DE2241145A1

DE2241145A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung eines messwertes fuer die relativbewegung zwischen einem stroemungsmittel und einem gegenstand

Info

Publication number: DE2241145A1
Application number: DE2241145A
Authority: DE
Inventors: Robert E Blackwell
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-08-27
Filing date: 1972-08-22
Publication date: 1973-03-01
Also published as: BE787873A; NL7211696A; GB1384105A; FR2150844B1; AU4499072A; JPS5326820B2; FR2150844A1; US3788141A; AU471308B2; BR7205832D0; IT964097B; CA950107A; JPS4830961A

Description

DiPU-ING. KLAUS NEUBECKER ²^ ' '^

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

.Düsseldorf, 21. Aug. 1972

.Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A. .

•Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines · Meßwertes für die Relativbewegung zwischen einem Strömungsmittel und einem Gegenstand

•Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Bewegung eines Strömungsmittels oder Fluds im Verhältnis zu einem Gegenstand, insbesondere für den Fall, daß der Gegenstand sich im Strömungsmittel befindet.

Es gibt eine Reihe bekannter Verfahren und Systeme für die Bestimmung der Strömung oder Geschwindigkeit eines Fluds relativ zu einem stationären Gegenstand in einer Leitung bzw. einem Rohr. Verfahren, die die Geschwindigkeit aus dem Druckverlust bestimmen, können ziemlich hohe Ungenauigkeiten aufweisen. Soll mit magnetischen Strömungsmetern gearbeitet werden, so muß das Flud leitfähig sein. Auf Verdrängungs- bzw. Turbinenbasis arbeitende Meßgeräte haben bewegliche Teile, die Abrieb, Korrosion und Stoßbelastungen unterliegen. Verschiedene weitere Verfahren haben den Nachteil hoher Kosten.

Ein bekanntes Verfahren macht von dem Karmanschen Effekt Gebrauch, wonach das Vofbeiströmen von Strömungsmitteln an einem Hindernis dazu führt, daß abwechselnd von gegenüberliegenden Seiten des Hindernisses aus Wirbel gebildet werden, die auf der Abstromseite des Hindernisses die sogenannte Karmansche Wirbelstraße entstehen lassen. Die Wirbelbildungsfrequenz f (in Hz - die Frequenz—,

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bei der zwei Wirbel gebildet werden) entspricht der Beziehung: f = S v/d, worin ν die Strömungsgeschwindigkeit (m/s),d der Durchs messer oder eine sonstige seitliche Dimension des Hindernisses (m) und S die Strouhal-Zahl (dimensionslos) ist. Die Strouhal-Zahl ist über den nutzbaren Bereich der Reynolds-Zahl konstant und für Zylinder mit Kreisquerschnitt =0,2. Für ein bestimmtes Hindernis stellt die Wirbelfrequenz somit ein direktes Maß bzw. einen direkten Meßwert für die Fludgeschwindigkeit dar. Der vorgenannte Ausdruck für f ist allgemein bekannt,und sein Einsatz sowie die Herleitung dieses Ausdrucks und der Strouhal-Zahl sind in Standardveröffentlichungen der Strömungslehre zu finden. Weitere Erläuterungen sind in der USA-Patentschrift 3 116 639 sowie "Control Engineering¹/ Dez. 1969, S. 73 - 75, enthalten.

Es sind einige Strömungsmesser entwickelt worden, die die an der Abstromseite des Hindernisses ablaufenden Wirbel zählen. Bei einem solchen Strömungsmesser wird seitlich ein akustischer Strahl durch die Wirbelstraße auf der Abstromseite des Hindernisses geleitet und dann durch die Wirbel entsprechend der Wirbelbildungsfrequenz moduliert. Der so modulierte Strahl wird empfangen und demoduliert, um die Modulationsfrequenz auszusieben und so einen Meßwert für die Fludgeschwindigkeit zu erhalten. In der vorerwähnten Veröffentlichung "Control Engineering" wird ein mit dem Karmanschen Effekt arbeitender Strömungsmesser beschrieben, der von der Tatsache Gebrauch macht, daß die Strömung bei Bildung der einzelnen Wirbel tatsächlich etwas von einer Seite des Hindernisses zu dessen anderer Seite verschoben wird. Diese seitlichen Verschiebungen werden durch zwei erhitzte Thermistoren erfaßt, die in die stromaufwärts gerichtete Fläche des Hindernisses eingebettet sind, um durch die abwechselnden Fludverschiebungen hervorgerufene Änderungen der Wärmeübertragung zu erfassen. Die resultierenden Widerstandsänderungen in den Thermistoren werden ausgewertet, um die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit repräsentierende Signale zu bilden. Dieses Arbeitsprinzip weist insofern Beschränkungen auf, als die Thermistoren auf höherfrequente Strömungsverschiebungen nicht ansprechen können. Ebenso sind die erhitzten Thermistoren bei erhöhten F lud-

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temperaturen nicht in der Lage, die Änderungen im Wärmeübergang ohne weiteres zu erfassen.

Ein Verfahren zur Ermittlung eines Meßwertes für die Relativbewegung zwischen einem Strömungsmittel und einem Gegenstand, der so in dem Strömungsmittel angeordnet ist, daß in einer an die vordere Projektionsfläche des Gegenstandes angrenzenden Zone Strömungsmittel-Schwingungen erzeugt werden, wobei das Verhalten dieser Schwingungen eine Funktion des Meßwertes für die Relativverschiebung ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in die Zone ein mit dem schwingenden Strömungsmittel zusammenwirkendes akustisches Signal gerichtet wird, so daß das akustische Signal durch von den Strömungsmittel-Schwingungen hervorgerufene Pulsationen moduliert wird, und daß das so modulierte akustische Signal zur Ermittlung des gesuchten Relativbewegungs-Meßwertes ausgewertet wird.

Die Modulation des akustischen Signals erfolgt also - bezogen auf die Strömungsrichtung - vor dem Gegenstand, wo die Störeinflüsse am geringsten sind, nicht aber auf der Abstromseite des Gegenstandes. Das modulierte akustische Signal wird empfangen und in geeigneter Weise analysiert, so daß ein Signal mit einer periodischen Veränderlichen zur Verfügung steht, die repräsentativ für die Periodizität der abwechselnden seitlichen Verschiebungen der Strömungsmitte !geschwindigkeit an der stromaufwärts gerichteten Seite des Körpers ist. Verfahren und Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, bei denen ein akustischer Strahl vor dem Wirbel bildenden Körper moduliert wird, liefern eine klarere Anzeige der Wirbelbildungsfrequenz als ein Aufbau, bei dem der akustische Strahl auf der Abstromseite des Wirbel bildenden Körpers oder Gegenstandes moduliert wird.

"Akustisch" ist synonym mit "Schall" und umfaßt Unterschall-, Hörschall-, sowie Uitraschallfrequenzen. Die Erfindung läßt sich für jeden dieser Frequenzbereiche verwirklichen, jedoch ist dem Ultraschallfrequenzbereich der Vorzug zu geben. In Verbindung mit

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"Schallfrequenzen" hier verwendete Definitionen stimmen überein mit "Glossary of Oceanographic Terms",2. Auflage, 1966, gefördert vom US-Seeamt für Ozeanographie und erhältlich vom Department of Documents, U.S. Government Printing Office.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 teilweise im Schnitt eine Teilansicht eines Strömungsgeschwindigkeits-Meßaufbaus nach der Erfindung im Zusammenwirken mit einer in Blockschaltform wiedergegebenen Schaltung zur Auswertung der von dem Meßaufbau ermittelten Meßwerte; und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Meßwertaufbau der Fig. 1 längs der Linie II - II.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Strömungsmesser nach der Erfindung mit einem Rohrleitungsabschnitt 12 und einem Wirbel bildenden Körper 14, der in dem Rohrleitungsabschnitt so befestigt ist, daß in einem den Rohrleitungsabschnitt in Richtung des angegebenen Pfeiles durchströmenden Flud Schwingungen erzeugt werden. Entsprechend der zeichnerischen Darstellung kann der Körper 14 beispielsweise als langgestreckte Strebe ausgebildet sein, die sich über den Querschnitt des Rohrleitungsabschnitts 12 erstreckt und einen trapezförmigen, sich in Strömungsrichtung verjüngenden Querschnitt hat. Statt dessen kommen jedoch ebenso andere geeignete Querschnittsformen wie eine Kreis-, Oval-, Dreiecksform etc. in Frage. Die Kreisform ist mit dem strichpunktierten Kreis 14 A angedeutet. Unabhängig von dem Querschnitt des Wirbel bildenden Körpers 14 ist eine Projektionsfläche 16 wirksam, d. h. die Fläche, die stromaufwärts gerichtet ist und auf die das strömende Flud auftrifft. Wie zuvor erwähnt, werden vor dem Wirbel bildenden Körper 14 in Folge der Karmanschen Wirbel, die sich bei der Aufspaltung der Strömung durch den Körper 14 abwechselnd von gegenüberliegenden Seiten der Strebe

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aus bilden, Fludschwingungen erzeugt. Der Bereich oder die Zone für die Bildung dieser Schwingungen grenzt an die Projektionsfläche des Körpers 14 an und erstreckt sich stromaufwärts, wobei die Intensität der Schwingungsbildung mit zunehmendem Abstand von der Strebe in Stromaufwärtsrichtung abnimmt.

Mit dem Flud sind durch die Wandung des Rohrleitungsabschnittes auf gegenüberliegenden Seiten dieses Rohrleitungsabschnittes 12 elektroakustische Meßwertwandler 18 und 20 gekoppelt, die beispielsweise auf piezoelektrischer Basis arbeiten. Der Meßwertwandler formt von einem Sender 22 empfangene elektrische Impulse in akustische Energie in Form eines Strahls 24 um, von dem mindestens ein Teil unmittelbar vor der Projektionsfläche 16 quer zur Längsrichtung des Wirbel bildenden Körpers 14 über den QuerscMtt des Rohrleitungsabschnittes 12 verläuft, so daß ein Strahl akustischer Energie die Schwingungszone vor dem Körper 14 durchdringt. Der . Sender 22 weist einen Oszillator auf, der den Meßwertwandler 18 mit einer geeigneten Frequenz von beispielsweise 5 MHz erregt. Bei seiner Durchdringung der Flud-Schwingungszone vor dem Körper 14 wird der akustische 5 Megahertz-Strahl mit Pulsationen moduliert, die der Frequenz der abwechselnden Seitlichen Geschwindigkeitsverschiebungen des Fluds entsprechen, wobei diese wiederum der Fludgeschwindigkeit proportional sind. Bei der Modulation handelt es sich in erster Linie um eine Amplitudenmodulation.

Der Meßwertwandler 20 ist so angeordnet, daß er den modulierten akustischen Strahl 24 empfängt, so daß dieser in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird, das den Eingang eines die Modulationskomponente des Signals erfassenden Detektors 26 beaufschlagt. Der Detektor 26 demoduliert das empfangene Signal und speist eine Ausgangsleitung 28 mit dem Informationsanteil oder den Pulsationen, die die Modulationsfrequenz des Signals haben.

Der Detektor 26 kann beispielsweise als allgemein bekannter HaIbwellengleichrichter oder als Filterschaltung ausgebildet sein, so daß ein den Modulationsfrequenzen entsprechendes Ausgangssignal

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abgegeben wird, während die Träger- und andere unerwünschte Frequenzen ausgefiltert werden.

Das demodulierte Signal der Ausgangsleitung 28 wird einer mit einer gestrichelten Linie 30 angedeuteten Schaltung zugeführt, die auf die Pulsationen anspricht, indem entweder deren Frequenz und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Fluds erfaßt wird oder die Pulsationen während eines bestimmten Zeitabschnitts gezählt werden, um die durchgeströmte Fludmenge anzuzeigen. Die mit der Linie 30 angedeutete Schaltung kann eine geeignete, auf Pulaationen ansprechende Schaltungsanordnung wie beispielsweise eine oder mehrere der innerhalb der strichpunktierten Linie 30 aufgeführten Ansprechschaltungen aufweisen. Eine solche Ansprechschaltung kann ein in Fludgeschwindigkeits-Einheiten geeichter Frequenzmesser 32 sein. Eine weitere Ansprechanordnung kann einen Impulsformer 34, der über eine Leitung 36 Ausgangsimpulse mit den Fludschwingungen vor dem Körper 14 entsprechender Impulsfrequenz liefert, sowie eine auf die Impulsfrequenz ansprechende Schaltung aufweisen. Eine solche Schaltung kann von einem Steuerkreis 38 gebildet sein, der die Fludströmungsparameter entsprechend der Impulsfrequenz steuert. Ein weiter in Frage kommendes, auf die Impulse ansprechendes System kann einen Digital-/ Analogwandler 40 aufweisen, dessen Ausgang mit einem geeigneten geeichten Meßgerät 42 und/oder einem Steuersystem 44 verbunden ist, das zur Steuerung von veränderlichen Verfahrensgrößen, beispielsweise Fludströmungsveränderliehen, eingesetzt werden kann.

Das Impuls-Ausgangssignal der Leitung 36 kann einen Zähler 46 speisen-, der die Impulse zählt und damit eine Anzeige für die innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls vorbeigeströmte gesamte Fludmenge liefert. Der Ausgang des Detektors 26 bzw. der Ausgang des Impulsformers 34 können mit verschiedenen Wiedergabeeinrichtungen verbunden sein.

Wie aus Vorstehendem ersichtlich, kann die mit der Linie 30 angedeutete Schaltung als auf die Frequenzen bzw. die Impulsfolgen ansprechendes System Fludströmungsgeschwindigkeit-Anzeigen, Gesamt-

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Fludströmungsmengen-Anzeigen und Steuersysteme aufweisen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel wurde mit etwa folgenden Abmessungen gearbeitet: Innendurchmesser des Rohrleitungsabschnitts 12: 50 mm, größte Breite d des Wirbel bildenden Körpers 14: 16 mm und längste Erstreckung L des Körpers 14 in Strömungsrichtung: 23 mm. Die Trägerfrequenz des von dem Meßwertwandler 18 ausgesandten akustischen Strahls 24 betrug etwa 5 MHz. Der Durchmesser des "Auslaßfensters" des Meßwertwandlers 18 und die Breite des davon ausgesandten akustischen Strahls 24 betrugen jeweils etwa 4,7 mm. Bei dem erwähnten praktischen Ausführungsbeispiel waren die beiden Meßwertwandler 18 und 20 auf einer einander diametral gegenüberliegenden Seite des Rohrleitungsabschnitts 12 angeordnet, und die Mittellinie des akustischen Strahls 24 verlief etwa 1,2 mm stromoberhalb der Projektionsfläche 16.

Für das vorgenannte Ausführungsbeispiel wurden auf einem Betrachtungsgerät (Oszillograph) für Strömungsgeschwindigkeiten von ca. 1 m/s und 2 m/s Wirbelbildungsfrequenzen von etwa 20 Hz bzw. 36 Hz beobachtet*

Es versteht sich, daß die Abmessungen und geometrischen Ausgestaltungen des erwähnten Ausführungsbeispiels nur mögliche Beispiele darstellen, daß in den Rahmen der Erfindung aber naturgemäß auch Abweichungen davon fallen.

Zwar ist diametral gegenüberliegenden Meßwertwandlern, so daß der Empfänger-Meßwertwandler/der Achse des von dem Sender-Meßwertwandler ausgesandten akustischen Strahls fluchtet» der Vorzug zu geben» jedoch können auch andere Anordnungen der Meßwertwandler.Verwendung finden. So können sie zwar mit dem akustischen Strahl fluchten, ohne jedoch einander diametral gegenüberzuliegen. So können in Fig. 1 die Meßwertwandler 18 und 20 sich an Punkten A bzw. D befinden, wobei der akustische Strahl vom Punkt A zum Punkt B verläuft. Ebenso könnten die Meßwertwandler 18 und 20 sich an Punkten B und C

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— β -H

befinden, wobei der akustische Strahl dann vom Punkt B zum Punkt C verläuft. In beiden Fällen verläuft der akustische Strahl durch die Flud-Schwingungszone vor dem Wirbel bildenden Körper 14, so daß er mit der Schwingungsfrequenz entsprechend der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Flud und dem Wirbel bildenen Körper moduliert wird. Entsprechend der Erfindung kann aber auch der Empfänger-Meßwertwandler auf einer Seite der Mittelachse des akustischen Strahls angeordnet werden, so daß der Empfänger-Meßwertwandler auf alle gebrochenen, reflektierten oder gestreuten Komponenten des modulierten akustischen Strahls anspricht. Beispielsweise könnte der Meßwertwandler 18 in der in Fig. 1 gezeigten Weise angeordnet sein, während der Meßwertwandler 20 zu einer Seite der Mittelachse des akustischen Strahls verschoben wäre, so daß er sich an der Stelle C befindet. Es ist jedoch davon auszugehen, daß Empfindlichkeit und Signalintensität am größten sind, wenn die Meßwertwandler einander im Bereich der Schwingungszone vor dem Körper 14 diametral gegenüberliegen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, beide Meßwertwandler auf derselben Seite des Rohrleitungsabschnitte 12 anzuordnen, so daß der Sender-Meßwertwandler 18 eich in der gezeigten Lage befindet, während der Empfänger-Meßwertwandler sich an der Stelle A befindet und der akustische Strahl von dem Sender-Meßwertwandler in dt Schwingungszone gesandt wird, wo er eine Modulation erfährt. Dabei werden Reflexionen der modulierten akustischen Energie durch den Empfänger-Meßwertwandler aufgefangen, die dann durch die beschriebenen Schaltkreise in Frequenz- oder Impuleinformation umgewandelt werden, die für die Fludströmungsparameter repräsentativ ist. In ähnlicher Weise könnten beide Meßwertwandler in die Vorderfläche des Wirbel bildenden Körpers 14 eingebettet Kein und dabei stromaufwärts »eigen, so daß der akustische Strahl von dem Sender-Meßwertwandler in die Schwingungezone ausgesandt und dort moduliert wird und Reflexionen der modulierten akustischen Energie durchAen Empfänger-Meßwertwandler aufgefangen werden, die dann in der vorerwähnten Weise weiter behandelt werden können.

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Da die Strouhal-Zahl von der Geschwindigkeit verhältnismäßig unabhängig ist, ist die Wirbelbildungsfrequenz oder Modulationsfrequenz der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Flud und dem Hindernis bzw. dem Wirbel bildenden Körper 14 direkt proportional. Die Erfassung der Modulationsfrequenz des akustischen Signals liefert somit eine Geschwindigkeitsanzeige. Da die Strouhal-Zahl von Fludkennwerten wie Dichte und Druck unabhängig ist, ist auch das resultierenden Geschwindigkeitssignal von solchen· Kennwerten unabhängig.

Die Modulation des akustischen Strahls 24 durch die Fludschwingungen hat zwar in erster Linie den Charakter einer Amplitudenmodulation, jedoch treten auch Phasen- und Frequenzmodulationskomponenten auf, die jeweils durch bekannte Detektoreinrichtungen erfaßt werden könnten, um das gewünschte Signal für die Ausgangsleitung 28 zu liefern. Es besteht somit die Möglichkeit der Wahl zwischen Demodulations verfahren auf der Basis einer Amplituden-, einer Phasenoder einer Frequenzmodulation, mit denen in Verbindung mit dem Detektor 26 gearbeitet werden kann.

Patentansprüche:

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Claims

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Patentansprüche ;

1. Verfahren zur Ermittlung eines Meßwertes für die Relativverschiebung zwischen einem Strömungsmittel und einem Gegenstand, der so in dem Strömungsmittel angeordnet ist, daß in einer an die vordere Projektionsfläche des Gegenstandes angrenzenden Zone Strömungsmittel-Schwingungen erzeugt werden, wobei das Verhalten dieser Schwingungen eine Funktion des Meßwertes für die Relatiwerschiebung ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zone ein mit dem schwingenden Strömungsmittel zusammenwirkendes akustisches Signal gerichtet wird, so daß das akustische Signal durch von den Strömungsmittel-Schwingungen hervorgerufene Pulsationen moduliert wird, und daß das so modulierte akustische Signal zur Ermittlung des gesuchten Relativbewegungs-Meßwertes ausgewert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung des modulierten akustischen Signals das Verhalten der Schwingungen bzw. ein für dieses Verhalten typischer Meßwert aus dem modulierten akustischen Signal ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Signal zur Auswertung in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und der Meßwert für das Verhalten der Schwingungen aus diesem elektrischen Signal gewonnen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung des modulierten akustischen Signals mindestens ein Teil dieses modulierten akustischen Signals empfangen und ein Meßwert für das Verhalten der Modulations-Pulsationen des empfangenen akustischen Signals ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das empfangene modulierte akustische Signal ein reflektiertes Signal aufweist.

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6. Verfahren nach Anspruch 4,· dadurch gekennzeichnet, daß das empfangene modulierte akustische Signal ein abgelenktes (gebrochenes) Signal aufweist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren derAnsprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert der Relativverschiebung die Geschwindigkeit der Relativverschiebung zwischen dem Strömungsmittel und dem Gegenstand und der Meßwert für das Verhalten der Schwingungen die Schwingungsfrequenz ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert für die Relativvefschiebung die Strömungsmenge und der Meßwert für das Verhalten der Schwingungen eine Zählung dieser Schwingungen ist.

9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Ansprch 1, bei der in einem Rohrleitungsabschnitt für die Führung des Strömungsmittels der Gegenstand in Form eines Wirbel bildenden Körpers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des akustischen Signals ein Sender-Meßwertwandler (18) im Verhältnis zu dem Rohrleitungsabschnitt (12) so festgelegt ist, daß er das akustische Signal als akustischen Strahl (24) aussendet, der das schwingende Strömungsmittel gerade vor dem Wirbel bildenden Körper (14) durchdringt, und daß im Verhältnis zu dem Rohrleitungsabschnitt ferner ein Empfänger-Meßwertwandler (20) so festgelegt ist, daß er mindestens einen Teil des modulierten akustischen Signals empfängt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender- und der Empfänger-Meßwertwandler (18,20) jeweils vor dem Wirbel bildenden Körper (14) auf gegenüberliegenden Seiten der Haupt-Strömungsachse des Strömungsmittels angeordnet sind.

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