DE2458901C3

DE2458901C3 - Strömungsmesser

Info

Publication number: DE2458901C3
Application number: DE2458901A
Authority: DE
Inventors: David A. Sheldonville Mass. Richardson
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1974-04-23
Filing date: 1974-12-12
Publication date: 1986-07-10
Also published as: JPS50140164A; GB1468128A; DE2458901B2; FR2269063A1; IT1029823B; JPS584763B2; FR2269063B1; US4085614A; DE2458901A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmessser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4.

Ein derartiger Strömungsmesser ist in der DE-OS 29 583 offenbart Bei ihm liegt zwischen den beiden Membranen des Fühlers eine durchgehende Flüssigkeitssäule, welche bei Beaufschlagung der Membranen mit dem Druck der vom Abreißkörper abgelösten Wirbel abwechselnd hin- und herbewegt wird. In diese Flüssigkeitssäule ragt das freie Ende eines piezoelektrischen Wandlers hinein, das bei der Hin- und Herbewegung der Flüssigkeitssäule mitgenommen wird, so daß der Wandler auf Biegung beansprucht wird.

Ein derartiger Strömungsmesser hat jedoch noch kein zufriedenstellendes Signal/Rauschverhältnis. Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Strömungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 geschaffen werden, der ein besseres Signal/Rauschverhältnis aufweist.

Ausgehend von dem in den Oberbegrifffen der Ansprüche 1 und 4 angesprochenen Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 bzw. den im Kennzeichen des Anspruches 4 angegebenen M;iUnuhmon.

Der gemeinsame Lösungsgedanke, der hinter diesen beiden alternativen Lösungen steht, ist der, das

Flüssigkeitsvolumen in Richtung der Meßkammerachse durch eine im wesentlichen feste Wand abzustützen. Infolgedessen können auch die Membranen bei Druckbeaufschlagung nicht nachgeben. Das Vorbeilaufen eines Wirbels an einer Membran führt somit zu einem Druckstoß im Flüssigkeitsvolumen, nicht aber zu einer Verlagerung desselben. Durch diesen Druckstoß ist die ganze Stirnfläche des Festkörperwandlers beaufschlagt, so daß man ein großes druckinduaertes Signal erhält Bei dem bekannten Strömungsmesser ist ι ο dagegen nur der auf Biegung beanspruchte Teil des Festkörperwandler aktiv, so daß auch nur ein entsprechend kleineres elektrisches Signal erhalten wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Strömungsmessers ist der, daß er wenig empfindlch gegen statische Unsymmetrie der Strömungsverhältnisse zu seinen beiden Seiten ist da über den Fühler selbst kein Druckausgleich erfolgt

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Strömungsmesser ist ferner, daß die EinspannsteUen der Membranen mechanisch viel weniger belastet werden, da sich das Flüssigkeitsvolumen in der Meßkammer nicht hin- und herbewegt Ermüdungsbrüche an der Einspannstelle, treten somit wenn überhaupt erst viel später auf.

Eine Verformung von Membranen bedingt stets auch einen entsprechenden Energieverlust, welcher zur Erzeugung des gewünschten Ausgangssignals des Festkörperwandlers nicht mehr zur Verfügung steht Da die Verformung der Membranen bei dem erfindungsgemäßen Strömungsmesser nur ganz geringfügig ist, wird auch aus diesem Grunde ein hohes Ausgangssignal und damit ein gutes Signal/Rauschverhältnis erhalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 wird erreicht, daß sehr lange andauernde Druckunterschiede ausgeglichen werden, nicht dagegen die zur Durchsatzmessung von den vorbeilaufenden Wirbeln erzeugten Druckstöße. Da bei dem erfindungsgemäßen Strömungsmesser Druckstöße und nicht die Verlagerung des Flüssigkeitsvolumens gemessen wird, hat ein solcher Druckausgleich keinerlei Rückwirkungen auf das Signal/Rauschverhältnis, verhindert jedoch eine unsymmetrische mechanische Belastung des Fühlers.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 wird einerseits der Bewegung des Flüssigkeitsvolumens durch Versteifung auch der zweiten Membran ein größerer Widerstand entgegengesetzt, so daß die _χ Druckstöße noch ausgeprägter sind. Ein weiterer Vorteil ist aer, daß die gesamte Festkörperwandleroberfläche vergrößert ist, so daß man auch ein entsprechend größeres Ausgangssignal erreicht

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß An-Spruch 6 wird bei einem Strömungsmesser nach Anspruch 4 auf sehr einfache Weise eine kontrollierte Eigendämpfurig des Fühlers erhalten.

Da bei den erfindungsgemäßen Strömungsmessern kein Druckausgleich zwischen den von der. Wirbeln _w angeströmten Seitenflächen über die Meßkammer erfolgt, kann die Fläche der Membranen und die druckbeaufsclilagte Fläche des Festkörperwandlers verglichen mit dem Stand der Technik vergrößert werden, da bei der Dimensionierung nur der Abstand ₍₅ der Wirbel auf einer Seite des Fühlers berücksichtigt zu werden braucht. Hierdurch wird eine weitere Verbesserung des Sitrnal/Rauschverhältnisses erhalten (vergl. die Unteransprüche 7—9). Mit den Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 10—17 wird eine besonders günstige Wirbelbildung am Abreißkörper und eine besonders günstige Wirbelführung am Fühler erhalten. Während bei dem bekannten Strömungsmesser die von den Abreißkanten weglaufenden Wirbel im wesentlichen tangential an der Oberfläche des Fühlers vorbeilaufen, wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung von Abreißkörper und Fühler ein schräges Auftreffen der einzelnen Wirbel auf die Membranen erhalten. Dies führt bei dem erfindungsgemäßen Strömungsmesser mit auf Druckstöße ansprechendem Fühler, dessen Membranen für die Wirbel eine im wesentlichen harte Reflexionsfläche darstellen, zu noch höheren Nutzsignalen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert In dieser zeigt

F i g. 1 eine seitliche Ansicht eines Strömungsmessers, teilweise in axialer Schnittansicht;

Fig.2 eine seitliche Ansicht «es eigentlichen Meßeinsatzes des Strömungsmessers uach Fig. 1, welcher aus einem Abreißkörper und einem in Bewegungsrichtung des strömenden Mediums gesehen dahinterliegenden Fühler besteht, wobei wiederum einige Teue weggebrochen sind;
F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 von F i g. 2;
F i g. 4 einen transversalen Schnitt durch ein Rohrteil des Strömungsmessers, in welchem der Meßeinsatz Aufnahme findet, gesehen in Strömungsrichtung, wobei insbesondere die Formanpassung des Abreißkörpers an die Innenwand des Rohrteiles gezeigt ist;

F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 von F i g. 2 in vergrößertem Maßstabe, in welchem Einzelheiten des gekapselten Fühlers gezeigt sind;

F i g. 6 eine seitliche Ansicht des auf das Vorbeilaufen von Wirbeln ansprechenden Fühlers in vergrößertem Maßstabe, wobei eine Hälfte in einer senkrecht auf der Meßkammerachse stehenden Ebene geschnitten wiedergegeben ist;

Fi 3.7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 von F i g. 6 in nochmals vergrößertem Maßstabe;

Fig.8 eine perspektivische Ansicht eines in der Meßkammer des Fühlers angeordneten piezoelektrischen Wandlers zusammen mk einem elektrischen Kontaktring und einem Isolierring;

Fig.9 einen durch die Meßkammerachse gelegten Schnitt durch einen abgewandelten Fühler für einen Strömungsmesser;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Strömungsmessers; und

F i g. 11 eine Aufsicht auf die stromaufseitige Stirnseite des .Strömungsmessers nach Fig. 10, wobei einige Teife weggebrochen sind.

Gemäß F i g. 1 weist ein Strömungsmesser einen Rohrteil 10 auf, der mittels üblicher Endflansche in eine nicht dargestellte Rohrleitung einschaltbar ist, welche das Fluidum führt, dessen Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden so!'.. In der Mitte des Rohrteils 10 und in der Strömungsbahn des Fluidums ist ein langgestreckter, senkrecht auf der Rohrachse stehender Körper 12 vorgesehen, welcher eine kombinierte Wirbelerzeugungs- und -meßeinheit bildet Diese transversale Anordnung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, und in bestimmten AnwenJungsfällen kann auch eine axiale oder anderweitig nicht transversale Stellung des Körpers 12 bevorzugt werden.
Gemäß Fig.2 besteht der Körper 12 aus einem

langgestreckten, einstückigen Meßelement 14, welches sich durch eine in der Oberseite des Rohrteils 10 vorgesehene Bohrung lotrecht nach unten erstreckt Infolge dieser Anordnung ist der Körper 12 beispielsweise für Wartungszwecke, zur Reinigung o. dgl. ohne S weiteres aus seiner Betriebslage im Rohrteil ausbaubar. Das einstückige Meßelement 14 wird durch eine Spannanordnung mit einem Querstück 16 in Einbaulage gehalten, welches auf herkömmliche Weise an nach üben ragenden Angüssen 18 im Rohrteil befestigt ist ι ο Ein Quetschdichtring 20 dichtet die Druckverbindung zwischen dem Meßelement 14 und der Rohrteilwand ab.

Wie aus den Fig.3 und 4 ersichtlich ist, weist der Körper 12 einen plattenförmigen Abreißkörper 22 auf, der mit einer stromauf gerichteten bzw. dem zuströmenden Fiuidum zugewandten flachen Stirnfläche 24 versehen ist Die Seiten der Platte 22 sind vorzugsweise mit scharfen Kanten 26 versehen, an welche sich flache Seitenwände 28 anschließen, die unter einem mäßigen Neigungswinkel von z. B. 5—45° relativ zur Fluidum-Strömungsrichtung in Stromabrichtung nach innen geneigt sind; der Neigungswinkel beträgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel 30°. Der Abreißkörper 22 ist ziemlich dünn, so daß sich die Seitenwände 28 nur ein kleines Stück D stromabwärts erstrecken, welches wesentlich kleiner ist als die Breite W des Abreißkörpers 22 und etwa V10 bis '/2 seiner Breite beträgt Bei der speziellen, dargestellten Ausführungsform laufen die Seitenwände in flachen Rückseiten 30 aus, die parallel zur Stirnfläche 24, d. h. senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet sind.

Es hat sich gezeigt daß durch diese Konfiguration des wirbelerzeugenden Abreißkörpers 22 an den stromaufseitigen Kanten 26 starke, stabile Wirbel erzeugt werden. Diese Seitenkanten legen in idealer Weise scharfe, spitze Winkel zwischen der Stirnfläche 24 und den nach innen abfallenden Seitenwänden 28 fest Zur Erleichterung der Fertigung und zur Ermöglichung einer einwandfreier. Qualitätskontrolle können diese Kanten jedoch, wie dargestellt über ein sehr kleines Stück hinweg in Stromabwärtsrichtung abgeflacht sein, ohne daß hierdurch die Erzeugung der gewünschten, heftigen Wirbel nennenswert beeinträchtigt wird.

Die von den Kanten 26 des Abreißkörpers 22 abreißenden starken Wirbei werden in der Wirbelschleppe dicht hinter dem Abreißkörper durch einen zwischen den beiden Wirbelstraßen angeordneten Fühler 40 gemessen. Dieser ist als unmittelbar hinter bzw. stromab des Abreißkörpers 22 liegender im wesentlichen rechteckiger, leistenförmiger Körper mit parallelen, auf die Strömungsrichtung des Fluidums ausgerichteten Seitenflächen 42 ausgebildet, dessen Seitenflächen somit senkrecht zu den Rückseiten 30 des Abreißkörpers 22 stehen.

Gemäß Fig.5 enthält der Fühler 40 einen den von den Kanten 26 abreißenden Wirbeln ausgesetzten gekapselten Druckwandler, der sich besonders gut für die Messung der Wirbeldruckschwankungen eignet Die Dicke Tdes Fühlers 40 (F i g. 3) ist bei der dargestellten Ausführungsform wesentlich kleiner als die Querabmes- eo sung w zwischen den Außenkanten der Rückseiten 30, & h. sie beträgt etwa die Hälfte dieses Maßes. Durch die Anordnung der Flächen 28, 30 und 42 werden zurückliegende Totwasserbereiche 46 auf beiden Seiten des Fühlers festgelegt und diese Bereiche ermöglichen & die gewünschte heftige Entstehung und das freie, ungehinderte Vorbeistreichen der abreißenden Wirbel, ohne daß sie bei ihrer Bewegung längs des Fühlers 40 eine nennenswerte Schwächung erfahren. Außerdem stellen die Totwasserbereiche ein störungsfreies Heranlaufen der Wirbel an den Druckwandler 44 sicher.

Der Fühler 40 ist als einheitlicher Teil des Meßelements 14 ausgebildet, d. h. er wird bei der Fertigung als Teil des letzteren hergestellt Der getrennt hergestellte wirbelerzeugende Abreißkörper 22 wird am Meßelement 14 auf nicht dargestellte Weise mittels Maschinenschrauben oder durch Schweißen befestigt, so daß auch er effektiv ein einstückiges Teil des Meßelements 14 bildet Es ist jedoch zu beachten, daß dieses direkte Aneinanderstoßen für die Funktion des Strömungsmessers nicht wesentlich ist Genauer gesagt, kann der Fühler 40 zumindest eine kleine Strecke in Stromabwärtsrichtung von den Rückseiten des Abreißkörpers 22 entfernt sein, und die beiden Bauteile können im Rohrteil 10 getrennt gehaltert sein.

Das stromabseitige Ende des Fühlers 40 (F i g. 3 und 5) ist mit einem Endstück 48 versehen, dessen Seitenflächen unter einem mäßigen Winkel zu einer flachen, senkrechten Rückseite zusammenlaufen. Es hat sich herausgestellt, daß diese sich verjüngende Form dieses Teils der Leiste eine gute Linearität zwischen den Änderungen der Wirbelabrißfrequenz und den entsprechenden Änderungen der Fluidumströmungsgröße zu gewährleisten vermag. Der Neigungswinkel beträgt beim gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 30° gegenüber der Fluiihimströmungsrichtung. Die Endstücklänge TL und die Endstückbreite TWsind erheblich kleiner als die Gesamtlänge L des Fühlers, nämlich weniger als '/2 oder besser weniger als '/4 dieser Länge.

Gemäß den Fig.6 und 7 ist der gekapselte Druckwandler 44 in einer einen kreisförmigen Querschnitt besitzenden inneren Meßkammer 50 angeordnet, welche sich vollständig durch den Fühler 40 hindurch erstreckt Der Druckwandler weist zwei etwa 0,076 mm dünne, flexible, kreisförmige Meiaiirnembranen 52 auf, die jeweils auf einer Seite des Fühlers angeordnet sind und welche einen innerer Wandler 56 gegenüber dem zu messenden Fluidum abzudichten vermögen. Diese Membranen übertragen die Wirbeldruckenergie zur Betätigung des Wandlers 56 in das Innere der Meßkammer 50.

Diese große flexible, flächige Membranenanordnung bietet eine vergleichsweise große, den Wirbeldruckschwankungen ausgesetzte Meßfläche, durch welche gewährleistet wird, daß ein großer Anteil der gesamten Wirbelenergie den Wandler 56 beaufschlagt und die Auswirkungen von Störsignalen infolge einer Mittelwertbildung über die Gesamtfläche hinweg weitgehend unterdrückt werden. Die Membranoberfläche sollte daher von diesem Standpunkt aus möglichst groß gewählt werden. Derzeit wird zur leichteren Herstellung sowie aus Gründen der einfacheren Abdichtung der Umfangsränder des eingebauten Druckwandlers 44 bei größtmöglicher Druckbelastung desselben eine kreisförmige Membranform verwendet Infolge dieser Abdichtung kann der Druckwandler 44 einen größeren Anteil des Drucksignals aufnehmen, wodurch auch Ermüdungserscheinungen in den Membranen verringert werden und gleichzeitig der verfügbare Signalpegel erhöht wird.

In bestimmten Fällen können mit Vorteil auch rechteckige oder anders geformte Membranen verwendet werden, um die den Wirbeldruckschwankungen ausgesetzte Gesamtfläche möglichst groß zu halten. Die Abmessung der Membran in Strömungsrichtung, z. B. der Durchmesser einer kreisförmigen Membran, sollte

kleiner sein als der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wirbeln jeder Wirbelreihe oder -straße und möglichst weniger als die Hälfte dieses Abstands betragen, um eine Minderung des Signals dadurch zu vermeiden, daß Druckimpulse gleichzeitig die beiden, gegenüberliegenden Membranen beaufschlagen. Innerhalb dieser Grenzen sollte das Maß in Strömungsrichtung jedoch möglichst groß sein und mindestens ' /10 des Wirbelabstands betragen.

Bei einer zur Verwendung in einem Rohr mit einem Innendurchmesser von etwa 76 mm vorgesehenen praktischen Ausführungsform besitzt der Fühler eine Gesamtlänge L von etwa 23,45 mm mit einer Meßkammer 50 mit einem größtmöglichen Durchmesser (etwa 16,0 mm) die innerhalb der Flachseitenbereiche des Fühlers 40 ausgebildet ist und Membranen 52 mit einem maximalen Durchmesser von etwa 19,0 mm aufnehmen kann. Bei einem solchen Strömungsmesser beträgt der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wirbein in einer Reihe der Wirbelschleppe etwa 63,5—88,9 mm, so daß das Maß der Membran in Strömungsrichtung ungefähr ein Viertel des Wirbelabstands beträgt

Die Druckschwankungen der von dem Abreißkörper 22 abreißenden Wirbel werden über die Membranen 52 auf den Wandler 56 übertragen, der bei der dargestellten Ausführungsform aus einer dünnen (etwa 0,53 mm dicken) kreisförmigen Scheibe aus einem Keramikmaterial mit piezoelektrischen Eigenschaften besteht Die Scheibe besteht aus zwei Schichten, die durch einen dünnen Film (nicht dargestellt) eines elektrisch leitenden Materials, z. B. Messing, voneinander getrennt sind; es können jedoch auch andere Arten von piezoelektrischen Wandlern angewandt werden. Die Außenflächen der Scheibe sind mit einem nicht dargestellten, dünnen Überzug aus Silber versehen, um eine gute elektrische Verbindung mit dem Keramikmaterial herzustellen und die durch die Scheibe in Abhängigkeit von den sie beaufschlagenden Druckschwankungen erzeugten elektrischen Signale abnehmen zu können.

Das Keramikmaterial ist randgehaltert, und zwar mittels einer Schneidenlagerung o. dgl. obgleich auch eine übliche auskragende Halterung brauchbar, wenn auch nicht so wirksam ist Der auf das Keramikmaterial einwirkende Druck biegt dieses durch, und das Material spricht hierauf durch Erzeugung entsprechender positiver und negativer elektrischer Ladungen an seinen gegenüberliegenden Flächen an.

Der elektrische Kontakt mit den Silberüberzügen an den Seiten des Wandlers 56 wird mittels äußerst dünner Kupferringe 60 (vergl. Fig.8) auf beiden Seiten des Wandlers hergestellt Diese Kupferringe sind an sie nähernden, dünnen Lagen aus folienförmigen Kunststoff-Isoliermaterial 62 angeklebt An einer Stelle des Umfangs jedes Rings 60 ist das leitende Material radial nach außen zu zugeordneten Kupferleitungen 64 herausgeführt die eine enge senkrecht zur Achse des Rohrteiles 10 verlaufende Bohrung 66 (Fig.2) im Mcßeiement J4 durchsetzen. Diese Zuleitungen sind durch eine mit ihnen verbundene Kunststoffumhüllung isoliert und an ihren oberen Enden mit den betreffenden Klemmen oder Anschlüssen einer isolierenden Glas-Metall-Dichtung 68 bekannter Bauart verbunden. Die Zuleitungen 64 führen von den Dichtungsklemmen zu einem witterungsbeständigen Gehäuse 70, wo sie an einen luftdicht gekapselten Verstärker 7iA mit zwei Ausgangsleitungen 65 angeschlossen sind, Letztere liefern ein Gleichspannungs-Ausgangssignal zu einem Anschlußkastenabschnitt 71B des Gehäuses 70. Der

Verstärker 71,4 enthält Schaltungen zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das über vergleichsweise große Strecken übertragbar ist

Um den Außenumfang des Wandlers 56 herum ist ein Kunststoff-Isolierring 72 angeordnet, der aus einem temperaturbeständigen Kunststoff besteht Dieser Isolierring ist in Auswärtsrichtung durch den Radialdruck von zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Wandlers 56 angeordneten Metall-Abstandsringen 74 in einen festen, flüssigkeitsdichten Sitz an die Innenwand der Meßkammer 50 angedrückt Der Außendurchmesser dieser Abstandringe ist geringfügig größer als der Innendurchmesser des Isolierrings 72, und diese Abstandringe werden mit einer solchen Kraft in ihre Einbaulage eingepreßt, daß sich der Isolierring etwas aufweitet und dabei die gewünschte flüssigkeitsdichte Abdichtung herstellt Die Abstandringe werden durch kreisförmige Spannplatten 76, die auf übliche Weise, etwa durch Kerbsicherung an Stellen ihres Außenumfangs, befestigt sind, oder durch eine nicht dargestellte Sicherungsringanordnung in ihrer Einbaulage gehalten. Gemäß F i g. 6 sind diese Spannplatten an um ihren Umfang herum auf Abstände verteilten Stellen zur Ermöglichung eines Flüssigkeitsdurchtritts mit Ausnehmungen versehen.

Das Innere der Meßkammer 50 ist mit öl 78 gefüllt, das z. B. über ölzulässe 80 und 82, welche über bzw. unter der Meßkammer liegen, eingespritzt wird. Der obere Zulaß 80 kommuniziert mit der Bohrung 66 (F i g. 2), wobei das durch diesen Zulaß eingefüllte Öl die Bohrung 66 ausfüllt und dann zum Isolierring 72 herabfließt An der Stelle, an welcher die Bohrung 66 in die Meßkammer 50 eintritt, ist der Isolierring in seiner Außenumfangsfläche mit einem Querdurchlaß 84 (F i g. 7) versehen, welcher einen ölfluß zur rechten Seite der Kammer und durch die Ausnehmungen der betreffenden Spannplatte 76 zum Bereich zwischen der rechten Membran 52 und dem Wandler 56 ermöglicht Vom unteren Zulaß 82 fließt das öl aufwärts durch eine Bohrung 88 zum Isolierring 72, wo ein in diesem Ring vorgesehener Querdurchlaß 90 das Öl nach links über die betreffende Spannplatte 76 und in die Räume zwischen der linken Membran 52 un der Keramikscheibe 56 leitet

Die Ölfüllung 78 zu beiden Seiten des Wandlers 56 dient zur Übertragung der durch das Vorbeistreichen der Wirbel auf die Außenflächen der Membranen 52 ausgeübten Druckschwankungen auf den Wandler. Der Wandler wird hierbei mit der Frequenz der vorbeistreichenden Wirbel durchgebogen, und er erzeugt entsprechende elektrische Impulse, welche durch ihre Frequenz die Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Fluidums angeben. Die Ölfüllung stellt eine gute Umgebung für den Wandler sowie für die anderen Bauteile der Wandlerkapsel dar. Außerdem begünstigt sie das Ausfiltern von im strömenden Fluidum auftretenden Druck-Störkomponenten, wodurch die Notwendigkeit für ein elektronisches Filtern des Wandler-Ausgangssignals vermindert wird.

Gemäß F i g. 8 ist der Kupferring 60 an der gemäß dieser Figur zugewandten Seite der Scheibe 56 unterbrochen, so daß er einen kleinen (0,13 mm weiten) Spalt 94 festlegt, durch den die ölfüllung, allerdings sehr langsam, hindurchzufließen vermag, um erforderlichenfalls die Drücke zu beiden Seiten des Wandlers 56 auszugleichen. Ein solcher Druckunterschied kann z. B. infolge von Umgebungstemperaturänderungen auftreten. Der Spalt 94 ist jedoch so eng, daß praktisch kein öl

in Abhängigkeit von den vergleichsweise schnellen Druckänderungen aufgrund der an den Membranen vorbeistreichenden Wirbel durch ihn hindurchzufließen vermag.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Wandler 56 gegenüber dem metallischen Körper 12, dem strömenden Fluidum und dem Rohrteil 10 elektrisch isoliert. Das durch den Wandler gelieferte Signal wird auf Grund seiner piezoelektrischen Eigenschaften erhalten, so daß keine elektrische Energie in das Innere des Körpers 12 oder in das strömende Medium eingeleitet zu werden braucht Der piezoelektrische Wandler erzeugt nicht nur ein vergleichsweise großes strömungsabhängiges Signal, sondern führt auch keine Gleichspannungskomponente

Tabelle I

Abmessungen des Abreißkörpers (in mm) in das Ausgangssignal ein, auch wenn das Keramikmaterial in irgendeiner Weise physikalisch beeinträchtigt wird. Zudem spricht der Wandler nur auf Differenzdruckschwankisngen und nicht auf die statischen Druckschwankungen oder Abkühleffekte an, wie dies bei thermischen Strömungsmessern der Fall ist Das Ausgangssignal des Wandlers ist daher vergleichsweise störungsfrei und leicht verarbeitbar.

Die beschriebenen Wirbelströmungsmesser können größenmäßig an verschiedene Rohrleitungsdurchmesser angepaßt werden. Die folgende Tabelle I veranschaulicht die Abmessungsbereiche, die für Rohre von 50,8 mm, 76,2 mm bzw. 101,6 mm Durchmesser geeignet sind. Die Größen (W, L usw.) gemäß Tabelle I entsprechen dabei den in F i g. 3 angegebenen Größen.

Rohr	W	D	L	T	TW	TL
durchmesser
50,8	14,3	6,11	19,7	6,45	2,48	3,46
76,2	24,2	6,08	23,4	9,7	3.64	5,23
101,6	31.8	7,93	25,1	12,7	4.78	6,88

Fig. 9 zeigt einen abgewandelten gekapselten Druckwandler mit ölfüllung für den Fühler 40. Bei Jo dieser Ausführungsform ist ein piezoelektrischer Wandler 120 der vorher beschriebene Art unter Isolierung unmittelbar mit der Innenfläche einer von zwei Dichtmembranen 122 verbunden z. B. verklebt. Den Wandler 120 versteift somit die ihn tragende Membran 122 so daß ein größerer Teil der Wirbelenergie auf den Wandler einwirkt und dadurch die Signalgröße verbessert wird. Außerdem werden die Ermüdungsauswirkungen in der Metall-Membran 122 entsprechend verringert

Eine mittige Wand 124 der Kapsel ist mit kleinen Bohrungen 126 versehen, über welche eine ölfüllung 128 von der einen Seite zur anderen fließen kann, so daß eine optimale Dämpfung der dynamischen Ansprechcharakteristik gewährleistet wird.

In bestimmten Fällen kann es sich als wünschenswert erweisen, piezoelektrische Wandler mit beiden Membranen 122 zu verbinden bzw. zu verkleben.

In den Fig. 10 und 11 ist ein Strömungsmesser mit einem einstückig gegossenen Gehäuse 150 dargestellt, das aus einem in sine Rohrleitung einfugbaren Rohrteil 152 und einem äußeren, witterungssicheren Wandlergehäuse 154 besteht In dem durch das Rohrteil 152 begrenzten Strömungskanal ist ein langgestreckter Wirbelabrißkörper 156 durch Schweißen oder anderweitig befestigt, dem z. B. durch Extrudieren die vorher in Verbindung mit Fig.3 beschriebene Querschnittsform verliehen wurde.

Der langgesteckte Abreißkörper 156 weist eine Stirnpiaue i58 und einen einstückig mit dieser ausgebildeten dahinterliegenden leistenförmigen Fühler 160 auf, der auf gegenüberliegenden Seiten identische, kreisförmige Dichtmembranen 162, 164 trägt Diese Membranen schließen zwischen sich eine ölgefüilte innere Meßkammer mit einem kreisförmigen Quer- (.5 schnitt ein, welche durch eine Trennwand 168 in zwei getrennte, jeweils neben einer der Membranen liegende Kammerabschnitte 170, 172 unterteilt ist Wenn die abreißenden Wirbel an dem Fühler 160 vorbeistreichen, werden die resultierenden Druckschwankungen über die Membranen 162,164 in die betreffenden, ölgefüllten Kammerabschnitte übertragen.

Diese Druckschwankungen in den Kammerabschnitten 170, 172 werden über zugeordnete, ölgefüilte Bohrungen 174 bzw. 176, welche den Fühler 160 in Längsrichtung durchsetzen, zum Wandlergehäuse 154 übertragen. In diesem sind die Bohrungen 174, 176 mit zwei öigefüüten, kreisförmigen Kammern 178 bzw. JoO zu beiden Seiten eines kreisförmigen, randseitig verspannten piezoelektrischen Wandler 182 etwa in Form der vorher beschriebenen Keramikscheibe verbunden. Die zu diesen Kammern üoertragenen Wirbeldruckimpulse erzeugen alternierende Biegebeanspruchungen in diesem piezoelektrischen Wandler, so daß er zwischen seinen Außenflächen entsprechende Spannungssignale abgibt, welche über Leitungen 184 (etwa die vorher beschriebenen, in den Fi g. 10 und 11 der Einfachheit halber aber nicht näher dargestellten Zuleitungen) zu einer im witterungssicheren Wandlergehäuse angeordneten Signalverarbeitungseinrichtung mit elektronischen Verstärkern und dgl, durch welche ein der Strömungsgeschwindigkeit zugeordnetes Ausgangssignal hoher Leistung zur Übertragung zu einem entfernt gelegenen Kontrollraum usw. geliefert wird.

Bei der Anordnung gemäß den F i g. 10 und 11 ist der piezoelektrische Wandler 178 von dem an den Membranen 162 164 vorbeiströmenden, zu messenden Fluidum entfernt angeordnet und auf diese Weise insbesondere bezüglich Temperatureinflüssen effektiv von diesem Fluidum getrennt Beispielsweise kann ein typischer piezoelektrischer Wandler, dessen Betriebstemperatur auf höchstens 149°C begrenzt ist, bei der Anordnung gemäß F i g. 10 und 11 auch dann zufriedenstellend arbeiten, wenn die Temperaturen des zu messenden Mediums wesentlich höher als 149° C ist, z.B. bei bis zu etwa 316°C beträgt, nämlich bei der Temperatur, welcher die ölfüllung ohne nachteilige Auswirkung ausgesetzt werden kann.

11

Durch die körperliche Trennung der Membrankammerabschnitte 170,172 von den Kammern 178,180 ist es zudem möglich, die Verhältnisse zwischen der Oberfläche der Membranen 162,164 und der Oberfläche des piezoelektrischen Wandlers 178 selektiv zu steuern. Diesbezüglich hat es sich herausgestellt, daß ein besonders hoher Wirkungsgrad der Signalerzeugung durch den piezoelektrischen Wandler durch eine Dimensionierung der verschiedenen Teile erreicht werden kann, bei welcher der Durchmesser des ι ο piezoelektrischen Wandlers 178 das l,6fache des Durchmessers der Membranen 162,164 beträgt, so daß sich ein Oberflächenverhältnis von etwa 2,5 :1 ergibt.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 10 stellt der gesamte Strömungsmesser eine einheitliche Konstruktion dar, die sich ohne Schwierigkeiten in eine Rohrleitung einbauen und als geschlossene Einheit betreiben läßt, um zu einer entfernten Stelle ein Strömungssignal zu liefen Dip Axinlahmessungen einer solchen Einheit sind verhältnis.näßig klein. Beispielsweise braucht die Länge des Gehäuses 152 um nur etwa 10% oder 20% größer zu sein als die Länge des Abreißkörpers 156 in Strömungsrichtung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

JO

35

45

55

60

Claims

Patentansprüche: *

1. Strömungsmesser mit einem im Strom angeordneten, Wirbel erzeugenden Abreißkörper, der unter transversalem Abstand angeordnete Abreißkanten aufweist, und mit einem stromab des Abreißkörpers angeordneten, auf die erzeugten Wirbel ansprechenden Fühler, der aufweist:

ein Gehäuse mit zu den Abreißkanten parallelen Außenflächen, in dem eine Meßkammer ausgebildet ist, die durch zwei biegbare, in den Außenflächen liegenden Membranen begrenzt ist,
einen piezoelektrischen Festkörperwandler, der in der Meßkammer angeordnet und auf seinen gegenüberliegenden Seiten den von den Membranen beim Ansprechen auf die Wirbel hervorgerufenen Druckänderungen unterworfen ist, und
ein die Meßkammer füllendes Flüssigkeitsvolumen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (5£;170,172,174,176) durch eine senkrecht *> auf der Meßkammerachse stehende Trenneinrichtung (56, 62, 74; 168, 182) in zwei Teilkammern unterteilt ist, und daß der Festkörperwandler (56; 182) unter Bildung eines flüssigkeitsdichten Abschlusses zwischen den beiden Teilkammern auf seinem gesamten Umfang gehaltert ist.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung eine Wand (168) aufweist (F i g. 10 und 11).

3. Strömungsmesser nach Anspruch 1 oder JO 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkammern über eine Drosselstelle (Spalte 04) kommunizieren.

4. Strömungsmesser mit einem im Strom angeordneten, Wirbel erzeugenden Abr-jßkörper, der unter transversalem Abstand angeordnete Abreißkanten aufweist, und mit einem stromab des Abreißkörpers angeordneten, auf die erzeugten Wirbel ansprechenden Fühler, der aufweist: ein Gehäuse mit zu den Abreißkanten parallelen Außenflächen, in dem eine Meßkammer ausgebildet ist, die durch zwei biegbare, in den Außenflächen liegende Membranen begrenzt ist, einen piezoelektrischen Festkörperwandler, der in der Meßkammer angeordnet und auf seinen gegenüberliegenden Seiten den von den Membranen beim Ansprechen auf die Wirbel hervorgerufenen Druckänderungen unterworfen ist, und ein die Meßkammer füllendes Flüssigkeitsvolumen, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperwandler (120) von einer der Membranen (122) getragen ist (F i g. 9).

5. Strömungsraesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch die zweite Membran einen Festkörperwandler trägt.

6. Strömungsmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Oberfläche des Festkörperwandlers (120) über im Gehäuse des Fühlers ausgebildeten Bohrungen (126) in einer Trennwand (124) mit der anderen Membran (122) verbunden ist

7. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 eo bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Festkörperwandlers (56) etwa das 2,5fache der aktiven Fläche der Membranen (52) beträgt.

8. Strömungsmesser nach Anspruch 7, wobei der Festkörperwandler und die Membranen kreisförmi- _b5 ge Gestalt haben, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Festkörperwandlers (56) ungefähr das l,6fache des Durchmessers der Membranen (52) beträgt.

9. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Membranen (52) größer sind als die Hälfte der stromabseitigen Abmessungen des Fühlers (40; 160).

10. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (40; 160) in zur Strömungsrichtung transversaler Richtung kleinere Abmessungen aufweist als der Abreißkörper (22).

11. Strömungsmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abreißkörper (22) schräg zur Strömungsrichtung verlaufende Seitenwände (28) aufweist

12. Strömungsmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (28) um 30° zur Strömungsrichtung geneigt verlaufen.

13. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche

10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Breite (W) zu Dicke (D) des Abreißkörpers (22) i/io bis '/2 beträgt

14. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche

11 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß der Fühler (40; 160) kleinere transversale Abmessungen (T) aufweist als die Breite (W) des stromabseitigen Endes des Abreißkörpers (22).

15. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (40) einen schräg zur Strömungsrichtung verlaufenden stromabseitiges Endabschnitt (48) aufweist

16. Strömungsmesser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände des Endabschnittes (48) des Fühlers (40) 30° zur Strömungsrichtung geneigt sind.

17. Strömungsmesser nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung (Tl) des Endabschnittes (48) in Strömungsrichtung kleiner ist als die Hälfte der Gesamtabmessung (L) des Fühlers (40) in StrömungsricV.tang.