DE2028737C3 - Dralldurchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dralldurchflußmesser, bei dem in einem vom Medium durchströmten Meßrohr ein drallerzeugendes Eintrittsleitrad mit an einer feststehenden, länglichen Nabe angeordneten gekrümmten Leitschaufeln, eine Düse sowie ein Diffusor und mindestens ein die Sckundarrotation des hinter dem Eintrittsleitrad entstehenden Wirbclkcrncs erfassender Meßfühler angeordnet ist.

Dralldurchflußmesser dieser Art sind aus den US-Patentschriften 32 79 251 und 33 14 289 sowie Reissue 26 410 bekannt. In einem zylinderförmigen Einlaßteil ist das einen auf der ganzen Länge zylinderförmigen Umfang aufweisende Eintrittsleitrad passend eingefügt. In Strömungsrichtung des gasförmigen oder flüssigen homogenen Mediums gesefien hinter dem Einlaß schließt sich ein konisch verjüngter Bereich und an diesen ein sich erweiternder Diffusor an, der in einen zylinderförmigen Auslaßteil von gleichem Innendurchmesser wie der Einlaßteil mündet. Im Auslaß kann vorteilhaft ein den Restdrall beseitigendes strömungsgleichrichtendes Austrittsleitrad angeordnet sein.

Durch die für die Erzeugung eines ausreichend großen Meßsignals notwendige verhältnismäßig starke Krümmung der Leitschaufeln im Eintrittsleitrad wird das Medium, bezogen auf die Längsachse des Moßrohres, wesentlich ausgelenkt und erhält einen Drall, der im Diffusor in eine Wirbelbewegung überführt wird, d. h. der hinter dem Eintrittsleitrad entstehende Wirbelkern weist im Diffusor eine Sekundärrotation auf, die als zyklisch auftretende Schwankung der örtlichen Geschwindigkeit des Mediums durch einen z. B. wärmeempfindlichen Meßfühler, der im Bereich des Diffusors in das strömende Medium ragt, erfaßt wird. Bei Verwendung eines Thermistors als Meßfühler kann beispielsweise der periodisch mit der Frequenz der Sekundärrotation schwankende Widerstandswert in Spannungsimpulse umgewandelt, verstärkt, gefiltert und danach in quadratische Impulse konstanter Amplitude umgeformt werden, deren Frequenz zur Beeinflussung von Regelkreisen benutzt wird.

Um ein gutes Meßergebnis zu erhalten, ist es notwendig, daß der sogenannte Eichfaktor, das ist das Verhältnis der Impulsfrequenz zum Durchflußvolumen des strömenden Mediums, über einen möglichst we'ten Bereich der sogenannten Reynolds-Zahl weitgehend konstant ist, um Meßgenauijrkeiter von ±1% bei industriellen Anlagen zu erhalten.

Bei einem bekannten Dralldurchflußmesser (Reissue 26 410) ist dies nur im praktisch für industrielle Messungen unzureichenden Reynolds-Zahl-Bereich von 1,5 · 10⁴ bis 2 · 10⁵ möglich. Die besagte Reynolds-Zahl basiert bekanntlich auf der Geschwindigkeit und der Viskosität des Mediums sowie dem Durchmesser des Durchflußmessers am Einlaß.

Die benötigte Unabhängigkeit des Eichfaktors von Dichte. Druck, Temperatur- und Viskositätsänderungen des Mediums ist nur innerhalb des linearen Bereiches gegeben; außerhalb des linearen Bereiches ist das MeQsignal auch noch von anderen Faktoren als dem Durchfluß merklich abhängig und erlaubt daher keine genauen Messungen.

Die bekannten Dralldurchflußmesser eignen sich daher für große Nennweiten und große Durchflußmengen zu Messungen mit Genauigkeiten von ±1% nicht, da sie in dem erforderlichen großen Bereich der Reynolds-Zahl von 10⁴ bis mindestens 2 ■ 10* nur Meßgenauigkeiten über 5% zulassen wegen der mangelnden Linearität zwischen Strömung und Durchfluß.

Für die Wirkungsweise von Dralldurchflußmessern ist die Umfangsgeschwindigkeit der Strömung ein ganz wesentlicher Faktor. Dem axialen Strömungsprofil wird am Einlaß des Meßrohres durch die gekrümmten Leitschaufeln eine Tangentialgeschwindigkeitskomponcnte aufgezwungen.

Ein weiterer wesentlicher Faktor bei Dralldurchfluß-

messern ist die Sekundärrotation des Wirbelkerns im Diffusor, deren Frequenz der Strömung direkt proportional sein muß, wenn ausreichend genaue lineare Meßergebnisse erhalten werden sollen.

In einem Aufsatz von RodeIy u.a. »A Digital Flowmeter Without Moving Parts« vom 8.4.1965 in »American Society of Mechanical Engineers« ist ausgeführt, daß die Frequenz der Sekundärrclation linear auf die Tangentialgeschwindigkeit bezogen ist, woraus folgt, daß zum Erhalt eines linearen Verhältnisses zwischen Strömung und Frequenz die Aufrechterhaltung eines konstanten Verhältnisses von Tangentialgeschwindigkeit zu Axialgeschwindigkeit des strömenden Mediums über den ganzen Meßrohrquerschnitt als Funktion der Reynolds-Zahl maßgebend ist. Zur Wahrung des konstanten Verhältnisses von Tangentialzu Axiaigeschwindigkeit muß die Strömung an der Hinterkante der Leitschaufeln des Eintrittsleitrades bei einem bestimmten Schaufelwinkel unabhängig von der Rcynolds-Zah! sein, was nur bedeute;:, daß der Abströmwinkel über die Schaufellänge unabhät^ig von der Reynolds-Zahl konstant ist.

Dies besagt, daß die Grenzschicht der Oberfläche der Leitschaufel unabhängig von der Reynold:;-Zahl unter einem bestimmten Winkel mit oder ohne Ablösung folgt.

Der Einfluß der Viskosität des Mediums ist an oder in der Nähe einer festen Begrenzung am stärksten; er schwächt sich mit zunehmender Entfernung von der Begrenzung rasch ab. Die Beeinflussung der Grenzschicht ist insofern kritisch, als sie den Bereich der Strömung erfaßt, in dem die Einflüsse der Viskosität des Mediums konzentriert sind, weswegen schon geringfügige Änderungen der Grenzschicht wesentliche Änderungen der Hauptströmung hervorrufen.

Die Leitschaufeln sind entsprechend einem angestrebten großen Auslenkwinkel des Mediums zur Meßrohrachse stark gekrümmt, wodurch die Grenzschicht normalerweise entlang der Hauptkante mit der Entfernung von der Vorderkante dicker werden und sich verzögern müßte, bis der zur Wand hingerichtete Geschwindigkeitsgradient ^l\ an einem Slaupunkt zu

Null wird.

Gemäß ei.ier Veröffentlichung von Sch I ich ting »Boundary Layer Theory« von 1962 bei Mc Graw-Hill. ist der Staupunkt der Ablöseounkt, an dem die Ablösung sowohl bei laminarem als auch bei turbulentem Strömungsprofil auftritt. Bu laminarem Strömungsprofil liegt der Ablösepunkt näher an der Vorderkante der Leitschaufel;;.

Die dort angegebenen Möglichkeiten zur Beeinflussung der Grenzschichtablösung, nämlich

a) Verhinderung eines turbulenten Strörnungsprofils durch entsprechende Gestaltung der Leitschaufeln.

b) Bewegung der festen Grenzschicht,

c) Ansaugen und

d) Beschleunigung der Grenzschicht

sind für DraÜdurchflußmesser mit den notwendigerweise stark gekrümmten Lcitschaufeln nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den linearen Bereich des Eichfaktors eines eingangs genannten Dralldurrhflußmessers /u vergrößern und eine Grenzschicht zu bilden, in der an den Lcitschaufrln innerhalb des vergrößeren Rcynolds-Zahl-Bercichs eine Ablösung unterbleibt.

Die Lösung der Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daü die vom Medium durchströmten Kanäle zwischen den Leitschaufel^ der Nabe und dem umgebenden Einlaß de.» Meßrohres in Strömungsrichtung gesehen längs der Leitschaufeln kontinuierlich abnehmende Querschnitte aufweisen.

Auf diese Weise wird die Hauptströmung und die Grenzschicht des Mediums an den Leitschaufeln beschleunigt und das Ablösen der Grenzschicht an der Hinterkante der Leitschaufeln weitgehend verhindert, und zwar in einem weiten Bereich von 10⁴ bis mindestens 2 · 10⁶ der Reynolds-Zahl innerhalb einer Meßgenauigkeit von ± 1 %.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen nach der Zeichnung nachfolgend näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein schematisch gezeichnetes Meßrohr,

F i g. 2 ein solches Meßrohr in vereinfachter konstruktiver Ausbildung,

Fig. 3, 4 in Seiten- und Vorderansicht ein Eintritts-Leitrad und

F i g. 5 ein Diagramm des Eichfaktors in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl.

Das Meßrohr 1 hat einen Einlaß 2 und einen Auslaß 3 von gleichem Innendurchmesser. Zwischen beiden ist eine Düse, bestehend aus einem konischen Bereich 2b und einem zylinderförmigen Teil 4, und ein konisch erweiterter Diffusor 5 mit Meßfühler 6 angeordnet. Der Einlaß 2 hat einen Aufnahmezylinder 2a für ein Eintrittsileitrad 7, das im wesentlichen aus einer stromlinienförmigen Nabe 8 und daran radial angeordneten, !feststehenden gekrümmten Leitschaufeln 9 besteht. In Strömungsrichtung (Pfeil) gesehen hiner dem Eintrittsieitrad 7 entsteht ein Wirbel 10, dem im Diffusor 5 eine Sekundärrotation aufgezwungen wird, deren Frequenz vom Meßfühler 6 erfaßbar ist.

Das Eintrittsleitrad mit seinem in Strömungsrichtung sich radial verkleinerndem Außendurchmesser ist völlig in de-n entsprechend konisch verlaufenden Bereich 2b passend eingefügt. Dieser Bereich stellt einen Teil der Düse dar. Im Auslaß 3 kann in bekannter Weise ein nicht dargestelltes, den Restdrall beseitigendes strömungsgleichrichtendes Austrittsleitrad vorgesehen sein.

In Fig. 2 ist das Meßrohr 1 in konstruktiver Ausführung im Längsschnitt gezeigt, wobei gleiche Teile wie in F i g. 2 mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind.

Der Meßfühler ist am Anfang des Diffusors 5 in eine von außen beschickbare Meßfühleröffnung 6a einfügbar.

In den Fig. 3 und 4 ist in vergrößertem Maßstab ein Einirittsleitrad 7 nach der Erfindung dargestellt.

Die einzelnen Leitschaufeln 9 sind radial gerichtet im gleichen Abstand voneinander an der stromlinienförmigen länglichen Nabe 8 befestigt und außen im vorderen Abschnitt der Leitkanten 9b und der Vorderkanten 9<7 von einem zylindrischen Ring U eingefaßt. Der radiale Abstand der Leitkanten 9b von der Nabe 8 verringert sich von den Vorderkanten 9a zu den Hinterkanten 9i> fortlaufend, so daß der Umfang dos Leitrades entsprechend der Konizität des Bereiches 2b im Meßrohir I konisch verläuft.

Die zwischen den ·η Strömungsrichtung gesehen gekrümmten Leitschaufeln 9, der Nabe 8 und dem konischen Bereich 2b gebildeten, gekrümmten Kanäle haben somit einen fortlaufend abnehmenden Querschnitt, der das strömende homogene Medium so

beschleunigt, daß die Ablösung rW Grenzschicht an den vorzugsweise schneidenförmigen Hinterkanten 9t· ver mieden oder wenigstens wesentlich gemindert wird.

Auf diese Weise kann eine in F'i g. 5 dargestellte weitgehende Konstanz des Richfaktors (Verhältnis der \ Frequenz der Sekundärrotation zum Durchflußvolumen) in einem weiten Bereich der Reynolds-Zahl erreicht werden, da die Konstanz von Tangential- zu Axialgeschwindigkeit soweit angenähert erreicht wird, daß Meßgenauigkei'en von höchstens ±1% möglich μ Mnd. In F i g. 5 ist die Abszisse im logarithniischcn Maßstab aufgetragen.

Die erforderliche Verringerung der Querschnitte der Kanäle kann auch dadurch erreicht werden, daß der Durchmesser der Nabe von der Vorderseite nach hinten (in Strömungsrichtung gesehen) vergrößert ist oder die Wanddicke der Leitschaufeln zunehmend größer bemessen wird oder daß alle oder einige dieser Maßnahmen kombiniert angewandt werden.

Zur Erzielung eines leistungsstarker und deutlichen Signals ist es vorteilhaft, die Leitschaufel im l^:.i'"rit;:, leitrad so zu krümmen, daß das austretende Medium um mindestens 3(V zum einströmenden Medium ausgeknkt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Dralldurchflußmesser, bei dem in einem vom Medium durchströmten Meßrohr ein drallerzeugendes Eintrittsleitrad mit an einer feststehenden länglichen Nabe angeordneten gekrümmten Leitschaufeln, eine Düse sowie ein Diffusor und mindestens ein die Sekundärrotation des hinter dem Eintrittsleitrad entstehenden Wirbelkernes erfassender Meßfühler angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Medium durchströmten Kanäle zwischen den Leitschaufeln (9), der Nabe (8) und dem umgebenden Einlaß (2b) des Meßrohres (1) in Strömungsrichtung gesehen längs der Leitschaufeln kontinuierlich abnehmende Querschnitte aufweisen.

2. Durchflußmesser nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Höhe der Leitschaufel (9) in Strömungsrichtung gesehen abnimmt und die Leitschaufeln am Außenumfang von einem entsprechend konisch verjüngten Bereich (2b) des Meßrohres (1) begrenzt sind.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (8) in Strömungsrichtung gesehen im Bereich der Kanäle kontinuierlich zunehmende Radialabmessungen aufweist.

4. Durchfiußiiiesser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (91 in Strömungsrichtung gesehen eine kontinuierlich zunehmende Wandstärke aufweisen unri gegebenenfalls eine schneidenförmige Hinterkante (9t> besitzen.

5. Durchflußmesser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln in Strömungsrichtung gesehen eine solche Krümmung aufweisen, daß das die Leitschaufeln verlassende Medium mindestens 30° zum einströmenden Medium ausgelenkt ist.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1) im Anschluß an den konisch verjüngten Bereich (2b) einen zylinderförmigen Teil (4) und einen anschließenden konisch erweiterten Diffusor (5) mit Meßfühler (6) sowie einen zylinderrohrförmigen Auslaß (3) mit einem drallbeseitigenden Austrittsleitrad aufweist.

7. Durchflußmesser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsabnahme der Kanäle im Eintrittsleitrad so gewählt ist, daß bei einer Genauigkeit von ± 1% der lineare Frequenzbereich deü Messers im Bereich der Reynolds-Zahl von 10⁴ bis 2 · 10⁶ liegt.