DE2757298A1 - Stroemungsmessgeraet - Google Patents

Description

Patentanwälte

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Fischer & Porter Company Warminster, Pennsylvania, (V.St.A.)

Case 117

Stromungsmeßgc.rät

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Die Erfindung betrifft ein Strömungsmeßgerät vom Wirbeltyp, dessen Hinderniskörper ninen ablenkbaren Teil aufweist, der durch fluidische Schwingungen in Vibration versetzt wird, und sie betrifft insbesondere einen relativ kleinen Wirbelmesser mit äußerem Sensor, der im wesentlichen unempfindlich gegen Beschleunigungskräfte ist, so daß genaue Meßwertanzeigen erhalten werden, unabhängig von Stoßwellen oder anderen Kräften, außer den fluidischen Schwingungen, die den ablenkbaren Abschnitt beeinflussen könnten.

In vielen industriellen Verfahren muß die volumetrische Strömung von Fluiden gemessen werden, die in irgendeiner Weise behandelt oder transportiert werden, um verschiedene Steuerfunktionen ausführen zu können. Es ist bekannt, daß unter bestimmten Umständen das Vorhandensein eines Hinderniskörpers in einer Leitung zu periodischen fluidischen Wirbeln führt. Bei kleinen Reynolds-Zahlen ist der Abstrom laminar, bei höheren Reynolds-Zahlen werden jedoch regelmäßige Wirbelmuster gebildet, die als Karman-Wirbelschleppen bekannt sind. Die Periodizität mit der die Wirbel sich in einer Karman-Wirbelschleppe ablösen ist eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit .

In dem US-Patent 3 888 120 besteht die Hindernisanordnung, die in einem Rohr montiert ist, durch das die zu messende Flüssigkeit strömt, aus einem fest im Rohr montierten vorderen Abschnitt und einem freitragend am vorderen Abschnitt angebrachten hinteren Abschnitt, wozu ein flexibler Träger verwendet wird, um einen Spalt zu bilden, der dazu dient, die Wirbel einzufangen. Da der hintere Abschnitt ablenkbar ist, wird er durch die Wirbel erregt und in mechanische Schwingungen versetzt mit einer Rate, deren Frequenz proportional zur Flüssigkeitsströmung ist.

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Bei dem Wirbelmeßgerät 10 LV 100, hergestellt von der Anmelderin, und den anderen kommerziell verfügbaren Meßgeräten, die auf denselben Prinzipien fußen, hat der relativ schwere ablenkbare Abschnitt der Hindernisanordnung, der an einem einzelnen Träger aufgehängt ist, eine Bewegungsfreiheit in zwei Ebenen. Der ablenkbare Abschnitt kann sich von einer Seite zur anderen Seite bezüglich seiner neutralen Position in einer seitlichen Ebene bewegen, die nachfolgend als die X-Ebene bezeichnet wird. Er kann sich auch auf und ab, bezüglich seiner neutralen Position in einer axialen Ebene bewegen, die nachfolgend als die Y-Ebene bezeichnet wird.

Wenn der ablenkbare Abschnitt sich in der einen oder anderen der X- oder Y-Ebene bewegt, wird der Träger gebogen. Diese Biegung führt zu einer Belastung oder Beanspruchung eines am Träger montierten Sensors, z.B. eines Verformungs- oder Dehnungsmessers, wodurch ein Ausgangssignal erzeugt wird, das das Ausmaß der Bewegung und deren Frequenz darstellt.

Im normalen Betrieb erzeugt die Strömung an dem Hindernis vorbei einen Wirbel, wodurch fluidische Kräfte entstehen, die von einer Seite des ablenkbaren Abschnittes zum anderen wechseln, wodurch dieser in Schwingungen in der X-Ebene mit einer Frequenz versetzt wird, die proportional zur Strömungsrate bzw. Strömungsgeschwindigkeit ist.

Wenn jedoch der Wirbelmesser in einer Rohrleitung installiert wird, kann er in manchen Fällen Beschleunigungskräften ausgesetzt sein. Zum Beispiel bei der praktischen Anwendung, bei der das Meßgerät in der Rohrleitung einer großen industriellen Anlage eingebaut ist, die schwere Maschinenanlagen oder Explosiv-Anlagen umfaßt, können Schwingungskräfte oder Schockwellen durch die Rohrleitung auf das Meßgerät übertragen werden. Diese äußeren Kräfte werden vom Meßgerät aufge-

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nommen und führen dazu, daß sich der ablenkbare Abschnitt in einer Weise verhält, die mit der federnd montierten Trägheitsmasse eines Beschleunigungsmessers vergleichbar ist, wodurch ein Ausgangssignal erzeugt wird, das eine Funktion von Beschleunigungskräften ist, die in der X-Ebene oder der Y-Ebene wirken.

In einer Installation, in der der V/irbelmesser Beschleunigungskräften ausgesetzt ist, gibt daher das Ausgangssignal nicht genau die Strömungsgeschwindigkeit wieder, da dieses Signal zusammengesetzt ist und eine Beschleunigungskomponente enthält.

In dem US-Patent 4 OO3 251 ist ein Meßgerät beschrieben, dessen Aufbau immun gegen Beschleunigungskräfte ist, wobei der ablenkbare Abschnitt des Hinderniskörpers freitragend an einem festen Abschnitt von diesem angeordnet ist mit Hilfe von zwei im Abstand angeordneten oberen und unteren Trägern, deren physikalische Eigenschaften derart sind, daß dieser Abschnitt um einen Drehpunkt schwingt.

Ein wichtiges Merkmal dieses, in dem genannten Patent beschriebenen Meßgerätes besteht darin, daß der ablenkbare Abschnitt des Hinderniskörpers anstatt von Seite zu Seite bezüglich seiner neutralen Position zu schwingen, wie bei einem üblichen Meßgerät, dieser effektiv um einen Drehpunkt von einem der Träger vor- und zurückschwingt, der als Torsionsstab wirkt. Die physikdischen Eigenschaften des oberen Trägers sind derart, daß dieser Träger weich ist und daher in der X-Ebene biegbar, die durch die seitliche Bewegung des ablenkbaren Abschnittes bezüglich seiner neutralen Position definiert ist und der steif und nicht-biegbar in der Y-Ebene ist, die durch die Auf-und-Abbewegung definiert ist, wobei der obere Träger in Torsionsrichtung weich ist.

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Die physikalischen Eigenschaften des unteren Trägers sind derart, daß dieser Träger sowohl in der X-Ebene als auch in der Y-Ebene steif ist, in Torsionsrichtung jedoch weich ist. Der untere Träger kann daher durch den ablenkbaren Abschnitt nicht gebogen, sondern nur verdreht werden.

Die mit zwei Trägern versehene Hindernisanordnung nach der genannten Patentschrift eignet sich sehr gut für relativ große Strömungsmeßgeräte des Wirbeltyps, es ist jedoch nicht möglich oder zweckmäßig, diese Anordnung mit den beiden Trägern bei einem kleinen Wirbelmeßgerät mit äußerem Meßsystem zu verwenden.

Ein Beispiel eines Wirbelmeßgerätes mit äußerem Sensor oder äußerer Meßeinrichtung ist in dem US-Patent 3 946 608 beschrieben, wobei die Schwingungen eines ablenkbaren Abschnittes eines Hinderniskörpers, der in dem Rohr angeordnet ist, mechanisch auf einen Punkt außerhalb des Meßgerätes über einen Stab übertragen werden, der sich durch den Träger erstreckt, welcher den ablenkbaren Abschnitt freitragend trägt und an einem vorderen festen Abschnitt im Rohr angebracht ist, wobei der Stab mit einer Sonde verbunden ist, die rechtwinkelig zu dem Stab verläuft und sich durch den festen Abschnitt erstreckt und in einem äußeren Kupplungskopf endigt. Dieser Kopf wirkt mit einem Kraftsensor zusammen, der die Schwingungen des Kupplungskopf es in ein entsprechendes elektrisches Signal umsetzt, dessen Frequenz proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist.

Ein Wirbelmeßgerät mit äußerem Sensor dieser Art unterliegt ebenfalls Beschleunigungskräften, die fehlerhafte Anzeigen erzeugen können, durch das äußere Meßsystem, das bei solchen Meßgeräten verwendet wird und infolge der relativ kleinen

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Größe dieser Geräte sind jedoch die Möglichkeiten oder Lösungen, um das Gerät gegen Beschleunigungskräfte immun zu machen, wie sie bei dem Patent 4 003 251 verwendet werden, nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Strömungsmeßgerät vom Wirbeltyp zu schaffen, das ein äußeres Meßsystem hat, und das im wesentlichen gegen Beschleunigungskräfte unempfindlich ist.

Das Strömungsmeßgerät soll wirksam und genau arbeiten und sein äußeres Meßsystem soll unempfindlich gegen Beschleunigungskräfte sein unter Verwendung einfacher und billiger Mittel.

Nach der Erfindung wird dies bei einem Strömungsmeßgerät erreicht durch eine Hindernisanordnung, die in einem Rohr montiert ist und periodische Wirbel erzeugt, wodurch ein ablenkbarer Abschnitt der Anordnung mit einer entsprechenden Frequenz in Schwingungen versetzt wird, die durch einen äußeren Sensor gemessen werden, der über ein Meßsystem mit dem ablenkbaren Abschnitt verbunden ist.

Das Meßsystem wird durch einen Stab gebildet, der sich durch einen Kanal in dem flexiblen Träger erstreckt, um die Schwingungen auf eine Stange zu übertragen, die in einer Längsbohrung des festen Abschnittes angeordnet und an ihrem oberen Ende drehbar ist, wobei eine Membran vorgesehen ist, die die Bohrung abdeckt. Der Stab ist mit der Stange an einem Zwischenpunkt verbunden, der effektiv die Stange in einen oberen Abschnitt, der mit einem äußeren Kupplungskopf verbunden ist, und einen unteren Abschnitt teilt, dessen Masse derart ist, daß eine Ausgleichsmasse gebildet wird, um das System bezüglich Beschleunigungskräften auszugleichen, die das Endstück in der X- und Y-Ebene abzulenken suchen.

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Der ablenkbare Abschnitt der Hindernisanordnung, d.h. das Endstück, ist freitragend mit Hilfe eines einzigen flexiblen Trägers am festen Vorderabschnitt gehalten, wobei sich der Träger längs der Längsachse des Rohres erstreckt.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 im Schnitt ein Strömungsmeßgerät vom Wirbeltyp zeigt, dessen Hinderniskörper mit einem äußeren Sensor nach der Erfindung versehen ist.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Hindernisanordnung des Strömungsmeßgerätes.

Fig. 3 zeigt schematisch den Zusammenhang des ablenkbaren Endstückes mit den auf dieses einwirkenden fluidischen Kräften.

Fig. 4 zeigt schematisch wie die Meßeinrichtung in der X-Ebene und der Y-Ebene ausgeglichen ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Strömungsmeßgerät vom Wirbeltyp mit einer Hindernisanordnung nach der Erfindung, wobei ein Rohr 10 von einem Fluid durchflossen wird, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll.

Dieser Strömungsmesser ist in einer Weise installiert, die in der US-Patentanmeldung 493 855 vom 1.8.1974 näher beschrieben ist und sie ist in ein Rohr eingebaut, das einen stromaufwärtigen Rohrabschnitt und einen stromabwärtigen Rohrabschnitt aufweist. Die beiden Rohrabschnitte haben komplementäre Flansche und eine kreisförmige Reihe von Bohrungen zur Aufnahme von Schrauben.

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Vertikal in dem Rohr ist ein Hinderniskörper eingebaut, der aus einem vorderen Formabschnitt 11 und einem hinteren Abschnitt 12 besteht, der freitragend am vorderen Abschnitt mit Hilfe eines Trägers 13 angebracht ist, der sich in Längsrichtung des Rohres erstreckt. Der vordere Abschnitt 11 ist ein Formkörper mit einem delta-förmigen Querschnitt, der über seine Längsachse gleichmäßig ist, wobei diese Längsachse senkrecht zur Strömungsachse des Rohres verläuft. Die Enden des vorderen Abschnittes 11 sind an der Wand des Rohres 10 befestigt, wodurch der vordere Abschnitt ortsfest in dem Rohr gehalten ist, während der freitragend angebrachte hintere Abschnitt 12 ablenkbar ist. Der hintere Abschnitt hat eine T-förmigo Querschnittsform.

Der Scheitel des vorderen Abschnittes 11 ist auf die anströmende Flüssigkeit zu gerichtet, während seine geneigten Seiten Führungskanten oder Führungsflächen bilden, die von der Flüssigkeit überstrichen und umströmt werden und die Strömung teilen, um eine Reihe von Wirbeln zu erzeugen, die bezüglich der Mittellinie des vorderen Abschnittes alternieren. Wenn sich die Wirbel von dem vorderen Abschnitt lösen, werden alternierende Bereiche eines niedrigen Druckes erzeugt, die von Seite zu Seite wechseln, wodurch ein oszillierender Schub hinter dem vorderen Abschnitt erzeugt wird, der den ablenkbaren hinteren Abschnitt 12, der am Träger 13 aufgehängt ist, ablenkt und in periodische Schwingungen versetzt mit einer Frequenz, die linear proportional zur Geschwindigkeit der anströmenden Flüssigkeit bzw. des anströmenden Fluids ist.

Da der hintere Abschnitt 12 mit Hilfe des flexiblen Trägers freitragend am vorderen Abschnitt angebracht oder mit diesem verbunden ist, ist er ablenkbar. Der Träger, obwohl biegbar, hat eine ausreichende Steifigkeit, um nur eine leichte Ab-

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lenkung des hinteren Abschnittes zuzulassen. Als Folge der in dem Rohr erzeugten fluidischen Schwingungen wird der ablenkbare hintere Abschnitt 12 erregt und in Schwingungen versetzt mit einer Rate, die der Frequenz der fluidischen Schwingungen entspricht.

Die natürliche Resonanz des ablenkbaren hinteren Abschnittes ist derart, daß sie ausreichend außerhalb des normalen Frequenzbereiches des Meßgerätes liegt, wodurch mechanische Resonanzspitzen wegfallen und die Amplitude der Schwingungsbewogung genau die Amplitude der fluidischen Schwingungen wiedergibt. Der stromabwärtige hintere Abschnitt der Anordnung führt zwei Funktionen aus, da dieser Abschnitt, der im Abstrom liegt, nicht nur diesen stabilisiert, um seine Meßbarkeit zu erhöhen, sondern seine Schwingungsbewegung ist Ursache für das Ausgangssignal.

Da das ablenkbare System relativ steif ist, ist die Gesamtauslenkung des hinteren Abschnittes sehr klein auch bei den höchsten Amplituden der fluidischen Schwingungen, so daß eine Metallermüdung des Trägers infolge der Schwingungswirkung, wenn überhaupt, minimal ist und auch bei langem Betrieb keine Fehler oder Ausfälle auftreten.

Es ist wichtig festzuhalten, daß die Größe der Ablenkung nicht von besonderer Wichtigkeit ist, da die Information über die Strömungsgeschwindigkeit durch die Frequenz und nicht durch die Amplitude der Schwingung gegeben wird. Obwohl daher die Stärke der Ablenkung äußerst klein gehalten wird, um eine Ermüdung zu vermeiden und eine lange Betriebsdauer zu gewährleisten, spricht dies nicht gegen ein ausreichend starkes und verwendbares Ausgangssignal, das durch die sich verändernde Frequenz erzeugt wird.

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Die kleinen Schwingungen des ablenkbaren hinteren Abschnittes der Hindernisanordnung werden aus dem Rohr 10 nach außen gemeldet und dort aufgenommen. Zu diesem Zweck ist ein Schwlngungsübertragungssystem mit einem äußeren Sensor vorgesehen, das eine Stange 14 aufweist, deren hinterer Abschnitt in einer Bohrung 15 in dem Träger 13 gefaßt ist, wobei sich die Bohrung bis zu einem Punkt benachbart zum ablenkbaren hinteren Abschnitt 12 erstreckt. Der nicht-gehaltene Teil der Stange 14 liegt frei in einer längsverlaufenden Bohrung 16 mit größerem Durchmesser, die mit der Bohrung 15, die einen kleineren Durchmesser hat, in Verbindung steht und sich in den vorderen Abschnitt 11 erstreckt.

Die Stange 14 ist mit einem Stab 17 größeren Durchmessers an einem Zwischenpunkt JP verbunden, der effektiv den Stab in einen unteren Ausgleichsabschnitt 17A und einen oberen Verbindungsabschnitt 17B teilt. Der Stab 17 erstreckt sich durch eine Längsbohrung 18 im vorderen Abschnitt 11 und ragt durch eine Öffnung im Rohr 10, die durch eine flexible Membran 19 abgedeckt ist. Das obere Ende des Stabes 17 ist mit der Unterseite der Membran 19 verbunden und über ein Verbindungsgestänge 20, das sich jenseits des Rohres 10 erstreckt, mit einem Kupplungskopf 21 verbunden. Die Schwingung des hinteren Abschnittes 12 veranlaßt daher den schwingbaren Stab 17 an der Membran 19 vor- und zurückzuschwingen, wodurch der Kopf 21 in entsprechende Schwingungen versetzt wird.

Ein geeigneter Kraftsensor 22, der auf eine Kraft anspricht, die am Kupplungskopf 21 erzeugt wird, ist vorgesehen, um ein entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen, das die Strömungsgeschwindigkeit anzeigt. Ein geeigneter Sensor für diesen Zweck ist eine piezo-elektrische Quarz-Zelle, wie sie z.B. unter der Bezeichnung "Pfezotron" von der Firma

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Kistler Instrument Company, Redmond, Washington, hergestellt wird. Dies ist ein sehr steifer stabiler Kraftsensor, der auf kleine Kräfte bzw. kleine Kraftänderungen anspricht und in Umgebungen verwendbar ist, die durch Staub, Schmutz oder Feuchtigkeit verunreinigt sind, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Signalübertragung.

Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Schwingungsübertragungssystem und den Wirbeln der fluidischen Schwingungen, die in dem Rohr durch das Hindernis erzeugt werden.

Die in dem Rohr erzeugten Wirbel fließen an dem hinteren Abschnitt 12 vorbei und erzeugen Seitenkräfte, wodurch dieser Abschnitt in der X-Ebene ausgelenkt wird. Diese Auslenkung ist, wie oben erläutert, klein.

Der Abschnitt 12 ist über die Stange 14 mit dem Stab 7 an der Verbindungsstelle JP verbunden, wobei der Stab 17 schwenkbar ist um die Membran 19, so daß die Schwingungen des hinteren Abschnittes auf den Kopf 21 übertragen werden, an welchem sie von dem Kraftsensor 22 abgenommen werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Strömungsgeschwindigkeit wiedergibt. Der hintere Abschnitt 12 schwingt effektiv um einen Drehpunkt P an dem Träger, an dem er befestigt ist.

Die Massenverteilung des Trägers 17 ist derart, daß eine Ausgleichsmasse im Abschnitt 17A bzw. durch den Abschnitt 17A gebildet wird. Es wird angenommen, daß die Masse des Ausgleichsabschnittes 17A und ebenso die Masse des Verbindungsabschnittes 17B im Punkt MA am Ende des Abschnittes 17Ά konzentriert sind. Es wird ferner angenommen, daß die Masse des hinteren Abschnittes 12 im Punkt MB konzentriert ist.

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-X-

Wenn nun das Meßgerät einer Beschleunigungskraft ausgesetzt ist, wirkt diese auf die Masse im Punkt MB und sucht den hinteren Abschnitt 12 auf eine Seite in der X-Ebene abzulenken, wie in Fig. 4 gestrichelt dargestellt. Weil jedoch auch eine konzentrierte Masse im Punkt MA vorhanden ist, wirkt dieselbe Kraft auch auf diesen Punkt und sucht den hinteren Abschnitt 12 auf die andere Seite in der X-Ebene auszulenken. Durch geeignete Wahl der Masse im Punkt MA , bestimmt durch die Massenverteilung des Stabes 17 oberhalb und unterhalb des Verbindungspunktes JP, können die Ablenkkräfte ausgeglichen werden und es tritt keine Differenzbewegung in der X-Ebene aufgrund von Beschleunigungskräften auf.

Die konzentrierten Massen in den Punkten MA und MB wirken auch ausgleichend bei einer Beschleunigungskraft, die den hinteren Abschnitt 12 über und unter die Längsachse des Rohres, d.h. in der Y-Ebene, auszulenken sucht. Wenn jedoch die Massen so verteilt oder gewählt sind, daß ein optimaler Ausgleich in der X-Ebene erreicht wird, braucht dies noch nicht zu einem optimalen Ausgleich in der Y-Ebene führen.

Von der Vorrichtung wird jedoch nur gefordert, daß im normalen Betrieb des Strömungsmeßgerätes Bewegungen in der X-Ebene gemessen werden, d.h. sie kann so gestaltet werden, daß sie relativ unempfindlich gegen Bewegungen in der Y-Ebene ist, weshalb auch dann, wenn der Ausgleich in der Y-Ebene nicht vollständig sein sollte, dies in der Praxis toleriert werden kann.

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Claims (4)

1. Patentansprüche *

   Strömungsmeßgerät vom Wirbeltyp mit äußerem Sensor, das Beschleunigungskräften ausgesetzt 1st, mit einem Rohr, durch das das zu messende Fluid strömt, einem Hindernis In dem Rohr, bestehend aus einem vorderen fest Im Rohr eingebauten Abschnitt und einem ablenkbaren hinteren Abschnitt, der mit Hilfe eines flexiblen Trägers freitragend an und hinter dem vorderen Abschnitt angebracht ist, wodurch periodische Wirbel, die durch den vorderen Abschnitt erzeugt werden, den hinteren Abschnitt mit einer entsprechenden Frequenz in Schwingung versetzen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum übertragen der Schwingungen des hinteren Abschnittes auf einen äußeren Kupplungskopf, von dem sie von einem Sensor abnehmbar sind, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, dessen Frequenz der Schwingungsfrequenz entspricht, mit einer Stange, die sich durch den Träger erstreckt und mit einem Stab verbunden ist, der sich durch eine Bohrung im vorderen Abschnitt erstreckt, ferner dadurch, daß das obere Ende des Stabes mit einer Membran verbunden ist, die diese Bohrung abdeckt, daß der Stab schwenkbar mit der Membran verbunden ist und entsprechend den Schwingungen vor- und zurückschwingen kann, daß das obere Ende des Stabes mit dem Kupplungskopf verbunden ist, daß die Stange mit dem Stab an einem Zwischenpunkt verbunden ist, der den Stab in einen unteren Ausgleichsabschnitt und einen oberen Verbindungsabschnitt unterteilt, und daß die Massenverteilung der Stababschnitte so getroffen ist, daß die effektiv konzentrierte Masse am Ende des Ausgleichsabschnittes die effektiv konzentrierte Masse des hinteren ablenkbaren Abschnittes ausgleicht, um das Meß-

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   gerät im wesentlichen unempfindlich gegen BescHeunigungskräfte zu machen.
2. 2. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich der Träger längs der Längsachse des Rohres erstreckt.
3. 3. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der vordere Abschnitt eine deltaförmige Querschnittsform aufweist.
4. 4. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der hintere Abschnitt eine T-förmige Querschnittsform aufweist.

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