-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wirbeldurchflussmesser zur
Ermittlung des Durchflusses eines Strömungsmediums durch ein Messrohr,
in welchem ein Störkörper zur
Erzeugung einer nachfolgenden Verwirbelung angeordnet ist, deren
Frequenz von im Bereich der Verwirbelung angeordneten Sensormitteln
erfassbar ist, die mit einer elektronischen Auswerteeinheit zur
Ermittlung des Durchflusswertes verbunden sind.
-
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 von Mengen- oder
Volumendurchflüssen
durch Rohrleitungen zu ermöglichen.
-
Geräte zur Durchfluss-
und Mengenmessung in derartigen geschlossenen Rohrleitungen werden
unterteilt in Durchflussmesser (z.B. Coriolis-Massedurchflussmesser) und die hier
interessierenden Mengenmesser bzw. Volumenmesser (z.B. Wirbeldurchflussmesser).
-
Wirbeldurchflussmesser
sind seit vielen Jahren allgemein bekannt und dienen vornehmlich
der mengenmäßigen Messung
von Flüssigkeiten,
Gasen und Dämpfen
als Strömungsmedien.
Wirbeldurchflussmesser arbeiten nach dem physikalischen Prinzip
der Karman'schen
Wirbelstrasse, bei der die Wirbelfrequenz nach einem angeströmten Störkörper gemessen
wird. Trifft nämlich
das Strömungsmedium innerhalb
des Messrohres auf ein Hindernis bilden sich Druckschwankungen im
Strömungsmedium aus, die
zu Wirbelablösungen
an dem Hindernis führen. Dieses
Phänomen
machen sich Wirbeldurchflussmesser zu Nutze. Über den geometrisch definierten Störkörper werden
Wirbelablösungen
im Messrohr erzeugt, deren Frequenz mit dem nachgeschalteten Sensormitteln
erfasst werden. Dabei sind diese Sensormittel üblicherweise in einem festen
Abstand hinter dem Störkörper positioniert
oder direkt am Störkörper.
-
Aus
der
DE 37 43 972 A1 geht
ein gattungsgemäßer Wirbeldurchflussmesser
hervor. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem mit zwei Endanschlüssen versehenen
Messrohr, an welchem direkt eine elektronische Auswerteeinheit angebracht
ist. Von hier aus ragen zwei Störkörper in
das Innere des Messrohres hinein. Beide Störkörper sind stiftartig ausgebildet
und von einander beabstandet angeordnet und ermöglichen eine Durchflussmessung
in beide Strömungsrichtungen.
Zwischen beiden Störkörper ragt
ein Sensor in das Innere des Messrohres, mit welchem die Frequenz
der durch den Störkörper erzeugten
Verwirbelungen erfassbar ist. Der Sensor ist bei diesem Stand der
Technik nach Art eines piezoelektrischen Sensors ausgebildet, womit
die von der Verwirbelung herrührenden
Druckschwankungen erfassbar und in ein elektrisches Signal umsetzbar sind.
Da sich der Sensor inmitten des Verwirbelungsbereichs des Strömungsmediums
befindet, kann dieser – insbesondere
bei abrasiven Strömungsmedien – einem
fortschreitenden Verschleiß unterliegen. Wird
hierdurch die schützende
Umhüllung
des Sensors zerstört,
gelangt das Strömungsmedium
an die innenliegenden Piezoelemente, was zu einem Ausfall des Sensors
führt.
-
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Sensormittel
eines Wirbeldurchflussmesser der vorstehend beschriebenen Art dahingehend
weiter zu verbessern, dass dieser unter Beachtung eines einfachen
Aufbaus eine höhere
Beständigkeit
gegen Verschleiß aufweist.
-
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 die Sensormittel nach Art mindestens
eines gegenüber
dem Strömungsmedium
elektrisch isolierten Flächenkondensators
ausgebildet sind, wobei die Auswerteeinheit die Frequenz der durch
die Verwirbelung erzeugten Kapazitätsänderungen im Flächenkondensator
in Folge Druckschwankungen feststellt, um hieraus den Durchflusswert
zu bestimmen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung resultiert insbesondere
daraus, dass sich die hier zum Einsatz kommenden Flächenkondensatoren
an strömungstechnisch
günstigen
Stellen anordnen lassen, an denen diese einem gegenüber dem
Stand der Technik geringeren Verschleiß ausgesetzt sind. Über die durch
Verwirbelung im Strömungsmedium
nach dem Störkörper verursachten
Druckschwankungen werden entsprechend wechselnde Kräfte auf
die Kondensatorflächen
ausgeübt,
was zu den hier erfindungsgemäß messtechnischen
ausgenutzten Kapazitätsschwankungen
führt.
Derartige Flächenkondensatoren
sind einfach im Aufbau und auch fertigungstechnisch in einfacher
Weise im Wirbeldurchflussmesser integrierbar.
-
Gemäß einer
weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme sind beide Kondensatorflächen des
Flächenkondensators über ein
druckelastisches, Dielektrikum miteinander mechanisch verbunden,
so dass sich der Abstand der Kondensatorflächen bei Druckeinwirkung verkleinert. Über die
Druckelastizität
des Dielektrikums lassen sich entsprechend den herrschenden Druckverhältnissen
unterschiedliche Messbereiche einstellen. Als Dielektrikum kann
neben üblichen
isolierenden Materialien auch Luft zur Anwendung kommen.
-
Vorzugsweise
sollte das Strömungsmedium nur
auf einer Kondensatorfläche
des Flächenkondensators
druckgebend einwirken. Denn eine besondere einfache Integration
im Messrohr lässt
sich dadurch erzielen, dass die andere Kondensatorfläche ortsfest mit
dem Messrohr verbunden ist. Darüber
hinaus ist das Einwirken der Druckschwankungen auf nur eine Kondensatorfläche auch
deshalb erwünscht,
weil sich ansonsten gegenläufige
Druckschwankungen am Kondensator kräftemäßig ausgleichen könnten, was
zu einer Verfälschung
des Messergebnisses führen
würde.
-
Vorzugsweise
ist jede der Kondensatorflächen
mit einem eigenen elektrischen Anschluss ausgestattet. Die elektrischen
Anschlüsse
beider Kondensatorflächen
des Flächenkondensators
sind vorzugsweise außen
am Messrohr zugänglich,
um an dieser Stelle eine elektrische Verbindung mit der Auswerteeinheit
herzustellen, welche entweder direkt außen am Messrohr angeordnet
sein kann oder über eine
entsprechende Kabelverbindung ortsfern vom Messrohr an zentraler
Stelle eines Rohrleitungssystems.
-
Vorzugsweise
sind zwei Flächenkondensatoren
ausreichend, welche innen am Messrohr in einem radialen Abstand
zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise sollten die beiden Flächenkondensatoren
in etwa auf gleicher Höhe
relativ zur Strömungsrichtung
angeordnet sein, um brauchbare Messergebnisse zu liefern. Die Mehrfachanordnung von
Flächenkondensatoren
in dieser Art erhöht
die Genauigkeit des hierüber
gewonnen Messergebnisses. Hierbei hat sich herausgestellt, dass
zwei Flächenkondensatoren
genügen,
um einen Kompromiss zwischen technischem Aufwand und hinreichender Qualität des Messergebnisses
zu erhalten.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
besteht das Messrohr selbst aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff,
vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff
oder einem Keramikmaterial. In diesem Fall bietet es sich an, den
am Messrohr angeordneten Flächenkondensator
direkt in die Wandung des Messrohres zu integrieren. Hierbei ist
darauf zu achten, dass die Wandung des Messrohres zum Flächenkondensator
hin ausreichend elastisch ist, so dass die Druckschwankungen im
Strömungsmedium auch
am Flächenkondensator
wirken können.
-
Gemäß einer
alternativen Ausführungsform besteht
das Messrohr aus einem Metall, vorzugsweise kommt hierfür Edelstahl
oder Leichtmetall zum Einsatz, je nach Beschaffenheit des Strömungsmediums.
Derartige Metalle sind elektrisch leitfähig und es ist auch aus Abrasionsschutzgründen vorteilig,
das Messrohr innen mit einer Isolationsauskleidung auszustatten.
In diesem Falle bietet es sich an, den mindestens einen am Messrohr
angeordneten Flächenkondensator
elektrisch isoliert zwischen dem metallischen Messrohr und dessen
Isolationsauskleidung zu platzieren. Die Isolationsauskleidung hat
auch hier ausreichend flexibel zu sein, damit die im Strömungsmedium
verursachten Druckschwankungen an den Flächenkondensator zur Umsetzung
in Kapazitätsschwankungen
gelangen.
-
Gemäß einer
weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
dass der Störkörper stangenförmig ausgebildet
ist und das Messrohr entlang des Innendurchmessers rechtwinkelig
zur Strömungsrichtung
des Strömungsmediums durchdringt.
Eine derartige Gestaltung des Strömungskörpers hat sich im Zusammenwirken
mit dem Flächenkondensator
als optimal erwiesen, um zuverlässige
Messwerte mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten
Wirbeldurchflussmesser zu erzielen.
-
Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
-
1 einen
Längsschnitt
durch ein Messrohr eines Wirbeldurchflussmessers, und
-
2 einen
Querschnitt durch das Messrohr nach 1.
-
Gemäß 1 ist
in ein Messrohr 1 aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff
ein stangenförmiger
Störkörper 2 angeordnet,
und zwar entlang des Innendurchmessers des Messrohrs 1 und
rechtwinkelig zur Strömungsrichtung 3 eines
das Messrohr 1 durchströmenden
Strömungsmediums 4.
Der Störkörper 2 dient
der Erzeugung einer in Strömungsrichtung 3 nachfolgenden
Verwirbelung, deren Frequenz über
ein Paar von Flächenkondensatoren 5a, 5b (hier
nur einer ersichtlich) erfassbar ist. Die mit der Wirbelablösung am
Störkörper 2 einhergehenden lokalen
Druckänderungen
im Bereich der Verwirbelung werden durch den Flächenkondensator 5a und 5b in
Kapazitätsschwankungen
umgesetzt, welche über
eine nachgeschaltete, elektronische Auswerteeinheit 6 erfasst
werden, um aus der Frequenz der Kapazitätsänderungen den Durchfluss zu
bestimmen. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Auswerteeinheit 6 indirekt außen am Messrohr 1 platziert.
-
Gemäß 2 sind
genau zwei Flächenkondensatoren 5a, 5b in
einem radialen Abstand zueinander am Messrohr 1 angeordnet.
Die Anordnung am Messrohr 1 erfolgt hier durch direkte
Integration der Flächenkondensatoren 5a, 5b in
die Wandung des Messrohres. Fertigungstechnisch werden die Flächenkondensatoren 5a und 5b beim
Urformen des Messrohres 1 mit eingegossen. Die Anordnung
der Flächenkondensatoren 5a und 5b in
der Wandung des Messrohres 1 erfolgt derart, dass das Strömungsmedium
nur auf einer Kondensatorfläche 6a des
Flächenkondensators 5a bzw. 5b druckgebend einwirken
kann. Zu diesem Zwecke ist die besagte Kondensatorfläche 6a möglichst
nahe zum Strömungsmedium 4 angeordnet,
so dass die verbleibenden Wanddicke seitens des Messrohres 1 nur
geringfügig
ist und Druckänderungen
bis an den Flächenkondensator 5a bzw. 5b übertragbar
sind. Beide Kondensatorflächen 6a und 6b verfügen über je einen
zugeordneten elektrischen Anschluss 8a bzw. 8b,
welcher in diesem Ausführungsbeispiel
das Messrohr 1 durchdringt, um außen am Messrohr 1 auszutreten, von
wo aus – wie
hier nicht weiter gezeigt – die
weitere elektrische Verbindung zur Auswerteeinheit 7 hergestellt
wird.
-
Die
Erfindung ist nicht beschränkt
auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr
auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzumfang der Ansprüche umfasst
sind. So kann das Messrohr 1 beispielsweise auch aus einem
Metall bestehen. In diesem Falle wird meist eine innere Isolationsauskleidung verwendet,
um das Strömungsmedium
gegenüber dem
Messrohr 1 zu trennen. In diesem Fall lassen sich die erfindungsgemäßen Flächenkondensatoren in
einfacher Weise zwischen dem Messrohr und dessen Isolationsauskleidung
unterbringen. Spanende Bearbeitung und dergleichen am Messrohr 1 kann
insoweit unterbleiben.
-
- 1
- Messrohr
- 2
- Störkörper
- 3
- Strömungsrichtung
- 4
- Strömungsmedium
- 5
- Flächenkondensator
- 6
- Kondensatorfläche
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Anschluss