DE2415583C3

DE2415583C3 - Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung nach dem Prinzip der Karman'schen Wirbelstraße

Info

Publication number: DE2415583C3
Application number: DE2415583A
Authority: DE
Inventors: Thomas H. Horsham Pa. Burgess
Original assignee: Fischer and Porter GmbH
Current assignee: Fischer and Porter GmbH
Priority date: 1973-04-26
Filing date: 1974-03-30
Publication date: 1986-07-10
Also published as: DE2415583B2; US3888120A; DE2415583A1; JPS503658A

Description

einem induktiven Fühler gekuppelt ist; dies ist konstruktiv aufwendig. Wenn der Körper durch dünne, flexible Streifen mit dem Widerstandskörper verbunden ist, besteht die Gefahr von Ermüdungsbrüchen dieser Streifen, was zum Ausfall der Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung führt.

Bei einer nach der US-PS 37 19 073 bekannten Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sprechen zwei diametral angeordnete Fühler nicht nur (gegenphasig) auf durch Wirbel hervorgerufene Schwankungen an, sondern auch (gleichphasig) auf Druck-, Geschwindigkeits- oder Temperaturschwankungen. Die Fühler sind so gestaltet, daß sich im Meßsignal die gleichphasigen Schwankungen auslöschen, so daß nur die für die Messung interessierenden gegenphasigen Schwankungen verbleiben. Das setzt voraus, daß die Fühler dauerhaft in gleichem Maße sensitiv sind. Eine solche Bedingung kann aber praktisch nicht erfüllt werden. Die zu messenden gasförmigen oder flüssigen Medien tragen häufig Schmutzstoffe mit sich, die sich ungleichmäßig an der Rohrinnenwand ablagern und damit die Fühler unterschiedlich abdecken können. Is*. dies der Fall, so erhält das Meßsignal eine Komponente, die den gleichphasigen Schwankungen entspricht und diejenige Komponente, die von den gegenphasigen Schwankungen herrührt, stört.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine durch äußere Einflüsse unberührte genaue Messung mit einfachen, dauerhaften Mitteln sicher möglich ist

Zu Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 ausgebildet.

Die kaum wahrnehmbare Amplitude des mit der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit frequenzproportional schwingenden Rückteiles schont die Halteglieder, so daß sie eine Dauerbeanspruchung sicher aushalten. Darüber hinaus kann der nur geringfügig seine Lage verändernde Rückteil im Betrieb keine nachteilige Beeinflussung der Wirbelstraße hervorrufen.

In einfacher Weise kann die Erfindung dadurch realisiert sein, daß der Rückteil mit zwei in Strömungsrichtung erstreckten Haltegliedern am Widerstandskörper gehalten ist

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen schematisierten Längsschnitt durch eine in einer Leitung angeonlnete Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung,

F i g. 2 die Vorderansicht des Widerstandskörpers in Fig.l,

F i g. 3 eine perspektivische Darstellung des Widerstandskörpers sami Rückteil, F i g. 4 eine Meßbrückenschaltung mit dem Fühler,

F i g. 5 bis 7 verschiedene Querschnitte des Widerstandskörpers und seines Rückteiles,

F i g. 8 eine Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung mit induktivem Fühler außerhalb des in einer Leitung strömenden Mediums.

Gemäß F i g. 1 bis 3 ist eine Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung 11 nach dem Prinzip der Karmanschen Wirbelstraße in einer vom Medium durchströmten Leitung 10 angeordnet; sie weist einen Widerstandskörper 16, einen Rückteil 17 mit Schwanzteil 23, sowie Fühlern 12, 13 in Form ion Dehnungsmeßstreifen auf. Das Medium strömt in den Einlaß 1OA und prallt auf den dahinter angeordneten Strömungsteilenden unbeweglichen Widerstandskörper 16 auf und umströmt ihn beidseitig, so daß hinter dem Widerstandskörper 16 Schwingungen auftreten, die in bekannter Weise die schematisch angedeutete Karmansche Wirbelstraße 14 bilden, deren Wirbel durch die Fühler 12,13 erfaßt, in elektrische Signale umgewandelt und diese einem Indikator 15 zur Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit zugeführt werden.

Der Widerstandskörper 16 hat einen dreieck- oder deltaförmigen Querschnitt, und seine Längsachse ist quer zur Strömungsrichtung, d. h, quer zur Längsrichtung der Leitung 10 gerichtet wobei seine Enden an den Leitungswänden befestigt sind. Zur Bildung eines wirbelstabilisierenden Spaltes 20 ist im Abstand durch Halteglieder 18,19 der Rückteil 17 am Widerstandskörper 16 gehalten.

Der Rückteil 17 ist als nichtstromliriienförmige Platte ausgebildet, deren Vorderseite parallel zur ebenen Rückseite <äes Widerstandskörpers 16 liegt Form, Abstand und Lage des Rückteiles 17 su^. so gewählt daß stabile und starke Wirbel entstehen, derer.-. Frequenz der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist Da der Rückteil 17 durch Halteglieder geringer Elastizität 18, 19 gehalten ist, wird nur eine sehr geringfügige Beweglichkeit dss Rückteiles 17 zugelassen. Die natürliche Resonanz (Eigenresonanz des Rückteiles) liegt dadurch völlig außerhalb des normalen zu messenden Frequenzbereiches, wodurch mechanische Resonanzspitzen nicht auftreten können. Das der schwingende Rückteil relativ starr angeordnet ist, ist die ganze Bewegung des Rückteiles auch bei größter Schwingungsamplitude des strömenden Mediums sehr gering, so daß praktisch keine Materialermüdung der schwingenden metallischen Halteglieder 18, 19 während langer Betriebszeit auftreten kann.

Es ist zu bedenken, daß für die Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit nur die Frequenz der Schwingungen maßgebend ist, so daß die Erfassung eines frequenzabhängigen Ausgangssignals schon bei kleinen Schwingungsamplituden sichergestellt ist die keine Ermüdungsbrüche der Halteteile während langer Betriebsdauer zur Folge haben.

Die grundlegende Abhängigkeit des umströmten, wirbelerzeugenden Widerstandskörpers hinsichtlich der Schwingungsfrequenz von der Strouhal-Zahl ist angenähert

0,22

mit ν als Geschwindigkeit der Strömung hinter den) Widerstandskörper und D der Höhe des Widerstandskörper quer zur Strömung.

Bei einem Widerstandskörper mit D = 25 mm and ν = 3 m/sec für einen Strömungsmesser von i00 mm ist die Ausgangsfrequenz / = 25 Hz, was bei Dauerbetrieb im Jahr 700 Millionen Schwingungen ergibt. Um eine ausreichende Lebensdauer der Halteglieder zu gewährleisten, darf die maximale Schwingungsweite des Rückteiles bei Nennströmungsgesehwindigkeit 0,05 mm nicht übersteigen.

Da die Auslenkung des Rückteiles eine Funktion des dynamischen Druckes ist, muß ein 15 :1-Bereich-Strömungsmesser eine dynamische Auslenkung des Rückteiles mit einer Amplitude von etwa 0,05/15² » 23 · 10-⁵mm erfassen. Hinzu kommt, daß große Bewegungen des Rückteiles nachteilig für die Li-

nearität der Messung sind, da diese von der Aufrechterhaltung des Bereichs der Wirbelstraße abhängig ist. Große Bewegungen würden die Breite der Wirbelstraße und die Wirbelfrequenz merklich ändern und eine Nichtlinearität der Frequenz herbeiführen.

Die Dehnungsstreifen 12, 13 sind an den Haltegliedern 18, 19 zwischen Widerstandskörper 16 und Rückteil 17 angebracht und somit periodisch beansprucht, wodurch eine entsprechende periodische Widerstandsänderung eintritt. Bei Reihenschaltung beider Dehnungsmeßstreifen 12,13 in Form von Drähten in einem Brückenstromkreis 22 (Fig.4) wird ein periodisch änderbares Signal am Brückenausgang auftreten, dessen Frequenz der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist und das über einen Verstärker 21 ein Anzeigegerät 15 betätigt Ein ensprechender Effekt wird auch mit einem Dehnungsmeßstreifen erreicht. Als Dehnungsmeßstreifen können auch Halbleiterkörper dienen. Die HaI-tcglicdcr können hohl, d. h. z. B. ais Roiirc ausgebildet sein, in denen die Dehnungsmeßstreifen geschützt untergebracht sind und nicht dem Einfluß des Mediums unterliegen. Die Anschlußleiter sind in den Widerstandskörper 16 und von dort nach außen geführt, so daß keine Beeinträchtigungen des schwingenden Rückteiles 17 und der Anschlußleiter selbst eintreten.

An Stelle von Dehnungsmeßstreifen können auch andere Fühler, z. B. elektromagnetische Indikatoren, verwendet werden.

Die Schwingungen können verstärkt werden durch den Schwanzteil 23. Es ist auch möglich, den Rückteil starr am Widerstandskörper 16 mit Abstand 20 anzuordnen und nur den Schwanzteil 23 im Sinne der Erfindung schwingungsfähig anzuordnen. Die stromabwärts hinter dem Widerstandskörper liegenden Teile der Anordnung weisen zwei Funktionen auf, nämlich die Stabilisierung und Erhöhung der Erfaßbarkeit der Wirbelstraße, sowie die Verstärkung des Ausgangssignals der Schwingung.

Hierzu kann der Widerstandskörper und der Rückteil gemäß F i g. 5,6, 7 ausgebildet sein. Die Vorderseite der Widerstandskörper Fi, Fi und Fi und die Rückseite der nichtstromlinienförmigen Rückteile R₁, R2, R3 kann mannigfaltig ausgebildet sein. Wichtig ist, daß die Rückseite der Widerstandskörper und die Vorderseite des Rückteiles einen wirbelstabilisierenden Spalt einschlie-Ben. In den vorgenannten Fällen wird die Ablenkung des Rückteiles durch Fühler innerhalb der Leitung 10 erfaßt, die in an sich bekannter Weise (DE-OS 20 38 569) strömungsabwärts hinter dem Rückteil angeordnet sind.

Gemäß Fig.8 kann die Ablenkung des Rückteils auch durch einen Fühler 41 außerhalb der Leitung 39 erfaßt werden. Dabei ist der Rückteil 35 an dem Widerstandskörper 36 durch zwei Hakeglieder 37, 38 gehalten, von denen das Halteglied 37 innerhalb und das Haiteglied 38 außerhalb der Leitung 39 liegt Ein Dehnungsmeßstreifen kann an dem außenliegenden Halteglied 38 angebracht sein. In der gezeigten Form ist an einem mit dem Halteglied 38 verbundenen Arm 40 ein Magnet angeordnet, dessen Bewegung eine Flußänderung in einem zugeordneten, ruhenden, induktiven Fühler 41 erzeugt, der mit einem Indikator 42 verbunden ist

An jedem Halteglied kann an zwei diametralen Stellen jeweils ein Dehnungsmeßstreifen angeordnet sein, so daß der eine auf Zug und der andere auf Druck und es umgekehrt beansprucht wird und dabei im gleichen Maße eine positive bzw. negative Widerstandsänderung eintritt Bei Anordnung der Dehnungsmeßstreifen in Parallelzweigen einer Wheatstonebrücke ergibt sich dann ein starkes Ausgangssignal. Der Widerstandskörper kann hohl ausgebildet sein, so daß die Zuleitungen zu den in den hohlen Haltegliedern untergebrachten Fühlern aus ihm herausgeführt werden können und keinen mechanischen Beanspruchungen des schwingenden Rückteiles ausgesetzt sind bzw. dessen -Schwingungen beeinträchtigen können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Leitung, aus der ein mit dem Rückteil verbundenes Patentansprüche: und mit dem außerhalb der Leitung angeordneten Fühler zusammenarbeitendes Übertragungsglied

1. Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung für herausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige oder flüssige Medien nach dem Prinzip 5 Widerstandskörper (36) an mindestens einem Ende der Karmanschen Wirbelstraße, mit einem quer zur die Leitung (39) durchdringt und das außenliegende Strömungsrichtung erstreckten, ruhenden, strö- Ende durch ein Halteglied (38) geringer Elastizität mungsteilenden Widerstandskörper mit ebener mit dem außerhalb der Leitung (39) befindlichen Teil Rückseite und einem ebenfalls quer zur Strömungs- des Übertragungsgliedes verbunden ist und daß am richtung erstreckten, mit dem Widerstandskörper io Übertragungsglied ein die Schwingungen übersetverbundenen Rückteil, dessen flache Vorderseite im zendes magnetbestücktes Fühlglied (40) für einen spaltbildenden Abstand von und parallel zur ebenen außerhalb der Leitung ruhend angeordneten induk-Rückseite des Widerstandskörpers angeordnet ist, tiven Fühler (41) befestigt ist

sowie mit mindestens einem frequenzabhängigen

Fühler für die Erfassung der Strömungsgeschwin- 15

digkeit, bei der der Rückteil mit dem Widerstandskörper durch Halteglieder verbunden ist und bei der

mindestens ein strömungsunbeeinflussend angeord- Die Erfindung betrifft eine Strömungsgeschwindigneter Fühler vorgesehen ist, dadurch gekenn- keitsmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anzeich η e»„ daß die Halteglieder (18,19,37,38) von 20 Spruchs 1.

derart geringer Elastizität sind, daß der Rückteil (17. Bei einer nach der DE-OS 20 38 569 bekannten Strö-

35, Ru Ru A3) quer zur Strömungsrichtung mit mi- mungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung für gasförmige

krokleiner Amplitude und strömungsgeschwindig- oder flüssige Medien nach dem Prinzip der Karman-

keitsproportionaler Frequenz schwingt und daß der sehen Wirbelstraße mit einem quer zur Strömungsrich-

Fühler (12,13,41) die Schwingungen des Rückteiles 25 tung erstreckten, ruhenden, strömungsteüenden Wider-

selbst erfaßt. Standskörper mit ebener Rückseite und einem ebenfalls

2. Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung für quer zur Strömungsf ichtung erstreckten, mit dem Wigasförmige oder flüssige Medien nach dem Prinzip derstandskörper verbundenen Rückteil, dessen flache der Karmanschen Wirbelstraße, mit einem quer zur Vorderseite im spaltbildenden Abstand von und parallel Strömungsrichtung erstreckten, ruhenden, strö- 30 zur ebenen Rückseite des Widerstandskörpers angeordmungsteilenden Widerstandskörper mit ebener net ist, sowie mit mindestens einem frequenzabhängigen Rückseite und einem ebenfalls quer zur Strömungs- Fühler für die Erfassung der Strömungsgeschwindigrichtung erstreckten, init der-.r Widerstandskörper keit, ist der den wirbelfangenden und wirbelstabüisieverbundenen Rückteil, dcsssn flache Vorderseite im renden Spalt bildende Rückteil starr mit dem Widerspaltbildenden Abstand von unci parallel zur ebenen 35 Standskörper verbunden und zur Erfassung der Wirbel Rückseite des Widerstandskörpers angeordnet ist, strömungsabwärts hinter dem Rückteil ein unbeweglisowie mit mindestens einem frequenzabhängigen eher Fühler in den Medienstrom ragend angeordnet. Fühler für die Erfassung der Strömungsgeschwin- Die Ausgangsgröße des Fühlers wird einem geschwindigkeit, bei der der Rückteil mit dem Widerstands- digkeitsanzeigenden geeichten Indikator zugeführt. Der körper durch Halteglieder verbunden ist und an dem 40 in die Strömung ragende Fühler bildet unerwünschter-Rückteil ein sich in Strömungsrichtung erstrecken- weise selbst Wirbel aus, die die Karmansche Wirbelstrades Schwanzteil befestigt ist und bei der mindestens ße ungünstig beeinflussen und das Meßergebnis verfälein strömungsunbeeinflussend angeordneter Fühler sehen können. Außerdem sind die starren Fühler bei vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Medien mit festen Partikeln (Schmutz od. dgl.) der Ge-Rückteil (17) durch steife Halteglieder (18, 19) an 45 fahr der Beschädigung ausgesetzt.

dem Widerstandskörper (16) befestigt ist, daß der Um dies zu vermeiden, ist es aus der DE-OS 19 07 037

Schwanzteil (23) mit mikrokleiner Amplitude und für ein Wirbel erzeugendes und erfassendes Meßgerät

strömungsgeschwindigkeitsproportionaler Fre- abweichender Bauart bekannt, außerhalb der Strömung

quenz schwingungsfähig angeordnet ist und daß der einen Fühler in Form eines Mikrofons anzuordnen. Ein

Fühler die Schwingungen des Schwanzteils selbst 50 solcher Fühler ist aber gegen meßfremde Störgeräusche

erfaßt. sehr empfindlich und neigt leicht zu Fehlergebnissen, da

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- die Rauschgrenze relativ hoch ist zur Meßgröße,
durch gekennzeichnet, daß der Rückteil (17,35) mit Aus der US-PS 31 16 639 ist eine nach dem Prinzip zwei in Strömungsrichtung erstreckten Halteglie- der Karmanschen Wirbelstraße arbeitende Strömungsdern (18, 19, 37, 38) am Widerstandskörper (16, 36) 55 geschwindigkeitsmeßvorrichtung bekannt, die einen gehalten ist. quer zur Strömungsrichtung erstreckten strömungstei-

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- lenden Widerstandskörper und einen im Abstand dahinkennzeichnet, daß mindestens ein Halteglied (38) au- ter angeordneten, ebenfalls quer zur Strömungsrichtung ßerhalb des strömenden Mediums liegt. erstreckten, schwingungsfähigen Körper aufweist, des-

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und 3 oder 1 60 sen geschwindigkeitsabhängige Schwingungen durch und 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Fühler beliebiger Art, z. B. induktive Fühler oder Deh-Halteglied (18,19,38) fest mit einem Dehnungsmeß- nungsmeßstreifen als Fühler, erfaßt werden. Die streifen (12,13) als Fühler verbunden ist. Schwingungen des die Fühler beeinflussenden Körpers

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- sind dabei relativ groß, so daß sie in einer das Meßerkennzeichnet, daß der Dehnungsmeßstreifen ge- 65 gebnis verfälschenden Weise auf die Wirbclstraße rückschützt im Innern eines Haltegliedes angeordnet ist. wirken können. Der Körper kann um eine Achse

7. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehen- schwingbar sein, die aus einer vom Medium durchden Ansprüche in einer vom Medium durchströmten strömten Leitung herausgeführt und am freien Ende mit