar, in welchem die Vorteile eines einfachen Aufbaues, der Linearität, des Digitalausganges, nicht bewegbarer Teile und eines eehr geringen Druckgefälles durch einen verhältnismässig kleinen Widerstand verwirklicht sind, welcher durch das Gerät nach der vorliegenden Erfindung gebildet ist.

Darüberhinaus ist lediglich ein einfacher und billiger Fühler zur Frequenzanzeige und damit zur Bestimmung der Strö- ' mungsgeschwindigkeit erforderlich. Mit der vorliegenden Erfindung wurde in der Tat ein verhältnismässig unkompliziertes Gerät geschaffen, welches aus einem Mikrofon herkömmlicher Bauart und aus einem elektronischen Zähler besteht, mit welchem auf leichte Weise die durch die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung erzeugten, stabilisierten Schwingungen in Form starker Signale gemessen werden können. Mit der vorliegenden Erfindung wurde sowohl ein neuartiges Gerät als auch ein neuartiges Verfahren geschaffen, um die volumetrische Geschwindigkeit der Strömung mit großer Präzision unter Verwendung eines verhältnismässig einfachen und billigen Systems zu messen

09837/0267

und aufzuzeichnen.

Das Gerät nach der vorliegenden Erfindung weist einen zylindrischen Körper mit einer gekrümmten Nase an einem Ende und einer flachen Basis am anderen Ende auf. Eine Scheibe von geringerem Durchmesser ist an dieser Basis so angebracht, daß die Achse der Scheibe mit der Längsachse des Körpers zusammenfällt, wobei die Scheibe axial im Abstand von der Basis vorgesehen ist. Wenn die genannte Vorrichtung axial in der Mitte des Stromes so angebracht wird, daß die Nase stromaufwärts zu liegen kommt, kann ein stromabwärts liegender Nachstrom geschaffen werden, in welchem die Strömung ein unstetes, unregelmässiges Strömungsmuster zeichnet, welches seiner Natur nach Schwingungsform aufweist, welches indessen willkürliche, nicht voraussehbare Veränderungen und Schwankungen in der Amplitude und Frequenz aufweist. Das Gerät der genannten Art wurde durch ein zusätzliches -Bauteil weiterentwickelt, welches die Strömung am Zwischenraum zwischen Basis und Scheibe bzw. stromabwärts davon aufteilt, d.h. der Strömung einen Widerstand entgegensetzt. Durch dieses Element wird das Strömungsmuster des Nachstromes in einer feststehenden Schwingungsebene stabilisiert. Die Amplitude und Frequenz der Schwingungen können leicht gemessen werden. Die Frequenz der stabilisierten Schwingungen variiert über einem beträchtlichen Geschwindigkeitsbereich direkt mit der volumetrisehen Geschwindigkeit der Strömung, Das erfindungsgemäße, weiterentwickelte Gerät ist in einem einfacheren, linear wirksamen Strömungsmesser mit nicht bewegbaren Teilen und Digitalausgang verwirklicht, durch welchen mit hoher Präzision die Strömungsgeschwindigkeit leicht gemessen werden kann.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Figur 1 der Zeichnungen ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Gerätes, welches nach erfindungsgemäßer Weiterentwicklung als Strömungsmesser eingesetzt werden kann.

900837/0 26 7

Figur 2 ist eine Schnittansicht von Linie 2-2 in Figur 1.

Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Bauteile der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung, mit welcher unstabile, stromabwärts liegende Schwingungen erzeugt werden.

Figur h ist eine Perspektivansicht der in Figur 3 dargestellten, jedoch erfindungsgemäß weiterentwickelten Vorrichtung zur Erzielung stabilisierter Schwingungen.

Figur 5 ist eine Perspektivansicht der in Figur 3 dargestellten, auf eine zweite Weise weiterentwickelten Vorrichtung zur Erzeugung stabilisierter Schwingungen.

Figur 6 ist eine Perspektivansicht der in Figur 3 dargestellten, auf eine dritte Weise weiterentwickelten Vorrichtung (J zur Erzeugung stabilisierter Schwingungen.

Figui7 ist eine Perspektivansicht der in Figur 3 dargestellten, auf eine vierte Weise weiterentwickelten Vorrichtung zur Erzielung stabilisierter Schwingungen; und

Figur 8 ist eine teilweise geschnittene Perspektivansicht eines geeignet angeordneten Sensors zur Messung der stabilisierten Schwingungen.

Das in Figur 1 der Zeichnungen dargestellte Gerät weist einen zylindrischen Körper 10 mit einer gekrümmten Nase 12- und mit einer flachen Basis 14 am gegenüberliegenden Ende auf. An der Basis 14 ist eine flache Scheibe l6 angeordnet. Der Durchmesser ^Md^M der Scheibe 16 ist geringer als der Durchmesser ' "Dⁿ des zylindrischen Körpers 10. Die Mittellinie der Scheibe trifft mit der Längsachse des Körpers 10 zusammen; die Scheibe ist im Abstand "x" von der Basis 14 vorgesehen.

Der Körper 10 und die daran angeordnete Scheibe 16 sind . in der Mitte eines Öohres 18 mittels dreier Paare dünner ^₀ Streben 20 angebracht, welche die Außenfläche des Körpers ο ίο mit der Innenwand des Rohres 18 verbinden. Wie sich aus cd der Zeichnung ergibt sind die Streben jeden Paares in einer ^₃ Ebene ausgerichtet, welche durch die Längsachse des Körpers ^ 10 verläuft. Die drei Ebenen der drei Paare von miteinander w ausgerichteten Streben sind in einem Winkel von 120° jeweils ^j zueinander vorgesehen. Die Nase 12 ist einer Strömungsquelle (nicht dargestellt) zugewandt und liegt bezüglich der Strömung

stromaufwärts. Die Scheibe l6 liegt bezüglich der Strömung stromabwärts und liegt dem Auslaß 22 des Rohres 18 zugewandt. Die Längsachse des Körpers 10 ist im wesentlichen parallel zur axialen Strömungsrichtung innerhalb des Rohres 18. Nahe unterhalb des Auslasses 22 befindet sich ein Mikrofon 24, dessen Ausgang an ein herkömmlich aufgebautes Meß- und Anzeigegerät 26 angeschlossen ist. Dieses Gerät analysiert und zeichnet die Druckunterschiede auf, welche durch das Mikrofon 24 abgefiihlt bzw. wahrgenommen werden. Der Analysator und das Aufzeichnungsgerät 26 können beispielsweise der Ausführungsform entsprechen, wie sie durch den "General Radio Type 19II-A, Recording Sound and Vibration Analyzer" bekamt sind.

Wenn ein Medium wie Luft durch das Rohr 18 geleitet wird (Figur 3) trifft die Strömung auf die gekrümmte Nase 12 des Körpers 10 auf und wird so unterteilt (siehe Zeile 28), daß sie um das durch den Körper IO gebildete Hindernis strömt. Wenn die Strömung den Zwischenraum zwischen der Scheibe l6 und der flachen Basis 14 erreicht wird sie unterbrochen bzw. gestört. Auf diese Weise entsteht ein stromabwärts befindlicher Nachstrom bzw. Wirbel, in welchem die Strömung des Mediums eine Schwingungsbewegung entstehen lässt, wie sie durch die Pfeile 30 und durch den Kurvenverlauf 32 dargestellt ist.

Bei jeder Strömungsgeschwindigkeit ist die durch die in Figur 3 dargestellte Anordnung erzeugte Schwingungsbewegung unstabil insofern, als die Ebene der Schwingungsbewegung nicht fixiert bleibt und stattdessen sich um die pröjizierte Längsachse 34 des Rohres dreht, wie durch die Pfeile 36 angezeigt ist. Die Verdrehung der Schwingungsebene ist im voraus nicht bestimmbar, sowohl was die Größe bzw. den Ausschlag als auch die Winkelrichtung bei beliebiger Geschwindigkeit oder bei beliebigem Geschwindigkeitsweöhsel betrifft. Das bedeutet, daß das Mikrofon 24 zeitweise starke Druckwechsel von gemessener Frequenz und Amplitude und zu anderen Zeitpunkten willkürliche Veränderungen der gemessenen Amplitude und Frequenz der Schwingung, bisweilen sogar eine Löschung der Fre-

809837/0267

quenz und der Amplitude Ms zum Rauschen feststellt. Die durch das Mikrofon aufgenommenen Signale können deshalb der Geschwindigkeit der Hauptströmung innerhalb des ^xtohres 18 nicht zugeordnet werden; die in Figur 1 bis 3 der Zeichnungen dargestellte Vorrichtung ist deshalb als Strömungsmesser nicht praktisch und verwendbar.

In Figur 4 der Zeichnungen ist eine erfindungsgemäße Weiterentwicklung der in Figur 3 der Zeichnungen dargestellten Vorrichtungen dargestellt. Die weiterentwickelte Vorrichtung weist eine kleine, zylindrische Stange 38 auf, welche nahe der flachen Basis 14 an der Außenfläche des Körpers 10 angeordnet ist. Die Längsachse der Stange bzw. des Bolzens 38 trifft mit einem Radius zusammen, welcher von der zentralen Längsachse des Körpers 10 nach außen projiziert ist. Der Bolzen 38 stellt ein weiteres Hindernis für die Strömung an der Außenseite des Körpers dar und unterteilt die Strömung, bevor diese den Zwischenraum "x" zwischen der Basis 14 und der Scheibe 16 erreicht.

Durch zusätzliche Verwendung des Bolzens 38 wird die Schwingungsbewegung der Strömung in dem stromabwärtsliegenden Nachstrom, wie er durch die Linie 32 dargestellt ist, in einer feststehenden Ebene stabilisiert; diese liegt senkrecht zu einer Ebene, welche mit der Längsachse des Bolzens bzw. der Stange zusammenfällt. Das Mikrofon 24 fühlt deshalb stabilisierte Schwingungen großer Amplitude und gleichförmiger Frequenz bei jeder Geschwindigkeit im Bereich der ReynoldsJ-Zahl

4 5
von etwa 10 bis 10^ ab. Die Hequenz der stabilisierten , durch das Mikrofon abgefühlten Schwingungen steht in direkter Beziehung zur Axialgeschwindigkeit der Hauptströmung innerhalb des Rohres 18. Die Geschwindigkeit der Strömung kann deshalb mit hoher Präzision innerhalb des oben angegebenen Bereiches gemessen werden.

909837/0267

Eine weitere Nachprüfung der stabilisierten Lage der schwingenden Strömung in dem stromabwärts gelegenen Nachstrom wird erzielt, indem zwei Stränge eines flexibin Materials 40 am Auslaßende 22 der Scheibe 16 an den gegenüberliegenden Enden eines Durchmessers angebracht werden, welcher senkrecht zur durch die Längsachse des Bolzens 38 verlaufende Ebene steht. Wenn die Stränge bwz. Streifen aus flexiblem Material 40 mit einem stroboskopisch pulsierenden Licht bestrahlt werden, wie es beispielsweise mit Hilfe eines "General Radio Type 1531-8 Strobotac electronic stroboscope," erzielbar ist, kann bei Strömung im Rohr 18 beobachtet werden, daß die Stränge 40 synchron in der sie verbindenden Durchmesserebene voniirts und rückwärts flattern wobei einer der Stränge 40 in von der Mittellinie des Rohres abgewandter Richtung zeigt, während der andere Strang in Richtung der Mittellinie des Rohres ausgerichtet ist (Figur 4). Die Streifen kehren alternierend ihre Lage im Synchronablauf um, so daß der erste Strang in Richtung der Mittellinie des Rohres ausgerichtet ist, während der zweite in von der Mittellinie des Rohres abgewandter Richtung zu liegen kommt. So werden die Schwingungen in einer Ebene stabilisiert, welche senkrecht zur Längsachse des Bolzens 38 liegt. Diese stabilisierte Lage wird durch den Bolzen innerhalb des oben genannten Geschwindigkeitsbereiches der Strömung aufrechterhalten. Da die Amplitude und Frequenz der stabilisierten Schwingungen ohne weiteres durch Mikrofone oder durch andere Saisoren abgefühlt werden können, und da die Frequenz der Schwingungen sich direkt mit der Strömungsgeschwindigkeit des Hauptstromes innerhalb des Rohres 18 ändert, ist in der in Figur 4 der Zeichnungen dargestellten Vorrichtung ein sehr genau messender Strömungsmesser verwirklicht, mit dessen Hilfe die volumetrische Geschwindigkeit der Strömung ohne weiteres und schnell abgelesen werden kann.

In Figur 5 der Zeichnungen ist eine zweite Ausfuhrungsform der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist eine halbkreisförmige Rippe 42 an

909837/0267

der stromabwärtsliegenden Seite der Scheibe 16 entlang eines der Scheibendurchmesser angebracht. Obwohl mit Hilfe der Rippe 42 das strömende Medium nicht aufgeteilt wird, bevor die Strömung den Zwischenraum "x" zwischen der Basis lh und der Scheibe 16 erreicht, ist sie trotzdem&usserst wirksam, um die schwingende Strömung in dem stromabwärtsliegenden Nachstrom in einer fixierten Ebene zu stabilisieren, welche mit der Ebene der Rippe zusammenfällt bzw. parallel zu dieser iet. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung können mit Hilfe des Mikrofons 2h die Frequenz und die Amplitude der Schwingungsbewegung in einer genau bestimm- und vorhersehbaren W_eise angezeigt werden, d.h. ohne willkürliche Veränderungen und Schwankungen, welche mit der in Figur 3 dargestellten Anordnung in Kauf genommen werden müssen. Das Meßgerät der Ausführungsform nach Figur 5 hat infolgedessen ausgezeichnete Eigenschaft als Strömungsmesser, welchen die oben genannten Vorteile zueigen sind.

In Figur 6 der Zeichnungen ist eine dritte Weiterbildung der in Figur 3 der Zeichnungen dargestellten Vorrichtung dargestellt, Wie sich aus Figur 6 der Zeichnungen ergibt unterteilt eine dünne Platte hh den durch den Umfang und die einander -gegenüberliegenden Flächen von Basis und Scheibe gebildeten Zwischenraum in zwei Hälften. Die Platte kk ist entlang eines Durchmessers der Basis lh und der Scheibe 16,. welche in gemeinsamer Ebene liegen, angebracht. Die Platte hh unterteilt den Zwischenraum zwisohen Basis lh und Scheibe 16 in zwei symmetrische Hälften; mit Hilfe der Scheibe wird die schwingende Strömung im stromabwärtsliegenden Nachstrom in einer feststehenden Ebene stabilisiert, welche mit der Platte hh zusammenfällt bzw. parallel zu dieser ist, wie durch die Spur 32 dargestellt ist. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden die stabilisierten Schwingungen über dem ge-•samten Geschwindigkeitsbereich der oben beschriebenen Art beibehalten. Mit Hilfe des Mikrofons 2h können deshalb sowohl die Amplitude als auch die Frequenz der Schwingungen bei jeder gegebenen Geschwindigkeit und die Eequenzänderungen der Schwingungen bei einem Wechsel der Strömungsgeschwindigkeit

909837/0267

gemessen werden. Die in Figur 6 der Zeichnungen dargestellte Vorrichtung kann deshalb als Strömungsmeßgerät eingesetzt werden, um die axiale Hauptströmung bzw. deren Geschwindigkeit innerhalb des Rohres 18 zu messen und aufzuzeichnen.

In Figur 7 der Zeichnungen ist eine vierte Ausführungsform bzw. Weiterbildung der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung dargestellt. Ein großer, flacher End- bzw. Leitkörper 46 ist an der stromabwärtsliegenden Seite der Scheibe 16 entlang eines Durchmessers dieser Scheibe angebracht. Der Leitkörper 46 erstreckt sich über den Durchmesser der Scheibe hinaus bis zur Innenwand des Rohres 18 und erstreckt sich gleichfalls über das Auslaßende 22 des Rohres. Der Leitkörper 46 unterteilt infolgedessen die gesamte, bezüglich der Scheibe l6 stromabwärtsliegende Strömung in zwei symmetrische Strömungsteile, welche je für sich durch den halbrunden Zwischenraum verlaufen, welche jeweils durch eine Seite des Leitkörpers und durch die gegenüberliegende Innenwand des Rohres 18 gebildet werden. Bei dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die stromabwärts des Zwischenbereiches "x" zwischen Basis 14 und Scheibe 16 liegende Strömung in einer fixierten Ebene stabilisiert, welche mit der Ebene des Leitkörpers 46 zusammenfällt bzw. parallel zu dieser ist. Auch in diesem Fall wird das Mikrofon verwendet, um die Frequenz und die Amplitude der Strömungsschwingungen für eine gegebene Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Rohres 18 anzuzeigen. Mit Hilfe des Mikrofons kann der in direktem Zusammenhang stehende Wechsel in der Frequenz der Schwingungen bei Änderung der Geschwindigkeit gemessen werden. Innerhalb des bereits genannten Geschwindigkeitsbereiehes der Strömung kann infolgedessen die in Figur 7 der Zeichnungen dargestellte Ausführungsform der Erfindung mit ausgezeichneten Ergebnissen als Strömungsmeßgerät verwendet werden, welchem die bereits genannten Vorteile zu eigen sind.

Das Verhältnis des Durchmessers der Scheibe zum Durchmesser des Körpers, d.h. d/D hat eine Auswirkung auf die stabilisierte Schwingungsbewegung in den verschiedenen Ausführungsformen des

909837/0267

Strömungsmeßgerätes nach der vorliegenden Erfindung. Diese Auswirkung verändert sich je nach der besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelementes zur Unterteilung der Strömung, um die Schwingungen zu stabilisieren. Im allgemeinen sollte der Wert d/D im Bereich von 0,6 bis 0,8 liegen.

Auch das Verhältnis des Abstandes "x" zum Durehmesser des Körpers D, d.h. x/D hat einen Einfluß auf die stabilisierten Schwingungen des Strömungsmeßgerätes nach der vorliegenden
Erfindung. Die Auswirkung des x/D-Verhältnisses ändert sich weiterhin je nach der besonderen Ausgestaltung des zur Unterteilung der Strömung dienenden Bauelementes und je nach dem zugrundegelegten d/D-Verhältnis. Gewöhnlich sollte der Wert x/D im Bereich von etwa 0,28 bis etwa 0,6 liegen.

^üie genannten Bestimmungsgrößen sind nicht insoweit wesentlich und von Bedeutung als außerhalb dieser Werte keine stabilisierten Schwingungen zu erzielen wären. Indessen dienen die oben genannten Verhältniszahlen als Richtwerte, innerhalb
welcher die besten Resultate bezüglich der messbaren Amplitude der stabilisierten Schwingungen zu erzielen sind. Wenn alle anderen Größen gleich sind, ist es vorteilhafter, die
Amplitude der stabilisierten Schwingungen bei einer gegebenen Geschwindigkeit und Frequenz maximal zu gestalten, um die _: größte Differenz zwischen der Signalamplitude und dem durch den Sensor angefühlten Grundgeräusch zu erzielen. Um diese
möglichst große Differenz zu erreichen sollten die zuvor genannten Verhältniswerte d/D und x/D gewahrt bleiben.

In Figur 8 der Zeichnungen ist die Befestigung eines Sensors 48 in der Wand des Rohres 18 dargestellt. Der Sensor ist in eine Gewindebohrung der Rohrwandung an einem passenden Punkt stromabwärts des in Figur 4-7 dargestellten Strömungsmeßgerätes eingeschraubt. Der Sensor 48 weist ein Fühlerelement 50 auf, welches in der Bahn der durch das Strömungsmeßgerät erzeugten Strömungsschwingungen ausgerichtet ist. Das Fühler-

909837/0 267

element 50 kann so ausgelegt sein, daß es auf durch die Schwingungen hervorgerufene Druck- und Temperaturunterschiede anspricht. Das Element 50 kann beispielsweise ein Membran-Wandler bzw. ein Membram-Umformer oder ein piezoelektrischer Kristall sein, um die Druckunterschiede abzufühlen. Das Element 50 kann auch als Thermistor oder als Thermoelement ausgebildet sein, um Temperaturunterschiede abzufühlen. Bei Verwendung eines Sensors der in Figur 8 der Zeichnungen wiedergegebenen Art in Kombination mit dem Strömungsmeßgerät nach Figur 4-7 kann die Meßvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung an jedem beliebigen Punkt entlang der Längsachse eines Rohres, einer längeren Rohrleitung und entlang eines anderen Leitsystems angebracht werden, um das im Leitungssystem strömende Medium zu messen.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß mit der vorliegenden Erfindung ein vorteilhaft arbeitendes Strömungsmeßgerät geschaffen wurde, um die Geschwindigkeit und Strömungen zu messen. Das Strömungsmeßgerät nach der vorliegenden Erfindung und andere, mit welchen die Erfindung verwirklicht werden kann, erfordern einen Schwingungserzeuger, welcher durch einen Hinderniskörper und einen zweiten Körper gebildet wird, der in einem bestimmten Abstand von einem Ende des Hinderniskörpers vorgesehen und so ausgerichtet ist, daß eine Projizierung der Längsachse vom Ende des Hinderniskörpers durch den zweiten Körper verläuft. Der maximale Querschnitt des zveiten Körpers, welcher senkrecht zur projizierten Längsachse liegt, muß geringer sein als der maximale Querschnitt des Hinderniskörpers, welcher senkrecht zu seiner Längsachse liegt. Wenn der Schwingungserzeuger innerhalb einer Strömung angeordnet wird, wobei die zentrale Längsachse des Hinderniskörpers im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung liegt, während das zweite Ende des Hinderniskörpers stromaufwärts ausgerichtet ist, werden Schwingungen in der Strömung, d.h. im Nachstrom stromabwärts des zweiten Körpers erzeugt. Diese Schwingungen sind von willikürlicher Natur insofern, als sich die Winkellage der Schwingungsebene bezüglich der zentralen Längsachse des Hindernis-

909837/0267

körpers verändert. Aus diesem Grunde ist es nicht möglich, die Größe oder Richtung dieser Veränderungen vorherzusagen bzw. zu bestimmen. Ein in fixierter Lage angeordneter Sensor zur Messung der Schwingungen ist deshalb nicht in der Lage, die willkürlichen Veränderungen festzulegen, noch ist es möglich, einen bewegbaren Sensor den willkürlichen Schwankungen folgen und diese festlegen zu lassen. Ein Schwingungserzeuger der beschriebenen Art hat für sich deshalb keine Bedeutung als Strömungsmeßgerät.

Mit der vorliegenden Erfindung wurde der Schwingungserzeuger weiterentwickelt durch Hinzufügen eines Stabilisierungs- ™ körpers, durch welchen die nachteiligen, willkürlichen Schwankungen vermieden werden. Auf diese Weise bleibt jede Schwingungsebene im wesentlichen fixiert in ihrer Winkellage bezüglich zur projizierten Längsachse des Hinderniskörpers. Von größter Bedeutung ist die Tatsache, daß die Ebene der stabilisierten Schwingungen, d.h. eine durch die gesamte Amplitude der schwingenden Strömung gelegte Ebene im wesentlichen in ihrer Winkellage bezüglich der projizierten Längsachse des Hinderniskörpers fixiert bleibt. Infolgedessen kann ein passender Sensor in fixierter Lage angeordnet werden, von welcher er die maximale Amplitude der Schwingungen abfühlt; wegen des durch das Meßgerät nach der vorliegenden Erfindung | erzielten Stabilisierungseffektes' kann das zu. erzielende optimale Signal über den gesamten Arbeitsbereich der Vorrichtung erzielt werden.

Außer den neuartigen Meßgeräten nach der vorliegenden Erfindung wurden durch diese ein neuartiges Meßverfahren für die Geschwindigkeit von Strömung geschaffen. Die erfindungsgemäße Bestimmung bzw. Messung der Strömungsgeschwindigkeit besteht darin, in einem Bereich des Querschnittes eines strömenden Mediums eine Hinderniszone aufzubauen, deren Längsachse im wesentlichen parallel zur Achse der Hauptströmung liegt. Das Verfahren besteht weiterhin darin Schwingungen im stromabwärts der Hinderniszone liegenden Nachstrombereich zu er-

909837/0267

zeugen, ferner im Stabilisieren der Schwingungen in einer Ebene, welche in ihrer Winkellage bezüglich der Längsachse fixiert ist, und im Messen der Frequenz und der Amplitude dieser stabilisierten Schwingungen. Angesichts der direkten Proportionalität der gemessenen Frequenz zur Geschwindigkeit der Hauptströmung wird nach dem erfindungsgemäßen Messverfahren die Strömungsgeschwindigkeit mit hoher Präzision angegeben.

9 0 9837/0267

Claims

PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN Dr. REINHOLD SCHMIDT

AMERICAN STANDARD INC. München,den 12. Februar I969

New York, N. Y. 10018 Ihr Zeichen Unser Zeichen

40 West 40th Street /De

V. St. A.

Patentanme1dung; "Strömungsmeßgerät und Verfahren zum

Messen der Geschwindigkeit einer Strömung." "

PATENTANSPRÜCHE

t ^) Strömungsmeßgerät zum Messen der Geschwindigkeit einer Strömung mit einem Schwingungserzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger aus einem Hinderniskörper (lO) mit einer zentralen Längsachse und aus einem zweiten Körper (l6) besteht, welcher in bestimmtem Abstand von einem Ende des Hinderniskörpers (lO) angeordnet ist, so daß die Projizierung der zentralen Längsachse von einem Ende des Hinderniskörpers durch den zweiten Körper (l6) verläuft, daß der maximale ^: Querschnittsbereich des zweiten Körpers (l6) senkrecht zur projizierten Längsachse liegt und in seiner Fläche geringer ist als der maximale Querschnittsbereich des Hinderniskörpers, welcher senkrecht zur Längsachse angeordnet ist, daß der

Schwingungserzeuger bei Anordnung innerhalb eines strömenco
cj den Mediums so ausgerichtet ist, daß das zweite Ende (l2) ^ des Hinderniskörpers (lO) stromaufwärts zu liegen kommt, *** während die zentrale Längsachse im wesentlichen parallel zur *^ Strömungsrichtung vorgesehen ist, daß mittels einer Vorrich-

^) tung der Schwingungserzeuger in einem ein strömendes Medium

^ enthaltenden Leitungskörper (l8) vorgesehen ist, und daß eine Stabilisierungsvorrichtung (38, 42, 44, 46) dem Schwingungserzeuger zugeordnet ist, um die willkürlichen Schwankungen der

Patentanwälte Dipl.-lng. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann 8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon! 28T202 · Telegramm-Adresse.- LiptttLWAtiftCheft. Bayer. Vereinsbank München, Zweigst. Oskar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 882495 * Postscheck-Konto: f^ artchcft ÄTr· Ί633?? Oppenauer Bora: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

' _: ^; 7907Ö37

Schwingungsebene in ihrer Finkellage zur projizierten Längsachse zu stabilisieren, wodurch die Schwingungsebene in ihrer Winkellage bezüglich der projizierten Längsachse fixiert bleibt.

2. Strömungsmeßgerät nach Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hinderniskörper (lO) zylindrisch ist, eine gekrümmte Nase (12) an seinem zweiten Ende und eine flache Basis (i¥) am gegenüberliegenden Ende aufweist, daß der zweite Körper (i6) aus einer Scheibe besteht, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des Körpers, daß die Scheibe senkrecht zur projizierten Längsachse angeordnet ist und mit ihrer Mittellinie mit dieser zusammenfällt. -

3. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Scheibendurchmessers zum Durchmesser des Hinderniskörpers im Bereich von etwa 0^6— etwa 0*8 liegt, und daß das Verhältnis des bestimmten Abstandes zumDurchmesser des Hinderniskörpers im Bereich von etwa 0,28 bis etwa D,6 liegt.-

h. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsvorrichtung aus einem Bolzen (38) besteht, welcher an der Oberfläche des Hinderniskörpers nahe aessen flachem Ende angebracht ist und sich von dort nach außen er~ streckt, wobei die Achse des olzens mit einem Radius zusammenfällt, welcher von der zentralen Längsachse nach außen projiziert ist, wodurch die Schwingungen in einer fixierten Ebene stabilisiert werden, welche im wesentlichen senkrecht zur Aöhse des Bolzens liegt.

,5. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 2₉ dadurch gekennzeichnet_s daß die Stabilisierungsvorrichtung aus einer dünnen Rippe (42) besteht, welche an der stromabwärtsliegenden Seitö der Scheibe (16) angebracht ist, und daß die Rippe senkrecht zur Scheibe ausgerichtet ist, wodurch die Schwingungen in einer fixierten Ebene; stabilisiert werden, welche im wesentlichen mit der Ebene der Rippe zusammenfällt bzw. mit dieser parallel ist.

909837/U267

6. StrÖmungsBßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe entlang eines Durchmessers der Scheibe angebracht ist und an den gegenüberliegenden Enden des Durchmessers endet, und daß der Umfangsbereich der Rippe zwischen den beiden Endpunkten gleiehmässig gekrümmt ist.

7· Strömungsmeßgerät nach Anspruch 5$ dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe in Form eines Leitkörpers (46) entlang eines Durchmessers der Scheibe angeordnet ist und sich über die gegenüberliegenden Enden des Durchmessers erstreckt.

8. Strömungsmeßgerät nach Anspruch ?, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Hinderniskörper, Scheibe und Leitkörper innerhalb des Leitungskörpers (18-) für das Medium angeordnet ist, daß der Leitkörper (46) sich über die gegenüberliegenden Enden des Durchmessers der Scheibe bis zu den einander"gegenüberliegenden Punkten an. der Innenseite des Leitungskörpers erstreckt, wodurch'der Leitkörper (46) das Innere des Leitungskörpers (l8) stromabwärts der Scheibe (l6) in zwei symmetrische Hälften unterteilt. ,. .

9. Strömurigsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, .daß die Stabilisierungsvorrichtung, eine dünne Platte (44) aufweist, weiche an der flachen Basis (l4) und an der stromaufwärts liegenden Seite der Scheibe in einer Ausrichtung ^ angebracht ist, welche mit der Längsachse des HinderniekSrpers (lO) zusammenfällt, daß der UmfangderPlatte(44) durch die Durchmesser von Hinderniskörper und Scheibe gebildet ist, an welchen die Platte befestigt ist und durch linien, welche die gegenüberliegenden Endpunkte der Durchmesser miteinander verbinden, wodurch die Schwingungen in einer fixierten Ebene stabilisiert werden, weiche im wesentlichen mit der Ausrichtung der Platte zusammenfällt bzw. mit dieser parallel ist.

10. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohler, zylindrischer Leitungskörper (18) für das strömende Medium vorgesehen ist, und daß das Strömungsmeß-

909837/0267

-X-

gerät in der Mitte des strömenden Mediums innerhalb des hohlen, zylindrischen Leitungskörpers (l8) angebracht ist. ,

Ii.■ Strömungsmeßgerät nach Anspruch 2_$ weiterhin gekennzeichnet durch einen Sensor (-50) zunr Messen der Frequenz und der Amplitude der stabilisierten Schwingungen.

12. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor auf Druckänderungen des Mediums anspricht.

13. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor auf Teraperäturändenangen des Mediums anspricht.

14. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor auf Veränderungen in der Geschwindigkeit des Mediums anspricht.

15· Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit eines Mediums, gekennzeichnet durch folgende Verf ahrensscliritte: Anordnen eines Hindernisses in einem Querschnittsbereieii des strömenden Mxliums durch eine Hindernisζone, deren zentrale Längsachs© im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Strömung liegt, Erzeugen von Schwingungeninder Strömung im stromabwärts der Hinderniszone liegenden Nachstrosibereich, Stabilisieren der Schwingungen in einer Ebene j welche im wesentlichen in ihrer Winkellage bezüglich der Längsachse fixiert ist, und Messen der Frequenz der stabilisierten Schwingungen.

9Q98 37/0^2