DE2635801A1

DE2635801A1 - Adapter fuer durchsatzmesser

Info

Publication number: DE2635801A1
Application number: DE19762635801
Authority: DE
Inventors: Daniel Evans; Peter J Herzl; John S Yard
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1975-09-08
Filing date: 1976-08-09
Publication date: 1977-03-10
Also published as: FR2323128A1; GB1557735A; US4003253A; FR2323128B1

Description

Patentanwälte

Dipl. Ing. Hans-Jürgen Müller 2635801

Dr. rer. nat. Thomas Berendt "^^WWI

D8 München 80 Lucile-Grohn-SfraB· 38

Gase 87

FISCHER & PORTEH COMPANY, Warminster, Pennsylvania (V.St.A.)

Adapter für Durchsatzmesser

Die Erfindung bezieht sich auf Adapter für Durchsatzmesser vom Wirbeltyp, insbesondere zum Verringern der wirksamen Oberfläche eines den wirbelablösenden Körper umströmenden Fluids; dadurch kann der Durchsatzmesser Durchsätze unterhalb seines normalen Betriebsbereichs messen.

Es ist bekannt, daß unter bestimmten Bedingungen die Anwesenheit eines Hindernisses in einer Strömungsleitun^j periodische Wirbel erzeugt. Bei niedrigen Reynolds-Zahlen

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ist der Nachlauf laminar, aber "bei zunehmenden Reynolds-Zahlen v/erden regelmäßige Wirbel gebildet. Diese sind als Karminsehe Wirbelstraßen bekannt. Die !Frequenz, mit der Wirbel in einer Karmanschen Wirbelstraße abgelöst werden, ist eine Punktion des Durchsatzes, und diese Erscheinung wird zur Bildung eines Durchsatzmessers ausgenutzt. Durchsatzmesser vom wirbelablösenden Typ sind 2.3. in den US-Patentschriften 3 116 639 und 3 572 117 beschrieben.

Die US-PS 3 589 185 beschreibt eine verbesserte Ausführungsform eines Wirbel-Durchsatzmessers, bei dem das aus den Strömungsschwingungen abgeleitete Signal relativ stark und stabil ist, so daß sich ein guter Rauschabstand ergibt und eine präzise Durchsatzmessung innerhalb eines weiten Meßbereichs erhalten wird. Bei diesem Durchsatzmesser ist im Strömungsrohr eine Hinderniseinheit angeordnet, die einen quer zum Strömungsrohr angeordneten Block, dessen Längsachse rechtwinklig zur lluidströmungsriehtung verläuft, sowie einen Streifen aufweist, der in gleicher Weise quer zum Strömungsrohr hinter dem Block mit Abstand von diesem angeordnet ist, so daß ein Zwischenraum gebildet ist, in dem Karmansche Wirbel eingefangen werden und die Wirbelstraße gefestigt und stabilisiert wird. Diese Wirbelstraße wird von einem Druckgeber oder einem anderen Meßwertumformer erfaßt, und dieser erzeugt ein elektrisches Signal, dessen Frequenz dem Durchsatz proportional ist.

Ein typischer bekannter Durchsatzmesser vom Wirbelablösetyp hat ein Strömungsrohr mit Befestigungsflanschen an beiden Enden. Der eine Befestigungsflansch ist durch Bolzen oder anderweitig an dem komplementären Plansch eines einström-

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seitigen Rohrabschnitts der das Fluid, dessen Durchsatz zu messen ist, enthaltenden Rohrleitung gesichert, und der andere Befestigungsflansch ist am komplementären Plansch des abströmseitigen Rohrabschnitts befestigt. Ein üblicher Durchsatzmesser vom Wirbelablösetyp hat einen bestimmten Keßbereich, innerhalb dessen er den Durchsatz präzise mißt. Dieser Heßbereich ist zum großen Teil durch Linearitätsforderungen, Signalrückgewinnungsparameter und interne Geschwindigkeitsbegrenzungen bestimmt.

In manchen Fällen ist es erforderlich, geringe Strömungsgeschwindigkeiten, die unterhalb des normalen Meßbereichs eines üblichen Durchsatzmessers "vom Wirbeltyp liegen, präzise zu messen. Mit bekannten Durchsatzmessern ist es im Feldeinsatz nicht möglich, den Meßbereich eines eingebauten Meßgeräts zu ändern. Ferner ist es schwierig, einen Durchsatzmesser mit geringer Kapazität herzustellen, denn in bereits bestehenden wirbelablösenden Durchsatzmessern ist es nicht möglich, die Wirbelerfassungseinheit in wirtschaftlicher Weise zu miniaturisieren.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Adapters oder Zwischenstücks für einen üblichen Durchsatzmesser vom Wirbelablösetyp, der nach Einsetzen in den Durchsatzmesser diesen befähigt, geringe Strömungsgeschwindigkeiten unterhalb des normalen Meßbereichs zu messen.

Dabei soll der Adapter die v/irksamen Oberflächen eines den wirbelablösenden Körper umströmenden Fluids einengen, so daß bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit am Körper vorbei ein geringerer Fluiddurchsatz gemessen wird.

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Dabei ist es durch Verwendung von Adaptern unterschiedlicher Größe möglich, den Meßbereich des Meßgeräts im Feldeinsatz in einfacher Weise zu ändern, ohne daß dadurch die Linearität des Keßgeräts nachteilig beeinflußt wird. "Ferner soll der Adapter kostengünstig, schnell einbaubar und betriebssuverlässig sein.

Der Adapter wird mit einem wirbelablösenden Durchsatzmesser benutzt, der ein Strömungsrohr aufweist, das einen Kanal für das zu messende Fluid bildet und in dem eine Hinderniseinheit angeordnet ist, die Strömungsschwingungen erzeugt, deren Frequenz dem Durchsatz proportional ist. Jeder Adapter weist mit dem Strömungsrohr zusammenwirkende Mittel zum Verengen des v/irksamen Oberflächenbereichs des die Hinderniseinheit umströmenden Fluids auf. Durch Vorsehen von Adaptern, die unterschiedliche QuerschnittsVerengungen des Durchsatzmessers bewirken, kann das ließgerät als Mehrbereichs-Meßgerät arbeiten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Wirbel-Durchsatzmessers, in dem ein Adapter nach der Erfindung vorgesehen ist;

Fig. 2 eine Perspektivansicht des Adapters; Fig. 3 einen Querschnitt 3-3 nach Fig. 1;

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Fig. 4- den Einbau des Adapters; und

Ig. 5 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Adapters für einen Wirbel-Durchsatzmesser.

Each den Fig. 1-3 umfaßt der mit Wirbelablösung arbeitende Durchsatzmesser ein Strömungsrohr 10, eine Hinderniseinheit 11 und einen Meßfühler 12, der durch von der Hinderniseinheit gehaltene Längenmesser gebildet sein kann. Das Strömungsrohr 10 hat Befestigungsflansche 10A und 1OB an den Enden, so daß die Meßvorrichtung in eine Strömungsleitung einsetzbar ist, wobei die Befestigungsflansche mit komplementären Planschen von ein- und ausströmseitigen Rohren verbolzt werden.

Das Strömungsrohr 10 hat Kreisquerschnitt und weist einen Einlaß auf, in den ein zu messendes Fluid eingeführt wird. Das einströmende Fluid trifft auf die Hinderniseinheit 11, die die Strömung um das Hindernis teilt, wobei die Hinderniseinheit Strömungsänderungen in Form von Karmanschen Wirbelstraßen erzeugt. Diese Erscheinung ist in einer Veröffentlichung von Schlichtling, "Boundary Layer Theory" (McGraw-Hill, 1960) erläutert.

Die resultierenden Strömungsschwingungen im ausströmseitigen nachlauf, die grob durch die Linie 14 angedeutet sind, werden von dem Längenmesser od. dgl., der als Meßfühler 12 vorgesehen ist, erfaßt, und dieser erzeugt ein

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elektrisches Signal. Das Meßfühlersignal wird einem geeigneten Anzeige- oder Aufzeichnungsgerät 15 zugeführt, so daß der Fluiddurchsatz ablesbar ist.

Die Hinderniseinheit 11 umfaßt einen Vorderabschnitt und einen hinter diesem mittels einer freitragenden Halterung 18, die durch zwei federnde Stifte gebildet ist, angeordneten Hinterabschnitt 17. Der Vorderabschnitt 16 ist ein profilierter Block mit Dreieck- oder Deltaquerschnitt, der über die Längsachse des Blocks gleichmäßig verläuft, die ihrerseits zur Strömungsachse des Strömungsrohrs senkrecht verläuft. Die Enden des Vorderabschnitts sind an der Wandung des Strömungsrohrs gesichert, so daß der Vorderabschnitt ortsfest in der Leitung gehalten ist.

Die Spitze des Blocks ist dem einströmenden Fluid zugewandt, und die schrägen Seiten des Blocks bilden Leitflächen, die vom Fluidstrom umspült werden, so daß Wirbel entstehen. Die Erfindung ist nicht auf Hinderniskörper dieser Form beschränkt; diese können z. B. auch entsprechend der US-PS 3 589 185 ausgebildet sein.

Der Hinterabschnitt 17 hat die Form eines nichtstromlinienförmigen Körpers; bei diesem Ausführungsbeispiel ist er streifenförmig und wird durch eine freitragende Halterung 18 im Abstand zum Vorderabschnitt gehalten, wobei die Streifenebene parallel zur ebenen Grundfläche des Blocks verläuft. Die Form des Hinterabschnitts ist derart, daß der Hinterabschnitt die Wirbelstraßen unterbricht, wobei der zwischen dem Vorder- und dem !Unterabschnitt gebildete

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Hohl- oder Zwischenraum 19 die Wirbel einfängt und die dadurch erzeugte Wirbelstraße verstärkt und stabilisiert.

Da der Hinterabschnitt 17 durch die federnden Stifte freitragend ist, ist er auslenkbar. Die Stifte v/irken zwar als Zinken, haben jedoch eine ausreichende Steifigkeit, so daß sie nur eine geringe Auslenkung des Hinterabschnitts gestatten. Infolge der in der leitung erzeugten Strömungsschwingungen wird der Hinterabschnitt zu Vibrationen angeregt, und zwar mit einer der Schwingungsfrequenz entsprechenden !Frequenz. Die Eigenschwingung des auslenkbaren Hinterabschnitts ist derart, daß sie beträchtlich außerhalb des Betriebsfrequenzbereichs des Meßgeräts liegt, so daß keine mechanischen Resonanzspitzenwerte auftreten und die Amplitude der Vibrationsbewegung genau die Amplitude der Strömungsschwingungen wiedergibt. Da das auslenkbare System relativ steif ist, ist die Gesamtauslenkung des Hinterabschnitts selbst bei den höchsten Amplituden der Strömungsschwingung sehr klein, so daß eine Materialermüdung der Haltestifte infolge der Vibrationsbewegung kleingehalten wird und auch nach langer Betriebszeit kein Versagen auftritt.

Es ist zu beachten, daß der Betrag der Auslenkung nicht von höchster Wichtigkeit ist, denn die den Durchsatz betreffende Information wird durch die Frequenz und nicht durch die Vibrationsamplitude erhalten. Obwohl also die Stärke der Auslenkung extrem klein ist, um eine annehmbare lebensdauer zu gev/ährleisten, ergibt sich dadurch keinerlei ITachteil in bezug auf eine genaue Anzeige der sich ändernden Frequenz.

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Aufgrund der prinzipiellen Strouhal-Zata.l-Besieh.ung für wirbelablösende Körper ist die Schwingungsfrequenz etwa gleich

0,22 (1)

mit Y = Geschwindigkeit am Körper vorbei und D = Breite des Körpers.

Me längenmesser erstrecken sich zwischen dem Yorder- und dem !Unterabschnitt längs den Haltestiften und werden periodisch belastet, wenn der auslenkbare Hinterabschnitt vi briert ,so daß entsprechende Änderungen des WiderStandswerts erzeugt werden. Durch Reihenschalten der beiden Längenmesser in einer Srückenschaltung wird die periodische Widerstandsänderung in ein elektrisches Signal umgewandelt, dessen Frequenz dem Durchsatz proportional ist. Solche Längenmesser verwenden Drähte oder Gitter, deren elektrischer Widerstand sich als eine Funktion der Belastung, mit der sie beaufschlagt werden, ändert, denn wenn ein Draht gestreckt wird, ändern sich seine Länge und sein Durchmesser, und infolgedessen ergibt sich eine Änderung seines Widerstandswerts. Alternativ können Halbleiter-Pestkörper-Längenmesser verwendet werden. In der Praxis kann ein einsiger Längenmesser zur Erzeugung eines den Durchsatz darstellenden Signals verwendet werden.

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Eine "bevorzugte Ausführungsform für den Meßfühler isv ein piezoelektrischer Kristall oder ein elektrostriktiver Erfasser, der in oder an den Stiften in solcher Weise angeordnet ist, daß der Kristall periodisch belastet wird und ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz dem Durchsatz proportional ist. Jie spezielle Art der in der Meßvorrichtung "benutzten Hinderniseinheit und die Art des Meßfühlers sind nicht Teil der Erfindung, sondern werden nur zu Erläuterungszwecken "beschrieben, um zu zeigen, daß der Adapter mit allen bekannten Arten von wirbelablösenden Durchsatzmessern verwendbar ist.

Each den Pig. 1 und 2 wird der Adapter 20 durch zwei massive Stäbe 21A und 21B in Segment- oder Zylinderform gebildet. Zum leichteren Einsetzen der Stäbe in das Strömungsrohr 10 des Durchsatzmessers sind die Stäbe an ihren einströmseitigen Enden an einem Befestigungsflansch 22 gesichert, dessen Abmessungen denen des Befestigungsflanschs 1OA des Strömungsrohrs entsprechen. Wenn also die Stäbe in das Strömungsrohr eingesetzt sind, liegt der Plansch 22 am Plansch 10A an, und zwischen beiden ist ein Dichtungsring in noch zu erläuternder Weise eingeschlossen.

Die ZyIinderform, aus der die Stäbe 21A und 21B gebildet sind, entspricht dem zylindrischen Kanal im Strömungsrohr 10. Die Stäbe 21A und 21B sind in bezug aufeinander so orientiert, daß ihre ebenen Flächen parallel zueinander liegen, wobei die Stäbe diametral gegenüberliegende Lagen im Strömungskanal über und unter dem Block 16 der Hinderniseinheit einnehmen. Bevorzugt bestehen die Stäbe aus

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einem hochfesten Metall oder Kunststoff, wo"bei der Stabwerkstoff in "bezug auf das zu messende Fluid reaktionsfrei ist.

Somit wird der Strömungskanal, der normalerweise Kreisquerschnitt hat, querschnittsmäßig durch die Stätte Terringert und bildet einen verengten Strömungskanal mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt. Der Verengungsgrad hängt natürlich von der Geometrie der in den Kanal eingesetzten Stäbe ab. Mit Stäben, die größere Zylindersegmente bilden, ist im Strömungskanal eine stärkere Verengung erzielbar.

Die Stäbe 21A und 21B vermindern die Kapazität des Durchsatzmessers durch Verengen der wirksamen Oberfläche der Flüssigkeit oder des Gases, das an der wirbelablösenden Hinderniseinheit 11 vorbeiströmt. Somit wird für die gleiche Strömungsgeschwindigkeit am wirbelablösenden Körper vorbei ein geringerer Durchsatz gemessen, so daß die Meßvorrichtung auf Durchsätze unterhalb ihres normalen Betriebsbereichs anspricht.

Wenn für eine Meßvorrichtung ein Satz solcher Adapter mit Stäben von unterschiedlichen Querschnittsabmessungen vorgesehen wird, kann eine Reihe von Änderungen im Wirkbereich der Meßvorrichtung erreicht werden, so daß durch die Gruppe von Adaptern in Verbindung mit der Meßvorrichtung ein Mehrbereichs-Wirbelablöse-Durehsatzmesser messer geschaffen wird anstatt nur eines Meßgeräts mit durch den Durchmesser des Strömungsrohrs festgelegtem Arbeitsbereich.

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Die Einströmenden der State 21A und 21B sind abgeschrägt oder abgerundet, um eine abrupte Änderung des Quersehnittsbereiehs des Strömungskanals zu vermeiden, so daß ein gleichmäßiger Strömungsübergang zwischen dem einströmseitigen Rohrabschnitt, mit dem das Meßgerät verbunden ist, und dem Yerbindungskanal im Strömungsrohr, der verminderten Querschnitt hat, erfolgt. Dieser konvergierende Einlaß verhindert eine Turbulenz oder unerwünschte Beeinträchtigung des Geschwindigkeitsprofils des in das Strömungsrohr einströmenden Fluids.

Es wurde festgestellt, daß die im wesentlichen rechteckige Querschnittsform der Kanalverengung die Wirbelablöse-Kennlinien des wirbelablösenden Körpers verbessert, denn dieser wirkt nun mit den parallelen ebenen Wänden der Stäbe zusammen, die einen Strömungskanal gleichmäßiger Weite bilden, anstatt mit den normalerweise gewölbten Wandungen des Strömungsrohrs, die in bezug auf den Wirbelablösekörper einen Kanal ungleicher Weite bilden.

Normalerweise ist der wirbelablösende Durchsatsmesser zwischen einem einströmseitigen und einem ausströmseitigen Rohrabschnitt einer Strömungsleitung eingesetzt, wobei die Befestigungsflansche 1OA und 1OB des Messers mit den komplementären Planschen dieser Rohrabsehnitte verbolzt sind.

Fig. 4 zeigt nur den einströmseitigen Rohrabschnitt 23 dieser Rohrleitung und dessen Befestigungsflansch 24. Der Befestigungsflansch 22 des Adapters ist zwischen dem

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Plansch. 24 des Rohrabschnitts und dem Flansch 1OA des Durchsatzmessers angeordnet, und die drei Plansche sind mittels Bolzen 25, die miteinander fluchtende Bohrungen in den drei Planschen durchsetzen, verbunden. Ein Dichtungsring 26 ist zwischen den Planschen 24 und 22 und ein Dichtungsring 27 zwischen den Planschen 22 und 1OA eingeschlossen, so daß eine fluiddichte Anschlußstelle gebildet ist. Dadurch ist es sehr einfach, im Peldeinsatz einen Adapter in dem Durchsatzmesser vorzusehen. Die Bohrungen im Adapterflansch dienen dazu, eine genaue Orientierung der in das Strömungsrohr eingesetzten Stäbe sicherzustellen.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Adapters werden zwar Stäbe in Längsrichtung in das Strömungsrohr eingeführt, um den Querschnittsbereich des Strömungskanals zu vermindern; eine Verengung kann jedoch, auch durch eine im Einlaß des Strömungsrohrs befestigte Blende gebildet werden. Eine solche abrupte Verengung würde jedoch eine Turbulenz im einströmenden Pluid erzeugen und damit die Leistung des Durchsatzmessers verschlechtern.

Bei dem Adapter nach Pig. 3 wird die Verengung im Strömungskanal durch zwei Stäbe R₁ und R„ gebildet, die gekrümmte Rohrabschnitte sind, deren Abmessungen der Kontur der Innenwand des Strömungsrohrs entsprechen und die daher den Strömungskanal in einem durch die Dicke dieser Abschnitte bestimmten Maß verengen, ohne jedoch die Querschnittskonfiguration des Strömungskanals zu ändern. Die Stäbe vermindern daher den wirksamen Durchmesser des kreisförmigen Strömungskanals. Durch Vorsehen eines Satzes solcher Adapter

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mit unterschiedlichen Größen kann der Meßbereich des Durchsatzmessers so geändert werden, daß ein Mehrbereichs-Durchsatzmesser erhalten wird.

Anstatt daß die Stäbe mittels eines Befestigungsflanschs
in das Strömungsrohr eingebaut werden, können sie in diesem auch durch andere Befestigungselemente gehalten werden, z.
B. durch Schrauben, die Bohrungen in der Wand des Strömungsrohrs durchsetzen.

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Claims

Patentansprüche

1.J Austauschbarer Adapter für einen Wirbel Durchsatzmesser mit einem Strömungsrohr, das einen zylindrischen Kanal bildet, durch den das Meßfluid strömt, wobei das Strömungsrohr einen Befestigungsflansch am Einströmende aufweist und im Strömungsrohr eine Hinderniseinheit angeordnet ist, die Wirbel erzeugt, deren !Frequenz eine Funktion des Durchsatzes ist, und wobei die Hinderniseinheit einen quer durch das Strömungsrohr rechtwinklig zur Strömungsrichtung angeordneten Block umfaßt, gekennzeichnet durch zwei in Längsrichtung im Strömungsrohr (10) auf gegenüberliegenden Seiten des Blocks (16) angeordnete Stäbe (21A, 21B; R., Rp)f die den wirksamen Querschnittsbereich des Strömungskanals verengen, so daß der Durchsatzmesser auf unterhalb seines normalen Betriebsbereichs liegende Durchsätze anspricht, wobei die Stäbe (21A, 21B; R₁, R₂) sich freitragend von einem am Befestigungsflansch (10A) anliegenden Halterungsflansch (22) erstrecken.

2. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einströmende der Stäbe (21A, 21B) gewölbt ist und einen abrupten Übergang in den wirksamen Bereich verhindert.

3. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal Kreisquerschnitt hat.

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4. Adapter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (21A, 21B) Zylindersegmente sind, die dem Durchmesser des zylindrischen Strömungskanals angepaßt sind, und daß die ebenen Flächen der Stäbe (21A, 21B) parallel zueinander liegen und einen verengten Strömungskanal mit im wesentlichen Rechteckquerschnitt bilden.

5. Adapter nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (R.*, Rp) gekrümmte Abschnitte eines runden Rohrs sind und der Innenwand des Strömungsrohrs (10) angepaßt sind.

6. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (21A, 21Bj R^, Rp) aus einem mit dem MeßfTuid reaktionsfreien Werkstoff bestehen.

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