DE2038569A1

DE2038569A1 - Durchflussmesser nach dem Prinzip der Karman'schen Wirbelstrasse

Info

Publication number: DE2038569A1
Application number: DE19702038569
Authority: DE
Inventors: Burgess Thomas H
Original assignee: Fischer and Porter GmbH
Current assignee: Fischer and Porter GmbH
Priority date: 1969-09-04
Filing date: 1970-08-04
Publication date: 1971-04-01
Also published as: NL7013122A; FR2060409B3; JPS549069B1; DE2038569C3; US3589185A; FR2060409A7; DE2038569B2

Description

FP 70/15

PISCHER & PORTER GMBH, 3401 Groß Ellershausen

Durchflußmesser nach dem Prinzip der Karman¹sehen Wirbelstraße

Es wird die Priorität der entsprechenden US-Patentanmeldung Serial No. 855 153 vom 4·· September 1969 in Anspruch genommen.

Es ist bekannt (Aufsatz Schlichting in "Boundary layer Theory" Seiten 15 bis 17 und 27 bis 31 von McGraw-Hill Ί960), daß durch Anordnung eines Kreiszylinders (Widerstandskörper) in einem Ölstrompfad periodisch Wirbel hervorgerufen werden können, wobei Änderungen des Strömungsfeldes in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit auftreten.

Bei niedriger Frequenz bzw. Reynolds-Zahl (die auf der Geschwindigkeit und der Viskosität des Mediums sowie auf dem Einlaßdurchmesser des Strömungspfades beruht), ist das Strömungsprofil hinter dem Widerstandskörper laminar. Mit zunehmender Reynolds- · Zahl treten zunächst regelmäßige Wirbel in Form von sogenannten "Karman¹sehen Wirbelstraßen" auf, die bei weiterer Zunahme der Reynolds-Zahl zu unregelmäßigen und turbulenten Wirbeln werden. Die Frequenz einer solchen Wirbelstraße ist eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, Diese Erscheinung kann für Durchflußmesser ohne bewegliche Teile benutzt werden.

Es ist bei flügelartigen Widerstandskörper!! mit scharfen Vorderkanten und schrägen Flächen in Windtunnels festgestellt worden (»National Physical Laboratory¹« 1961, Report -Nr.. 3282. "The Bursting of Leading Edge'Vertices".von Lambourne and'Bryer), daß Wirbel mit periodischen Komponenten auftreten, ' ' '

. "-5,8,1970 1G9HU/H15

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Es ist weiter bekanntgeworden ("Aeronautical Quat'erly" 1965, Novemberausgabe, Aufsatz Mair), daß bei dem Tersuch der Entwicklang eines Durchflußmessers nach dem Prinzip der besagten Karman¹sehen Wirbelstraße mit einem Rotationswiderstandskörper mit stumpfer Hinterkante festgestellt wurde, daß die Anordnung einer runden Scheibe mit kleinerem Durchmesser im Abstand hinter dem Rotationswiderstandskörper dessen Strömungswiderstandswert verringert; und zwar konnte mit einer Scheibe der Strömungswiderstand um etwa 35 $, bei zwei Scheiben sogar um 53 # verringert werden. Es wurde festgestellt, daß durch Änderung des Abstandes der Scheiben in Strömungsrichtung (Axialrichtung) der Widerstandswert veränderbar ist.

Bei hohen Strömungswiderstandswerten der Widerstandsanordnung wird die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich zwischen Widerstandskörper und Scheibe sehr instabil. Hierzu wurde ein Hitzdrahtfühler hinter der Scheibe angeordnet, der ein starkes Signal mit einer vorherrschenden frequenz erzeugte, die genau proportional der Windgeschwindigkeit war, jedoch nur in einem begrenzten Bereich der Windgeschwindigkeit. Da außerdem die Erfassung der geringen and instabilen Signale bei praxisgerechten Durchfluömeasem nicht möglich und das Meßsignal im Verhältnis zuai Störpegel zu klein ist, ist eine solche Anordnung in Wirklichkeit nicht >ι "Jurchflußmessungen brauchbar. Der Grund hierfü. 'i uJ λ", ίι ausgedruckt; der, daS die Änderung der Strouhal-«¹« it >iren weiten Bereich der Reynolds-Zahl nicht vorne., τ. - · ^t,

Der Erfindung LL¹Vi ;-.!« AufgAbe i\ .^ruxiua, eiaer, IkTuhilußmesser

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BAD ORiGiNAL- 3 ■

das Signal in einem großen Bereich der Reynolds-Zahl proportional der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit und frei von zufälligen Schwankungen ist.

Die Lösung gelingt nach der Erfindung in besonders einfacher Weise dadurch, daß in einem Rohrstück symmetrisch und quer zu dessen Längsachse eine Strömungsteilende Widerstandsanordnung über den ganzen Rohrquersehnitt erstreckt ist, deren Widerstandskörper entlang seiner- Längsachse einen gleichförmigen Querschnitt und dessen Scheibe einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Rohrstück mit darin angeordneter Widerstandsanordnung und Fühler,

Pig. 2 eine Draufsicht auf den Einlaß des Rohrstückes nach Fig. 1, Fig. 3 die Widerstandsanordnung nach Fig. 1 und 2 in perspektivischer Darstellung,

Fig. 4 eine abgewandelte Widerstandsanordnung in Längsschnitt, Fig. 5 eine weitere Form der Widerstandsanordnung in Draufsicht auf den Einlaß des Rohrstüeks,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Rohrachse durch die Widerstandsanordnung nach Fig. 5, Linie YI-VI.

In allen Figuren sind übereinstimmende Teile mit übereinstimmen-' den Bezugszeichen versehen.

Das zu messende gasförmige oder flüssige Medium strömt vom Einlaß 1OA her in ein gerades Rohrstück 10 von gleichbleibendem, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt und wird von symmetrisch quer zur Rohrachse χ über den ganzen Rohrquersehnitt erstreckte Widerstandsanordnung 11 geteilt, so daß hinter der Widerstandsanordnung Schwingungen 13 (stark vereinfacht angedeutet) auftreten, die von einem Fühler 12 erfaßt und in elektrische Signale

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umgewandelt einem Indikator H zugeführt werden. Die Frequenz des genannten elektrischen Signals ist der Schwingung jeweils proportional und die Meßgröße am Indikator als Strömungsgeschwindigkeit angezeigt.

Der Fühler 12 ist hinter der Widerstandsanordnung so angeordnet, daß ein optimales Verhältnis von Meßsignal zum Störpegel erreicht wird. Der Fühler 12 kann z.B. ein strombeheizter Thermistor mit stark negativem Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes sein, der von dem schwingenden strömenden Medium im Takt der Schwingungen gekühlt wird und dabei seinen Widerstandswert ändert.

Die Widerstandsanordnung 11 besteht aus einem Strömungsteilenden Widerstandskörper 15 (Fig. 1, 2) bzw. 19 (Fig. 4) und einer mit diesem durch Stifte 17 im Abstand dahinter verbundenen, parallel angeordneten Scheibe 16. Der Widerstandskörper 15 bzw. 19 hat einen über seine ganze in y-Aehsrichtung (Fig. 2) erstreckte Länge, d.h. 90° zur Strömungsrichtung des Mediums erstreckt, einen gleichförmigen Querschnitt, der an seinem der Strömung zugewandten Teil schräge Flächen, zur Strömungsteilung aufweist. Die Hinterkante des Widerstandskörpers ist stumpf, insbesondere eben gestaltet, um das Abreißen der Teilströmungen und die Wirbelbildung in Form Karman»scher Wirbelstraßen zu bewirken. Die Wirbel führen dann zu den vom Fühler erfaßten Schwingungen des strömenden Mediums,

Der gleichförmige Querschnitt des Widerstandskörpers ist insbesondere dreieck- oder deltaförmig entsprechend Fig. 1, 2, 3j er kann auch halbkreisförmig entsprechend Fig. 4 oder von anderer strömungsteilender Gestalt sein.

Die Scheibe 16 hat in y-Achsrichtung einen gleichgroßen rechteckförmigen Querschnitt und hat vorzugsweise eine geringere Grundfläche als der Widerstandskörper 15 bzw. 19. Die beiden

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Grundflächen sind zueinander parallel angeordnet und schließen einen Zwischenraum 18 ein, in dem die Wirbel eingefangen und die Wirbelstraßen verstärkt und stabilisiert werden»

Zur Kompensierung des Strömungsprofils des strömenden Mediums oder um eine lineare Beziehung zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Heßsignal zu erhalten« kann es vorteilhaft sein, unter Beibehaltung der Querschnittsform des Widerstandskörpers 20 ent« lang der y-Achse dessen Querschnittsgröße im mittleren Bereich entsprechend Fig. 5 und 6 zu verringern. In diesem Bereich ist der Abstand zwischen Widerstandskörper 20 und Scheibe 16 größer, wie Fig. 6 erkennen läßt.

Ansteile eines Thermistors als Fühler 12 kann auch ein Differenzdruckumformer oder ein anderer bekannter geeigneter Fühler verwendet werden. Der Fühler ist stromabwärts nach dem Widerstandskörper in das Rohrstück 10 ragend anzuordnen, wobei er im Bereich des Zwischenraumes 18 oder vorzugsweise stromabwärts der Scheibe 16 liegen kann. Gemäß den Schwingungsamplituden ragt der Fühler dabei entsprechend tief in das Innere des Rohrstücks 10 hinein. ·

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Claims

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Patentansprüche

Durchflußmesser für gasförmige oder flüssige Medien unter Ausnutzung der Karman«sehen Wirbelstraßen mit einer Widerstandsanordnung und einem stromabwärts dahinter angeordneten fühler für die von den Wirbeln herrührenden Schwingungen des Mediums in einem Strömungspfad, wobei die Widerstandsanordnung aus einem Widerstandskörper mit stumpfer Hinterkante zur Erzeugung der Wirbel und einer im Abstand dahinter angeordneten Scheibe besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rohrstück (10) symmetrisch und quer zu dessen Längsachse (x) eine Strömungsteilende Widerstandsanordnung (11) über den ganzen Rohrquerschnitt erstreckt ist, deren Widerstandskörper (15, 19, 20) entlang seiner Längsachse (y) einen gleichförmigen Querschnitt und dessen Scheibe (16) einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist.

2, Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (15» 19» 20) auf seiner der Strömung zugewandten Seite symmetrieoh zur x-Achse schräge Flächen aufweist.

3. DurchflttSraeaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ^Widerstandskörper (20) im Mittelbereich einen kleineren Querschnitt als in den beiden Aufienbereichen aufweist.