DE2314407A1 - Durchflussmesser - Google Patents

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

l»A^vENTA*IwXl.TE ■ MÜNCHfH ΛΟ. M^UkRKiRCHCRSTR. 48

22, März 1373

Anwaltsakte 23 686

George Kent Ltd. Luton, Bedfordshire / England

Durchflußmesser

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflußmesser.

Gemäß der Erfindung ist ein Durchflußmesser gekennzeichnet durch ein von einer Flüssigkeit durchströmbares Leitungsteil, durch einen sich quer über das Leitungsteil

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— ρ —

erstreckenden länglichen Körper zum Erzeugen von Wirbeln in der Flüssigkeit mit einer deren Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Frequenz, wobei die Konstante der Proportionalität zwischen dieser Frequenz und der Strömungsgeschwindigkeit mit der Vergrößerung des Verhältnisses zwischen der Breite des Körpers in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung und der lichten Weite des Leitungsteils in der gleichen Richtung zunächst bis zu einem Mindestwert abnimmt und anschließend wieder zunimmt und das Verhältnis so gewählt ist, daß die Konstante der Proportionalität gleich oder im wesentlichen gleich dem Mindestwert ist, und durch auf die Bildung der Wirbel ansprechende Fühleinrichtungen zum Erzeugen eines die Frequenz der Wirbelbildung wiedergebenden Signals.

In dem erfindungsgemäßen Durchflußsiesser entstehen über einen weiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten Wirbel mit einer Frequenz, welche der zu messenden Durchflußmenge bzw. -geschwindigkeit proportional ist.

Der in dem erfindungsgemäßen Durchflußmesser verwendete längliche Körper kann jede beliebige Form haben, an welcher sich in einer Flüssigkeitsströmung, in der sich der Körper befindet, Wirbel ablösen können. Der Körper

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kann «Jede Art von "stumpfer", also nicht stromlinienförmiger Querschnittsform haben und braucht der Flüssigkeitsströmung nicht unbedingt eine ebene oder nahezu ebene Fläche darzubieten. So kann der Körper die Form eines Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt haben, dessen Achse sich über einen Durchmesser des Leitungsteils erstreckt. Der Körper kann auch quadratische oder rechteckige Querschnittsform haben. Vorteilhaft ist der Körper durch eine Platte bzw. ein Blech gebildet, mit normal zur Achse des Leitungsteils verlaufenden Hauptflächen.

Das Leitungsteil des Durchflußmessers hat zwar vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt, gegebenenfalls können jedoch auch Leitungsteile mit quadratischem, rechteckigem oder anderem Querschnitt verwendet werden.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Axialschnitt ansicht eines erfindungs gemäßen Durchflußmessers,

Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

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Fig. 3 und 4 Axialschnittansichten einer zweiten bzw. einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Durchflußmessers und

Pig. 5 eine grafische Darstellung der Veränderungen des Verhältnisses zwischen der Frequenz der Wirbelablösung und der Durchflußmenge bzw. -geschwindigkeit bei Durchflußmessern nach Fig. 1,2 und 4 in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen der Breite des stumpfen Körpers und dem Durchmesser des jeweiligen Leitungsteils.

Der in Fig. 1 und 2 gezeigte erfindungsgemäße Durchflußmesser 10 weist ein Leitungsteil 11 mit kreisförmigem Querschnitt auf; Im Betrieb wird eine Strömung einer Flüssigkeit, deren Durchflußmenge bzw. -geschwindigkeit gemessen werden soll, in Ricitung des Pfeiles 12 durch das Leitungsteil 11 hindurchgeleitet .

In Querrichtung des Leitungsteils 11 erstreckt sich ein länglicher stumpfer Körper 14 in Form eines Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt. Der Körper 14 erstreckt sich entlang einem Durchmesser der Leitung 11 und ist in Fig. 1 und 2 waagerecht dargestellt. In der praktischen Anwendung kann der Körper 14 jedoch senkrecht zur

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Achse des Leitungsteils 11 in beliebiger Richtung verlaufen. Zwischen den Enden des Körpers 14 und der Wandung des Leitungsteils 11 sind Dichtungen 17 eingesetzt, um einen Durchtritt der Strömung an diesen Stellen zu verhindern.

An der Zuströmseite des Körpers 14 hat das Leitungsteil 11 über eine ausreichende Länge gleichmäßigen Querschnitt, so daß die auf den Zylinder auftreffende Strömung laminar verläuft. An der Abströmseite des Körpers 14 bilden sich Wirbel 15 in nachstehend beschriebener Weise.

Der Körper 14 hat in der Mitte zwischen seinen Enden in einer rechtwinklig ziur Achse des Leitungsteils 11 verlaufenden Ebene einander diametral gegenüber in der Umfangsfläche gebildete Ausnehmungen für die Aufnahme eines Paares von Pühleinrichtungen in Form von auf Temperaturen bzw. Wärmeverluste ansprechenden Fühlerelementen 16. Die Fühlerelemente 16 erzeugen elektrische Signale mit einer der der Ablösung von Wirbeln von dem Körper 14 entsprechenden Frequenz.

Von den Pühlerelementen 16 ausgehende Leiter 18 verlaufen über Durchlässe im Körper 14 und in der Wandung des Leitungsteils 11 zu einer Schaltung 19, welche ein pulsie-

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rendes 'Ausgangssignal mit einer der des von den Fühlerelementen 16 gelieferten Signals entsprechenden Frequenz erzeugt. Das Ausgangssignal der Schaltung 19 wird an eine Anzeige- und/oder Steuerschaltung 20 in Form eines Impulszählers gelegt. Die Schaltungen 19 und 20 können in herkömmlicher Weise ausgeführt sein.

Wie man in Fig. 1 erkennt, bewirkt der Körper 14 die Entstehung von Wirbeln 15 in der Strömung an seiner Abströmseite, wobei sich die Wirbel abwechselnd an den beiden Seiten des Körpers ablösen.

Sofern das Leitungsteil eine solche Weite aufweist, daß seine Wandungen ohne Einfluß auf die sich von dem quer zur Strömungsrichtung erstreckenden Körper ablösenden Wirbel bleiben, bilden die beiden Wirbelfolgen an der Abströmseite des Körpers eine Wirbelstraße mit der Breite d^f (Fig. 1). Bei Verringerung der Weite des Leitungsteils ändert sich auch die Größe d^f. Diese Änderung ist jedoch bei den Weiten der für den erfindungsgemäßen Durchflußmesser verwendeten Leitungsteile unbeachtlich. " .

Die Beziehung d¹ : d, in welcher d die wirksame Breite des Körpers rechtwinklig zur Strömungsrichtung angibt,

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ist für einen Körper 14 von gegebener Form konstant, ändert sich Jedoch bei verschiedenen Formen des Körpers. Bei einem Körper in Form eines Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt ist diese, als die Stumpfheit des Körpers bezeichnete Konstante K gleich 1,1.

Die Frequenz f, mit welcher sich die Wirbel 15 vom'stumpfen Körper ablösen ist bei dem beschriebenen Durchflußmesser proportional der Durchflußmenge bzw. -geschwindigkeit Q einer Flüssigkeit in dem Leitungsteil 11.

Die Wirkungen von Veränderungen der wirksamen Breite d eines Körpers relativ zur Weite D eines Leitungsteils in der Richtung von d wurden eingehend untersucht. Fig. 5 zeigt die Veränderungen der Beziehung f : Q in Abhängigkeit vom Verhältnis d : D.

In dieser Figur gibt die Kurve (i) die betreffenden Beziehungen für den Körper 14 aus Fig. 1 und 2 wider, also für einen Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt und einer Stumpfheit K = 1,1. Man erkennt, daß sich die Beziehung f : Q bei einer Vergrößerung des Verhältnisses d : D zunächst verkleinert und bei d : D = 0,36 einen Mindestwert erreicht, um sich anschließend wieder zu

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vergrößern. Im Bereich des Mindestwerts verläuft die Kurve (i) in Fig. 5 sehr flach, so daß eine Änderung des Verhältnisses d : D um 10 % eine Änderung der Beziehung f : Q um nur 1 % bewirkt. In der Ausführung nach Fig. 1 und 2 hat der Körper 14 daher einen Durchs messer d, welcher gleich oder nahezu gleich dem Durchmesser D des Leitungsteils 11 mal 0,36 ist. Daraus ergeben sich die folgenden Vorteile: Da geringe Veränderungen des Verhältnisses d : D nur geringe Auswirkungen auf die Beziehung f : Q haben, brauchen die Toleranzen für d und D bei der Herstellung nicht so genau eingehalten zu werden als dies sonst notwendig wäre. Ferner wird die Eichung des Durchflußmessers durch Veränderungen der Abmessungen des stumpfen Körpers aufgrund der korrodierenden Wirkung von Flüssigkeiten kaum beeinflußt. Außerdem haben Änderungen des Verhältnisses d : D in beiden Richtungen eine Vergrößerung der Bezie-* hung f : Q zur Folge. Schließlich.hat sich noch erwiesen, daß der Durchflußmesser weniger empfindlich auf Störungen in der Strömung an der Zuströmseite des stumpfen Körpers reagiert.

Fig, 3 zeigt eine Axialschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Durchflußmessers gemäß der Erfindung.

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Der Durchflußmesser 40 enthält einen stumpfen Körper 44 in Form einer Platte oder eines Stegs, welche bzw. welcher sich quer über ein Leitungsteil 11 mit kreisförmigem Querschnitt erstreckt. Die beiden einander gegenüberliegenden großflächigen Seiten des Körpers 44 verlaufen normal zur durch den Pfeil 12 angedeuteten Strömungsrichtung. An der Abströmseite des Körpers 44 sind an der Wandung des Leitungsteils 11 Wärmeverlustfühlerelemente 46 angebracht. Diese dienen der Erzeugung von elektrischen Signalen mit einer jeweils der der Ablösung von Wirbeln vom Körper 44 entsprechenden Frequenz.

Für einen stumpfen Körper in Form einer ebenen Platte ist die Stumpfheitskonstante K gleich 1,6. Die Kurve (ii) in Fig. 5 zeigt die Änderungen der Beziehung f : Q in Abhängigkeit vom Verhältnis d : D bei einer solchen Platte, wobei d wiederum die wirksame Breite der Platte im rechten Winkel zur Flüssigkeitsströmung und D die lichte Weite des Leitungsteils 11 in der gleichen Richtung wjsäergibt. Die Kurve (ii) hat ein Minimum bei d : D = 0,26. Der Körper 44 erhält demnach vorzugsweise eine Breite d, welche gleich oder nahezu gleich der Weite D des Leitungsteils 11 mal 0,26 ist.

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Man erkennt, daß die Kurve (Ii) im Bereich des Mindestwerts flacher verläuft als die Kurve (i). Hier beträgt die Zunahme der Beziehung f : Q bei einer Änderung des Verhältnisses d : D um 10 % lediglich 0,5 %.

Der in Fig. 4 gezeigte Durchflußmesser 50 gemäß deiJErfindung enthält einen in einem Leitungsteil 11 angeordneten stumpfen Körper 54 mit recht—-eckigem Querschnitt, dessen einander gegenüberliegende breitere Flächen normal zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit verlaufen. Die Breite dieser Flächen beträgt das 3/2-fache der Breite der beiden anderen einander gegenüberliegenden Flächen. Bei Erfüllung dieser Bedingung steht für die Bildung von Wirbeln die größtmögliche Energie zur Verfügung. Der Körper 5^ hat eine Stumpfheitskonstante K von 1,7. Dabei erreicht die Kurve für die Beziehung f : Q ihren Mindestwert bei einem Verhältnis d : D = 0,25.

Im Allgemeinen läßt sich feststellen, daß die über dem Verhältnis d : D aufgetragene Kurve für die Beziehung f ; Q im Bereich der Mindestwerte um so flacher verläuft, je größer der Wert K ist, d.h. je stumpfer der Körper ist. Dies ergibt sich schon aus den Kurven (i) und (ii) in Fig. 5, welche für K = 1.6 einen flacheren

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Verlauf zeigen als für K = 1,1. Eine weitere Bestätigung erhält man durch (nicht gezeigte) entsprechende Kurven für den rechteckigen Körper 5^ aus Pig. 4 und für einen Körper mit quadratischem Querschnitt und einer Stumpfheitskonstante K= 1,5, dessen Kurve nahezu ebenso flach verläuft wie die Kurve (ii). Je flacher jedoch die Kurve verläuft, um so stärker kommen die in Verbindung mit dem Durchflußmesser nach Pig. I und 2 erörterten Vorteile der Erfindung zur Wirkung.

Die Form der Kurven (i) und (ii) in Fig. 5 läßt sich auch theoretisch in folgender Weise bestimmen:

Für die Strömung einer Flüssigkeit hinter einem in einer Leitung angeordneten stumpfen Körper ist die Strouhal-Zahl.S als S = ^ß- definiert, worin f die Frequenz ist, mit welcher die Wirbel erzeugt werden, d die wirksame Breite des Körpers und v' die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit an der■Abströmseite des Körpers. Für eine Leitung mit kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser D und bei einer Strömungsgeschwindigkeit ν an der Zuströmseite des Körpers ergibt sich

v· =

_Λ 4K d
ψ D

- 12 -

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" ¹² " ■ 23-1440

Dementsprechend ist

Q - — 1 _ _ —

ΊΤ D

itD Die Durchflußmenge Q bestimmt sich als Q =

Somit ist

—.

Aus dieser Beziehung läßt sich das Verhältnis d : D zur Erzielung eines Mindestwerts berechnen.

In allen vorstehend beschriebenen Durchflußmessern hat die Leitung einen kreisförmigen Querschnitt₃ und der längliche Körper erstreckt sich Jeweils von einer Seite der Leitung zur anderen. Gegebenenfalls mag sich jedoch die Verwendung einer Leitung mit nicht kreisförmigem, beispielsweise rechteckigem Querschnitt als notwendig erweisen. Sofern sich der Körper dann parallel zu den längeren Seiten des Leitungsquerschnitts von einer Seite der Leitung zur anderen erstreckt und eine für die Erzielung eines Mindestwerts der Beziehung f : Q erforderliche Breite hat, dann ist das Whältnis der Länge des Körpers zu se^-lner Breite größer als das Kor-

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relationslängenverhältnis, bei welchem die Frequenz und die Phase, mit welcher sich die Wirbel ablösen, über die gesamte Länge des Körpers hinweg konstant sind. Um dies zu vermeiden wird der Körper vorzugsweise auf oder nahezu auf eine dem Korrelationsverhältnis entsprechende Länge verkürzt und mit Endscheiben versehen, welche eine Strömung in Längsrichtung des Körpers verhindern.

Die vorstehend beschriebenen Durchflußmesser haben Fühleinrichtungen zum Erzeugen von elektrischen Signalen mit einer der Frequenz, mit welcher sich die Wirbel ablösen, proportionalen Frequenz. Anstelle dieser Fühleinrichtu^n können auch andere Einrichtungen zum Erzeugen von elektrischen Signalen verwendet werden, deren Phase oder Amplitude in Beziehung der Ablösefrequenz der Wirbel steht. Solche Einrichtungen können die in der britischen Patentanmeldung 28 510/71 der Anmelderin beschriebene Form haben. Die dot beschriebenen Einrichtungen sprechen direkt oder indirekt auf Bewegungen des stumpfen Körpers oder Teilen davon an, um etwa über Belastung eines piezoelektrischen Kristalls oder Veränderung einer Kapazität ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen. Anderenfalls können auch Ab-

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tasteinrichtungen verwendet werden, welche kein elektrisches Signal erzeugen, beispielsweise ein Fluidikelernent.

- Patentansprüche -

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Claims (13)

Patentansprüche:

1.) Durchflußmesser, gekennzeichnet durch ein von einer Flüssigkeit durchströmbares Leitungsteil (11), durch einen sich quer über das Leitungsteil erstreckenden länglichen Körper (14, 44, 54) zum Erzeugen von Wirbeln (15) in der Flüssigkeit mit einer deren Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Frequenz, wobei die Proportionalitätskonstante zwischen dieser Frequenz -und der Strömungsgeschwindigkeit mit der Vergrößerung des Verhältnisses zwischen der Breite (d) des Körpers in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (12) und der lichten Weite (D) des Leitungsteils in der gleichen Richtung zunächst bis zu einem Mindestwert abnimmt und anschließend wieder zunimmt und das Verhältnis so gewählt ist, daß die Proportionalitätskonstante gleich oder im wesentlichen gleich dem Mindestwert ist, und durch auf die Bildung von Wirbeln ansprechende Fühleinrichtungen (IS, 46) zum Erzeugen eines die Frequenz der Wirbelbildung wMergebenden Signals.

2, Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (d : D) zwischen 90 und 110 % des Wertes liegt, bei welchem die

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Proportionalitätskonstante gleich dem Mindestwert ist

3· Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei-chnet, daß der Körper (44) eine/ebene Platte ist und daß das Verhältnis zwischen der Breite (d) der Platte und der lichten Weite (D) des Leitungsteils gleich oder nahezu gleich 0,26 ist.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (14) ein Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt ist und daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser (d) des Zylinders und der lichten Weite (D) des Leitungsteils gleich oder nahezu gleich O₅36 ist.

5. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (54) rechteckige Querschnittsform hat und daß das Verhältnis zwischen der Breite (d) des Körpers und der lichten Weite (D) des Leitungsteils gleich oder nahezu gleich 0,25 ist.

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6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (d) des Körpers (54) größer ist als seine Dicke parallel zur Strömungsrichtung (12) der Flüssigkeit.

7. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Breite (d) des Körpers (5^) und seiner Dikke gleich oder nahezu gleich 3 : 2 ist.

8. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper quadratische Querschnittsform hat.

9. Durchflußmesser nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8,dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsteil (11) einen kreisförmigen Innenquerschnitt hat.

10. Durchflußmesser nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (I¹J) sich von einer Seite des Leitungsteils (11) zur anderen erstreckt und daß zwischen den Seiten des Leitungsteils und den betreffenden Enden des Körpers Dichtungen (17) vorgesehen sind.

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11. Durchflußmesser nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Enden des Körpers und den ihnen gegenüberliegenden Wandungen des Leitungsteils Zwischenräume vorhanden sind und daß der Körper an beiden Enden eine Endscheibe trägt, welche eine Strömung der Flüssigkeit in Längsrichtung des Körpers vollständig oder nahezu verhindert.

12. Durchflußmesser nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtungen (16, 46) zum Erzeugen eines die Frequenz wiedergebenden elektrischen Signals ausgebildet sind.

13. Durchflußmesser nach Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet, daß das Signal ein Wechselsignal mit einer der Wirbelfrequenz entsprechenden Frequenz ist.

Ik. Durchflüßmesser im wesentlichen wie vorstehend anhand der Zeichnung beschrieben und in dieser dargestellt.

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