DE2827985C2 - Strömungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Strömungsmesser ist in der DE-OS 29 583 offenbart. Bei ihm ist der Wirbelerzeuger über stabförmige Torsionsfedern an dem rohrförmigen Gehäuse befestigt, und die periodische Verdrehung des Wirbelerzeugers aus seiner Ruhelage heraus, die beim Anströmen durch das bezüglich seiner Geschwindigkeit zu messenden Medium erzeugt wird, wird durch einen piezoelektrischen Wandler in Form eines Doppelplatten- oder Zweielementkristalles gemessen.

Bei einem derartigen Strömungsmesser wirken aber beim praktischen Einsatz auf den Wandler zusätzlich noch Störkräfte ein, welche durch Druckschwingungen und Druckstöße im zu messenden Strömungsmittel oder durch Schwingungen der mit dem Gehäuse des Strömungsmessers verbundenen Rohrleitungen bedingt sind.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Strömungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend verbessert werden, daß ohne Zugeständnisse bezüglich des robusten Aufbaues eine Unterdrükkung auf Störeinflüssen beruhender, zeitlich veränderlicher Kräfte erhalten wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Strömungsmesser gemäß Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Strömungsmesser erzeugen die beiden gleich aufgebauten und bezüglich der Längsachse des Wirbelerzeugers symmetrisch angeordneten Fühler unter dem Einfluß von Störkräften gleichphasige Ausgangssignale, während die auf sie beim Abreißen der Wirbel vom Wirbelerzeuger ausgeübten Wechselkräfte zu gegenphasigeh Fühler-Äusgangssignalen führen. Bei dem erfindungsgemäßen Strömungsmesser kann man somit die Störsignalkomponenten einfach durch Differenzbildung der Ausgangssignale der beiden Fühler eliminieren, z.B. unter Verwendung eines DiffereEzverstärkers.

Aus der US-PS 39 72 232 ist an sich bekannt, bei einem Strömungsmesser, der ebenfalls nach dem Prinzip der Wirbelerzeugung durch das zu messende Medium arbeitet, Druckschwankungen im Strömungsmittel selbst dadurch zu eliminieren, daß man einen einzigen Fühler in der Längsmittelebene des V/irbeierzeugers stromab desselben anordnet Dieser ist somit von beiden Seiten her gleichermaßen mit den Druckstößen im zu messenden Medium beaufschlagt, so daß sich diese mechanisch herausmitteln und zu keiner Verfälschung des Fühlerausgangssignales führen. Schwingungen des ganzen Strömungsmessers können aber auf diese Weise nicht eliminiert werden, führen nach wie vor zu Störkomponenten im Ausgangssignal des Fühlers.

In der DE-OS 22 29 583 ist ferner ein Strömungsmesser beschrieben, welcher einen starr mit dem Gehäuse verbundenen Wirbelerzeuger aufweist Zwei symmetrisch angeordnete Temperaturfühler sprechen jeweils auf das Vorbeilaufen von Wirbeln an. Bei einem derartigen Strömungsmesser stellt sich das Problem schwingungsinduzierter Störsignale nicht, man hat aber eine geringere Empfindlichkeit.

In der DE-OS 22 29 582 wird in Verbindung mit einem auf To-sion beanspruchten Wirbelerzeuger zum Ausräumen schwingungsinduzierter Störsignale vorgeschlagen, die mechanische Eigenfrequenz des durch Wirbelerzeuger und zugeordnete Aufhängung gebildeten schwingungsfähigen Systems weit unter die Frequenz der zu erwartenden externen Störschwingungen 2ü legen. Mit dieser Maßnahme kann man aber nur hochfrequente Störschwingungen eliminieren.

Der erfindungsgernäße Strömungsmesser gestattet dagegen das Eliminieren der Einflüsse von Störschwingungen über das gesamte Schwingungsspektrum hinweg, man kann also das durch Wirbelerzeuger und Aufhängung gebildete schwingungsfähige System ausschließlich im Hinblick auf das gewünschte Ansprechverhalten und die gewünschte Empfindlichkeit des Strömungsmessers auslegen. Dabei hat der erfindungsgemäße Strömungsmesser mechanisch sehr einfachen Aufbau, enthält keine Druckübertragungsflüssigkeit wie der Strömungsmesser nach der US-PS 39 72 232 und läßt sich somit über einen großen Temperaturbereich hinweg einsetzen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

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

Fig. 1 einen transversalen Schnitt durch einen Strömungsmesser;

Fig. 2 einen transversalen Schnitt durch einen abgewandelten Strömungsmesser;

F i g. 3 und 4 grajiche Darstellungen des zeitlichen Verlaufes verschiedener Signale, anhand welcher das Herausmitteln des Einflusses von Störschwingungen erläutert wird,

Fig.5 einen Schnitt durch einen abgewandelten, auf Torsion belastbaren Wirbelerzeuger eines Strömungsmessers;

F i g. 6 einen transversalen Schnitt durch einen weiter abgewandelten Strömungsmesser;

Fig.7 einen Längsschnitt durch einen weiter ίο abgewandelten auf Torsion belastbaren Wirbelerzeuger mit integrierter Fühleranordnung;

F i g. 8 eine perspektivische Aufsicht auf die Fühleranordnung nach F i g. 7;

Fig.9 eine Aufsicht auf die Fühleranordnung nach den F i g. 7 und 8, wobei schematisch der Einfluß einer Schwingung im zu messenden Strömungsmittel angedeutet ist;

Fig. 10 perspektivische Aufwehten auf drei weitere Fühleranordnungen, welche zwei identische und symmetrisch angeordnete Fühler umfassen;

F i g. 11 einen transversalen Schnitt durch einen weiter abgewandelten Strömungsmesser;

Fig. 12 eine grafische Darstellung der mechanischen Belastung des Wirbelerzeugers beim Ablösen von Wirbeln bzw. bei Beaufschlagung mit Störkräften;

Fig. 13 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 12 für einen abgewandelten Strömungsmesser, bei welchem das von der Fühleranordnung abgelegene Ende des Wirbelerzeugers fest eingespannt ist;
Fig. 14 einen transversalen Schnitt durch einen weiter abgewandelten Strömungsmesser;

Fig. 15 einen Schnitt durch die Lagerung für das von der Fühleranordnung abgelegene Ende des Wirbelerzeugers bei einem zum Strömungsmesser nach Fig. 14 ähnlichen Strömungsmesser;

Fig. 16 eine ähnliche Schnittansicht wie Fig. 15 bei einem weiter abgewandelten Strömungsmesser;

Fig. 17 einen Schnitt durch einen weiter abgewandelten Strömungsmesser; und

Fig. 18 einen longitudinalen bzw. transversalen Schnitt durch einen weiter abgewandelten Strömungsmesser.

Die in F i g. 1 dargestellte Ausführuogsform des erfindungsgemäßen Strömungsmessers weist eine zylindrische Leitung bzw. einen Stutzen Γ, die bzw. der von einem zu messenden Strömungsmittel durchströmt wird, und einen säulen- bzw. stabförmigen Wirbelerzeuger 2 auf, der senkrecht zur Achse der Leitung Γ in diese eingesetzt uno'an beiden Enden an dieser verankert ist. Der Wirbelerzeuger besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus rostfreiem Stahl, und er weist einen flanschförmigen Befestigungs- oder Tragteil 21. eine im tragteilseitigen Ende ausgebi'dete zylindrische Bohrung 22 und eine Fühleinheit 3 in Form eines Meßfühlers 31 und eines Dichtelementes 32 auf. Der scheibenförmige Meßfühler 31 ist in der Bohrung 22 angeordnet. Pei der dargestellten Ausführungsform sind zwei Meßfühler 31a, 3ib über die Mittelachse des Wirbelerzeugers 2 hinweg einander gegenüberstehend angeordnet; als Meßfühler ist dab;;i ein piezoelektrisches Element aus Lithiumiobat (LiNbOj) vorgesehen. Das aus einem Isoliermaterial bestehende Dichtelement 32 dient zur Abdichtung des Meßfühlers 31 in der Bohrung 22 bei gleichzeitiger elektrischer Isolierung des Meßfühlers 31 gegenüber dem Wirbelerzeuger 2. Bei der dargestellten Ausführungsform wird Glas als Isoliermaterial verwendet.
Wenn bei der beschriebenen Vorrichtung die Leitung

Γ von einem Strömungsmittel durchströmt wird, wird aufgrund der Karmanschen Wirbelstraße eine in Fig. 1 durch den Pfeil X angedeutetes Wechselmoment auf den Wirbelerzeuger 2 ausgeübt, das zu einer Biegebelastung der Fühleinheit 3 führt und durch den Meßfühler 31 in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Die Wirbelbildungsfrequenz kann durch Messung der Zahl der Änderungszyklen bestimmt werden.

Bei dieser Ausführungsform kann das elektrische Signal durch Differenzbildung der Ausgangssignale der »' Meßfühler 31 a und 3\b verdoppelt werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Meßfühler 31 mittels des Dichtelements 32 unter elektrischer Isolierung in den Wirbelerzeuger 2 eingedichtet und praktisch in diesen integriert, so daß r> eine wirksame Messung der Wcchselkraft erreicht wird. Eine ausreichend hohe Meßempfindlichkeit wird selbst bei der erhöhten Steifheit des Meßfühlers erzielt, so daß dieser fest bzw. unelastisch ausgebildet sein kann.

Da die den Wirbelerzeuger beaufschlagende Wcch- -'« selkraft dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Strömungsmittels proportional ist, ist auch die im folgenden auch einfach als »Verformung« bezeichnete mechanische Belastung dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit proportional. Eine Beson- -> derheit einer Strömungsmeßvorrichtung unter Ausnutzung der Karmanschen Wirbelstraße liegt in ihrem weiten Meßbereich. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß eine Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 03 bis 10 m/s gemessen werden soll, ändert sich dabei die Verformung in einem Bereich von ungefähr

1 :1000. Bei Verwendung eines metallenen Meßfühlers liegt dessen Dauersicherheitsgrenze für Verformungen bei wiederholter bzw. Dauerbetätigung im Bereich von etwa 100 bis 200 · 'Λοοοοοο- Wenn nun dieser Wert der « größten Strömungsgeschwindigkeit von 10 m/s entspricht, beträgt die bei der kleinsten Strömungsmenge von OJ m/s erzeugte Verformung etwa 0.1 bis

02 ■ '/ι oooooo, die somit kaum zu messen ist. Auch bei Verwendung eines Halbleiter-Dehnungsmeßeiements ⁴⁽⁾ oder eines piezoelektrischen Elements ist es schwierig, eine Spannungs- bzw. Verformungsmessung mit einer festen bzw. unelastischen Konstruktion durchzuführen. Obgleich der Meßbereich in kleine Meßbereiche von jeweils z. B. 1 — 6 m/s unterteilt werden kann, ergibt sich hierbei dennoch der Nachteil, daß der von einem einzigen Meßfühler erfaßbare Bereich eingeengt wird.

Bei dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel wird experimentell eine auspichend hohe Meßempfindlichkeit bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 03 bis 10 m/s erreicht Die dabei vorausgesetzte und gemessene Verformungsgröße beträgt 0,0048 · ¹A oooooo bei 03 m/s bzw. 53 - Vi oooooo bei 10 m/s.

Da der gesamte Meßfühler 31 mittels des Dichtelements 32 im Wirbeierzeuger 2 festgelegt ist. ergeben " sich die folgenden Vorteile:

1. Bei ausgezeichneter Kraftübertragungseigeiischaft kann die am Wirbelerzeuger erzeugte Wechselkraft genau und mit hoher Meßempfindlichkeit auf «> das piezoelektrische Element übertragen werden.

2. Wegen der geringen Luftdurchlässigkeit des Dichtelements 32 wird die Isolierung durch Luftfeuchtigkeit und dgl. nicht beeinträchtigt Da das piezoelektrische Element als solches aus einer ^b5 nichtleitenden Substanz besteht, würde sein elektrisches Ausgangssignal selbst durch kleine Verschlechterungen der Isolierung durch Feuchtigkeit und dgl. stark beeinflußt werden.

3. Bei Wahl einer geeigneten Glassorte mit einem hohem Schmelzpunkt von über 500° kann eine große Wärmebeständigkeit gewährleistet werden.

4. Selbst wenn die piezoelektrische Wirkung bei einem während des Abdichtvorgangs auftretenden Temperaturanstieg über den Curie-Punkt des piezoelektrischen Elements verloren geht, kann aufgrund einer ausreichend hohen (dielektrischen) Durchschlagsfestigkeit die piezoelektrische Wirkung wiederhergestellt werden, indem nach dem Abdichten eine Polung oder Umpolung vorgenommen wird.

5. Der Abdichtzustand ist ohne jede Änderung oder Abweichung reproduzierbar, so daß sich keine nachteiligen Auswirkungen auf die Eigenschaften bzw. die Kennlinie des piezoelektrischen Elements ergeben.

6. Die Isolier- und Abdichtarbeitsgänge können gleichzeitig durchgeführt werden.

7. Zwischen der Elektrode der piezoelektrischen Einheit und der Zuleitung ist eine armierte bzw. verstärkte Verbindung erzielbar.

8. Die Fertigungskosten sind niedrig.

Das Ausmaß der Kraftübertragung wird selbst durch einen sehr kleinen Spalt zwischen dem Dichtelement und dem Wirbelerzeuger 2 oder dem Meßfühler 31 herabgesetzt. Insbesondere bei Verwendung von Glas ist es daher wünschenswert, die Bauteile konzentrisch um die kreisförmige piezoelektrische Einheit herum anzuordnen, um dadurch ein Platzen des Glases zu verhindern, das in ungleichmäßig belasteten Bereichen bei einer thermischen Kontraktion auftritt bzw. auftreten kann, wenn das geschmolzene Glas beim Abdichivorgang abkühii Und crsiärfi. ZuF Vermeidung der Einwirkung jeder übermäßigen mechanischen Spannung oder Belastung auf die Bauteile werden jedoch deren Relativgrößen sorgfältig so bemessen, daß sich die betreffenden Verbindungsflächen aufgrund der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht voneinander trennen. Vielmehr befinden sich die verschiedenen Verbindungsflächen vorteilhaft in einem solchen Abdichtungszustand, daß sie eine gegenseitige Kontraktionskraft ausüben.

Im folgenden sind Versuche bezüglich des Einflusses von Geräusch bzw. Störsignalen aufgrund von Schwingung der Leitung zum Vergleich zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Bei dem Strömungsmesser gemäß F i g. 2 hat ein Wirbelerzeuger 4 einen flexiblen Abschnitt 41. durch den die Steifheit des Meßfühlers herabgesetzt wird, und im flexiblen Bereich 41 sind zwei Dehnungsmeßelemente 42 symmetrisch zur Mittelachse des Wirbelgenerators 4 in Richtung der Wechselkraft angeordnet, wobei in Abhängigkeit von der Schwingung des Wirbelerzeugers 4 ein Wirbelsignal erzeugt wird.

In den F i g. 1 und 2 ist das rechte Element als erstes Meßelement bezeichnet, während das linke Element als zweites Meßelement bezeichnet ist

Die Leitungsschwingung wirft ein Problem auf. wenn ihre Frequenz fp im Bereich der Wirbelsignalfrequenzen fv liegt und das Leitungsschwingungs-Ausgangssignai dem Wirbeiausgangssignal überlagert ist Wenn hierbei die Störfrequenzkomponente fp der Leitungsschwingung elektrisch unterdrückt wird, wird auch die Wirbelsignalkomponente fv unterdrückt, so daß die Störkomponente nicht elektrisch beseitigt werden kann

da sonst eine Messung unmöglich wird. (Die elektrische Unterdrückung kann ohne weiteres für jedes Störsignal erreicht werden, dessen Frequenz höher liegt aJs der Bereich der Wirbelsignalfrequenzen.)

Im vorliegenden Fall wird vorausgesetzt, daß die V'equenz fp der Leitungsstörschwingung innerhalb des Bereichs der Wirbelsignalfrequenzen fv liegt. Im allgemeinen wird der Wirbelerzeuger so ausgelegt, daß seine Eigenschwingfrequenz fn eine G.-öße oberhalb des Bereichs der Wirbelsignalfrequenzen fv besitzt. Beim Dehnungsmeßsystem ist jedoch die Eigenfrequenz fn aufgrund der genannten geringen Steifheit des Meßfühlers niedrig; d. h. sie liegt bei einer Größe nahe der Leitungs-Störschwingiingsfrequenz fp, bei welcher eine Schwingung des Wirbelerzeugers erwartet werden kann. Wie im Fall des Wirbelsignals gemäß F i g. 3A und 3B erschein· diese Schwingung '·" Form vor gegs.ipha sigen Ausgangssignalen des ersten und des zweiten Meßelements (vergl. Fig.3C und 3D), so daß die betreffenden Ausgangssignale des Wirbelsignals und der Leitungsstörschwingung die Form gemäß Fig.3E und 3F erhalten. Das kombinierte Ausgangssignal besitzt daher gemäß Fig.3G einen schlechten Rauschabstand. Diese Erscheinung wird insbesondere bei der Messung niedriger Strömungsmengen oder -geschwindigkeiten auffällig, bei denen der Pegel der Leitungsstörschwingung gegenüber dem Wirbelsignal vergleichsweise hoch ist, so daß sich dabei Meßschwierig-'.jiten ergeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Eigenschwingungsfrequenz fn aufgrund der auf die praktisch einstückige Konstruktion des Meßfühlers und des Wirbelerzeugers zurückzuführenden hohen Steifheit hoch, wobei der gesamte Meßfühler zusammen mit der Leitung schwingt. Diese Schwingung erscheint als Beschleunigung im Meßfühler, wobei die Störausgangssignale des ersten und des zweiten Meßelements im Gegensatz zu den gegenphasigen Wirbelausgangssignalen gemäß Fig.4A und 4B eine gleichphasige Beziehung zueinander besitzen (vergl. F i g. 4C und 4D), so daß die betreffenden differentiellen Ausgangssignale des Wirbelsignals und der Leuungsstörschwingung die Form gemäß Fig.4E und 4F erhalten. Folglich enthält das kombinierte Ausgangssignai nur das Wirbelsignal allein, und es besitzt selbst bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit gemäß F i g. 4G einen zufriedenstellenden Rauschabstand, wodurch die Messung einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht wird.

F i g. 5 veranschaulicht den Grundaufbau einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Meßfühler 31 bei 33 in einer Bohrung 22 in einem Wirbelerzeuger 2 verankert ist Obgleich bei dieser Ausführungsform ein Kleb- oder Befestigungsmittel zur Festlegung des Meßfühlers 31 vorgesehen ist, kann die Befestigung auch durch Schweißen oder mittels eines Preßsitzes erfolgen.

Fig.6 veranschaulicht den Aufbau einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein scheibenförmiger Meßfühler 31 ausbaubar in eine Bohrung 22 in einem Wirbelerzeuger 2 eingesetzt ist Bei 5 ist ein zapfenförmiges, feststehendes Element mit einem Flansch dargestellt, der von Schraubbolzen 51 durchsetzt wird, die zum Hineindrücken und Festlegen des in die Bohrung 22 eingesetzten Meßfühlers 33 festziehbar sind. Diese Konstruktion ermöglicht den Ausbau des Meßfühlers 31 aus dem Wirbelerzeuger 2 für Wartungszwecke oder dergleichen, ohne daß der Wirbelerzeuger 2 aus der Leitung 1 ausgebaut zu werden brauchte, wodurch Wartung und Überprüfung des Meßfühlers 31 ohne Unterbrechung der Strömung des zu messenden Strömungsmittels vereinfacht werden.

In F i g. 7 ist der Aufbau noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung dargestellt, während Fig. 8 einen wesentlichen Bauteil von Fig. 7 veranschaulicht. Eine bei dieser Ausführungsform vorgesehene Fühleinheit 3 umfaßt einen Meßfühler 31. ein

ίο Dichtelement 32 und einen zylindrischen Behälter 34 mit einem Boden. Die Fühleinheit 3 ist ausbaubar in eine Bohrung 22 eingesetzt. Aufgrund dieser Konstruktion kann sie zur Vereinfachung der Fertigung getrennt vom Wirbelerzeuger 2 hergestellt werden. Das Dichtelement 32 dient zur Abdichtung des Meßfühlers 31 im Behälter 34. Gemäß F i g. 8 ist der Meßfühler 31 scheibenförmig ausgebildet, wobei er mit seinem Zentrum gena'j auf der Mittelachst des Wirbelerzeugers 2 angeordnet ist. Der Meßfühler 31 umfaßt ein scheibenförmiges Meßelement 311, das aus Lithiumniobat besteht, sowie Elektroden 312, 313 und 314. Die als dünne Scheibe ausgebildete Elektrode 312 ist an der einen Seite des Meßelements 311 angeordnet, während die im wesentlichen kreissegmentförmig ausgebildeten Elektroden 313 und 314 symmetrisch zum Zentrum des Meßelements 311 an dessen anderer Seite angeordnet sind. Bei dieser Konstruktion ist auf die in Fig.4A und 4B veranschaulichte Weise ein zwischen den Elektroden 312 und 313 abgegriffenes Wirbelsignal einem zwischen den Elek troden 312 und 314 abgegriffenen Wirbelsignal phasen mäßig entgegengesetzt, wobei das aus diesen Signalen durch Differenzbildung gewonnene Ausgangssignal gemäß Fig.4E im Vergleich zu den Wirbelsignalen nach Fig.4A und 4B doppelt so groß wird. Das im Wirbelsignal-Frequenzbereich liegende Störsignal, wie Leitungsschwingung, wird ebenfalls abgegriffen und führt zu phasengleichen Ausgangssignalen gemäß F i g. 4C und 4D, die sich gegenseitig aufheben, so Haß man ein Wirbelsignal mit zufriedenstellendem Rauschab stand erhält. Da hierbei nur ein einziges Meßelement erforderlich ist, kann in vorteilhafter Weise eine Kostenreduktion realisiert werden, wobei gleichzeitig unter Gewährleistung einer kompakt gebauten Konstruktion ein kleiner Einbauraum erforderlich ist.

Wenn die Elektroden 313 und 314 außerdem gegenüber dem Zentrum des Meßelements 311 in Richtung der wechselnden Kraft symmetrisch angeordnet werden, werden die im Meßfühler 31 durch Störsignale bzw. »Rauschen« aufgrund von Strömungsso mittelschwingung, wie Strömungsmittelpulsation, in Strömungsrichtung erzeugten elektrischen Ladungen auf die in Fig.9 schematisch angedeutete Weise in einem bestimmten Augenblick positiv oder negativ, wobei sich solche Ladungen jedoch im Inneren des Meßelements gegenseitig aufheben und daher nicht als Ausgangssignal erscheinen. Auf diese Weise wird ein Störsignal aufgrund von Strömungsmittelschwingung ausgeschaltet, so daß ein Wirbelsignal mit zufriedenstellendem Rauschabstand erhalten wird.

Der in F i g. 8 dargestellte Meßfühler 31 kann gemäß Fig. 1OA zylindrisch oder gemäß Fig. 1OB rechteckig

sein; wahlweise kann er gemäß Fig. IOC als kreisring förmige Scheibe ausgebildet sein.

Wenn weiterhin die Elektrode 312 entsprechend den

Elektroden 313 und 314 in zwei kreissegmentförmige Elektroden unterteilt wird, kann das Ausgangssignal des Meßfühlers 31 verdoppelt werden, indem die kreissegmentförmigen Elektroden bei Erzeugung des Ausgangs-

signals in Form einer Spannung in Reihe oder bei Lieferung des Ausgangssignals in Form einer elektrischen Ladung parallel geschaltet werden.

Die Verbindung oder Zusammenschaltung der Elektroden kann auf der Oberfläche des Meßfühlers 31 erfolgen. Eine weiten. Vereinfachung wird jedoch dann erreicht, wenn vier Zuleitungen von jeweils einer Elektrode nach außen geführt werden, so daß die Reihen- oder Parallelschaltung nach Bedarf hergestellt werden kann.

Obgleich bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die beiden Enden des Wirbelerzeugers 2 an der Leitung 1' befestigt sind, kann auch eine Anbringung mit einem festgelegten Ende und einem freien Ende gewählt werden.

Die Befestigung des Wirbelerzeugers 2 kann auf beliebige andere als die dargestellte Weise erfolgen, beispielsweise durch Schweißen, Verschrauben oder Verstiften.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Fühleinheit 3 in die im Halterungsbereich 21 des Wirbelerzeugers 2 ausgebildete Bohrung 22 eingesetzt, doch kann er sich auch an anderen Stellen des Wirbelerzeugers befinden, bei welcher eine Messung der mechanischen Verformung möglich ist.

Der beschriebene Meßfühler 21 umfaßt ein piezoelektrisches Element aus Lithiumniobat. Dieses Element kann jedoch auch durch einen piezoelekrischen Kristall aus Lithiumniobat oder Quarz oder durch ein keramisches piezoelektrisches bzw. druckempfindliches Element aus Zirkontitanat (PZT) oder dergleichen ersetzt werden. Allgemein kann jedes Meßelement benutzt werden mit dem eine Kraft gemessen werden kann. Falls die Betriebstemperatur eines für die Abdichtung und Verankerung eines keramischen piezoelektrischen Elements verwendeten Dichtelements über dessen Curie-Punkt liegt, muß nach Abschluß des Abdichtvorgangs eine Umpolung vorgenommen werden. Da das Dichtelement eine ausreichend hohe (dielektrische) Durchschlagsfestigkeit besitzt, faßt sich die Umpolung leicht durchführen.

Der Werkstoff des Dichtelements 32 ist nicht nur auf Glas beschränkt, vielmehr können andere Dichtmaterialien, wie Epoxyharz, Keramik oder Kleber, verwendet werden. Allgemein kann jedes beliebige Material verwendet, sofern es ein elektrischer isolator mit chemischer Stabilität ist und die den Wirbelerzeuger 2 beaufschlagende Kraft mit hoher Ansprech- bzw. Meßempfindlichkeit genau auf das Meßelement zu übertragen vermag.

F i g. 11 veranschaulicht den Aufbau einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein säulen- bzw. stabförmiger Wirbelerzeuger 2 aus rostfreiem Stahl senkrecht zur Längsachse einer zylindrischen Leitung 1 in diese eingesetzt und am einen Ende an der Leitung 1 befestigt ist Eine Fühleinheit 3 umfaßt einen Meßfühler 31, ein Dichtelement 32 und einen zylindrischen Behälter 34 mit einem Boden. Das eine Ende der Fühleinheit ist am zweitgenannten Ende des Wirbelerzeugers 2 befestigt, während ihr anderes Ende am einen Ende eines Innenzylinders 11 angebracht ist, dessen Ende seinerseits an der Leitung 1 befestigt ist. Der Meßfühler 31 ist im Behälter 34 mit Hilfe des Dichtelements 32 abgedichtet, das bei dieser Ausführungsform aus Glas besteht und den Meßfühler gegenüber dem Behälter elektrisch isoliert. Der scheibenförmig ausgebildete Meßfühler 31 ist mit seiner Mittelachse genau auf die Mittelachse des Wirbelerzeugers 2 ausgerichtet. Bei dieser Ausführungsform, ebenso wie bei derjenigen gen'räß F i g. 8, umfaßt der Meßfühler ein scheibenförmiges, aus Lithiumniobat bestehendes Meßelement 311 sowie Elektroden 312,313 und 314. Am einen Ende eines Außenzylinders 12, dessen anderes Ende an der Leitung 1 befestigt ist, ist eine Auswerteeinheit 6 angebracht.

Wenn die Leitung 1 von einem zu messenden Strömungsmittel durchströmt wird, wirkt auf den

ίο Wirbelerzeuger 2 aufgrund der Kermanischen Wirbelstraße eine in Fig. 11 durch den Pfeil X angedeutete Wechselkraft ein. Diese Wechselkraft wird auf die Fühleinheit 3 übertragen, so daß die Wirbelbildungsfrequenz abgegriffen werden kann.

Gleichzeitig schwingt dabei die gesamte Leitung aufgrund der Störschwingung, die sich von einer Pumpe, einem Kompressor bzw. Verdichter oder wegen des Umschaltens eines Schiebers durch die Leitung hindurch fortpflanzt.

Wenn diese Schwingung besonders groß ist, erfahren der Wirbelerzeuger 2 und die Fühleinheit 3 (im folgenden als Meßanordnung bezeichnet) eine Kraft in der Richtung in welcher die Wechselkraft X wirkt, woraus sich ein Wechsel-Biegemoment Ma gemäß der Massenverteilung ergibt. Dieses Biegemoment Ma wird vom Meßfühler 31 als Störsignal abgegriffen.

Fig. 12 zeigt in graphischer Darstellung dieses Biegemoment Ma, wobei zusätzlich Mv das bei der Wirbelerzeugung entstehende wechselnde Biegemoment bezeichnet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich der Meßfühler 31 in einer Position Y, in welcher das Biegemoment Ma zu Null wird; der Meßfühler 31 ist außerdem in einem Abstand entsprechend dem 0,2- bis (Ufachen der Strecke zwischen den vorrichtungsfesten Enden der durch Wirbelerzeuger 2 und Behälter 34 gebildeten Einheit angeordnet. Infolgedessen wird durch den in der Position Y befindlichen Meßfühler 31 die auf das Biegemoment Ma zurückzuführende mechanische Spannung bzw. V»rfor-

•»o mung nicht abgegriffen, so daß das Störsignal aufgrund von Leitungsschwingung unterdrückt wird.

Die dargestellte Ausführungsform gewährleistet somit eine ausgezeichnete Schwingungsbeständigkeit bei Unterdrückung des Störsignals aufgrund der Leitungsschwingung. In dieser Hinsicht wird ein besonderer Vorteil speziell bei der Messung eines Strömungsmittels, wie Luft, geboten, das allgemein eine kleine Wirbelkraft liefert.

Bei der zweifach gehalterten Ausführungsform gemäß F i g. 11 sind zwei Punkte vorhanden, an denen das Biegemoment Ma zu Null wird. Ersichtlicherweise kann somit die Konstruktion derart abgewandelt werden, daß der Meßfühler 31 am Punkt Zin Fig. 12 angeordnet wird. Falls die Meßanordnung am einen Ende gehaltert und am anderen Ende festgelegt ist, ist gemäß Fig. 13 eine Stelle vorhanden, an welcher das Biegemoment Ma Null beträgt Dieser Punkt ist dabei durch Veränderung der Massenverteilung der Meßanordnung frei verschiebbar, so daß der Meßfühler in eine Position eingestellt werden kann, in welcher das Biegemoment Mv aufgrund der Wirbelbildung am größten ist

Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Meßanordnung und die Auswerteeinheit 6 über den Innenzylinder 11 bzw. den Außenzylinder 12 getrennt an der Leitung 1 verankert, so daß die Meßanordnung von der durch die Auswerteeinheit 6 mit vergleichsweise großer Masse hervorgerufenen Schwingung unbeein-

flußt bisibt.

Die Fig. 14A und 14B veranschaulichteneir.e weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei rig. 14A die Gesamtanordnung und 14B den Aufbau der Häuptteile darstellen. Bei dieser Ausführungsform ist das eine Ende einer Meßanordnung mittels einer Schraube 13'an einer Leitung 1 befestigt, während ihr anderes Ende an der Leitung 1 mit Hilfe eines Tragelements 14 befestigt ist, das unter Zwischenfügung einer Versteifungsplatte 15 fest an der Leitung 1 verankert ist, wodurch die Anordnung weiter versteift bzw. verstärkt wird.

In Fig. 15 sind die wesentlichen Teile noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei im einen Ende eines Wirbelerzeugers 2 eine Ausnehmung 211 ausgebildet und ein am Ende einer Schraube 13 angeformter sphärischer Abschnitt 131 in die Ausnehmung 21! eingesetzt ist, u~ auf diese Weise das eine ende des Wirbelerzeugers 2 zu haltern. Der Gewindeteil 132 der Schraube 13 ist mit einem konischen Gewinde versehen. Dieser Schraubenabschnitt kann je nach Bedarf fester oder weniger fest in die Leitung 1 eingeschraubt werden, wobei die Verbindung an der Leitung 1 angeschweißt werden kann, um dadurch eine verbesserte Konstruktion mit noch sicherer Abdichtung zu gewährleisten.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 15 werden Einbau und Ausbau der Meßanordnung vereinfacht. Außerdem wird hierdurch einf bei der Messung von auf hoher Temperatur befindlichen Strömungsmitteln auftretende axiale Ausdehnung dieser Anordnung ausgeglichen.

Fig. 16 veranschaulicht die wesentlichen Teile noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein zapfenförmiger Blind Verschluß 16 mit einem Flansch 161. der einen biegsamen Abschnitt 162 aufweist, an einer Leitung 1 befestigt ist Ein Vorsprung bzw. Ansatz 163 des Blindverschlusses ist in eine Ausnehmung 211 eines Wirbelerzeugers 2 eingesetzt, um dessen eines Ende zu haltern. Bei dieser Ausführungsform kann dieselbe Wirkung wie bei derjenigen gemäß F i g. 15 erwartet werden.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß Fig. 11 bis 16 befindet sich die Fühleinheit in einer Position, in welcher die in der Meßanordnung durch eine Störkraft erzeugte mechanische Belastung gleich Null ist, so daß eine stabile Von ichtung realisiert wird, die eine ausgezeichnete Schwingungsbeständigkeit besitzt, ohne daß dabei das Störsignal aufgrund der Störkraft abgegriffen wird.

F i g. 17 veranschaulicht die Konstruktion noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher in eine von einem Strömungsmittel durchströmte, zylindrische Leitung 1 ein Schraubbolzen 13 eingesetzt ist, der an seinem oberen Ende einen sphärischen Abschnitt 131 aufweist und außerdem mit einem konischen Gewindeabschnitt 132 versehen ist. Ein aus rostfreiem Stahl bestehender, zapfenförmiger Wirbelerzeuger 2 ist senkrecht zur Längsachse der Leitung 1 in diese eingesetzt Der Wirbelerzeuger 2 ist in der Leitung 1 so gehaltert, daß eine an seinem einen Ende vorgesehene Ausnehmung 211 den sphärischen Abschnitt 131 aufnimmt Eine Fühleinheit 3 ist am einen Ende mit dem Wirbelerzeuger 2 verbunden, während ihr anderes Ende über eine Dichtungspackung 17 fest mit einem zylindrischen Tragelement 10 verbunden ist Die Innenmantelfläche der Leitung 1, die Außenflächen von Wirbelerzeuger 2 und Fühleinheit 3 sowie die Innenfläche des Tragelements 10, die sämtlich mit einem zu messenden Strömungsmittel in Berührung gelangen, sind mit einem korrosionsbeständigen Material, wie Polytetrafluoräthylen, beschichtet.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 17 wird eine aufgrund einer Karmanschen Wirbelstraße auf den Wirbelerzeuger 2 ausgeübte Wechselkraft durch die Fühleinheit 3 unmittelbar gemessen.

Bei der bisher verbreitet verwendeten Vorrichtung liegt die höchstzulässige Meßtemperatur im Bereich von

ίο ungefähr 120°C. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt dagegen die Fühleinheit 3 eine Aushaltetemperatur von 300°C, so daß Strömungsmittelmessut.-gen bei einer Höchsttemperatur vor 300°C möglich sind. Da die Wirkung einer korrodierenden Substanz mit ansteigender Temperatur zunimmt, eignet sich die Ausführungsform gemäß Fig. 17 besonders vorteilhaft

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Strömungsmitteln mit hoher Korrosionswirkung.

Die Verbindung bzw. Fuge a zwischen dem Wirbelerzeuger 2 und der Leitung 1 sowie die Fuge b zwischen der Fühleinheit 3 und dem Tragelement 10 können jeweils mit einem eine Abdichtung herstellenden Oberzug versehen sein. In diesem Fall wird unter Vereinfachung des Aufbaus die Notwendigkeit für spezielle Dichtmittel, wie die Dichtungspackung 17 oder den konischen Gewindeteil 132, vermieden, während dabei gleichzeitig der Einbau des Wirbelerzeugers 2 in die Leitung 1 und sein Ausbau aus ihr vereinfacht werden.

In F i g. 18 ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei F i g. 18 einen Längsschnitt und Fig. 18B einen Querschnitt zeigt. Der Strömungsmesser gemäß Fig.25 umfaßt einen zylindrischen Leitungsabschnitt bzw. Stutzen 1 und einen Wirbelerzeuger 2, der einen trapezförmigen Querschnitt besitzt und senkrecht zur Längsachse des Stutzens in diesen eingesetzt ist. Eine Fühleinheit 3 umfaßt einen Meßfühler 31, ein Dichtelement 32 und einen zylindrischen Behälter 34 mit einem Boden. Diese Fühleinheit

•»ο ist mit ihrem einen Ende am Wirbelerzeuger 2 und mit ihrem anderen Ende am Stutzen 1 befe.«:igt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind der Stutzen, der Wirbelerzeuger 2 und der Behälter 34 einstückig miteinander ausgebildet

•»5 Mit dieser Ausfühningsform wird also eine vereinfachte und robuste Vorrichtung geschaffen, die kompakt und leicht gebaut ist und sich kostensparend herstelki läßt Bei dieser Ausführungsform kann die Fühleinheit 3 dadurch hergestellt werden, daß der Leitungsstutzen 1, der Wirbelerzeuger 2 und der Behälter 34 beispielsweise als ein GuQteil gefertigt werden und anschließend der Meßfühler 31 mittels des Dichtelements 32 eingedichtet wird. Auf diese Weise kann eine billigere und robustere Konstruktion als dann erhalten werden, wenn der Leitungsstutzen 1, der Wirbelerzeuger 2 und die Fühleinheit 3 getrennt hergestellt werden. Da außerdem kein Zwischenraum bzw. Spalt zwischen den mit dem zu messenden Strömungsmittel in Berührung gelangenden Bauteilen vorhanden ist, wird eine ausgezeichnete

Korrosionsbeständigkeit für den Fall der Messung von korrodierenden Strömungsmitteln gewährleistet

Wenn der Stutzen 1, der Wirbelerzeuger 2 und das Dichtelement 32 aus einem hochmolekularen Material, wie einem harten Kunststoff, hergestellt werden, kann ein einstückiges Formteil gefertigt werden, in den der Meßfühler 31 unter Abdichtung eingesetzt wird. Auf diese Weise kann die Fertigung des erfindungsgemäßen Strömungsmessers weiter vereinfacht werden. Bei

Verwendung eines solchen hochmolekularen Materials körnen die mit dem Strömungsmittel in Berührung gelangenden Rächen der Bauteile glatter ausgebildet werden als Metallflächco so daß die Vorrichtung für die Strömungsmessung von Nahrungsmitteln und dergleichen geeignet wird. Zusätzlich besitzt ein solches hochmolekulares Material ausgezeichnete AntikorrosionseigenschafteiL Insbesondere die Verwendung von Äthylentetrafluoridharz gewährleistet einen Korrosionsbeständigkeitsgrad, der mit metallischen Werkstoffen keinesfalls erreicht werden kann.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Strömungsmesser mit einem rohrförmigen Gehäuse, mit einem im Gehäuseinneren senkrecht zur Rohrachse angeordneten Wirbelerzeuger, weleher zumindest in einem Abschnitt durch die beim Anströmen mit einem zu messenden Strömungsmittel erzeugten Wirbel auf Torsion beansprucht wird, und mit einer Biegefühleranordnung, deren gegeneinander bewegbare Teile am Gehäuse bzw. auf Torsion beanspruchten Abschnitt des Wirbelerzeugers festgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung (31) zwei gleich aufgebaute Fühler (31a, 31Ö; 41, 42; 311, 312, 313 bzw. 311,312,314) aufweist, welche symmetrisch zur durch die Längsachse des Wirbelerzeugers (2) und die Achse des rohrförmigen Gehäuses (1) vorgegebenen Symmetnteebene des Strömungsmessers angeordnet sind.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelerzeuger (2) über einen festen Flansch (21) an dem rohrförmigen Gehäuse (1) befestigt ist und daß die Fühleranordnung (31) kraftschlüssig in eine zur freien Stirnseite des Flansches (21) hin offene, zentrale Ausnehmung (22) des Wirbelerzeugers (2) eingesetzt ist (F i g. 1).

3. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung (31) unter Verwendung einer «tarren Vergußmasse (32) in der zentralen Ausnehmung (22) des Abreißkörpers (2) festgelegt ist (F i g. 1,5,7 und 11).

4. Strömungsmesser nach Aisprurh 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse (32) ein elektrischer Isolator ist.

5. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch J5 gekennzeichnet, daß die Vergußmasse ein Kunstharz oder Glas ist.

6. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung (31) unter Verwendung der Vergußmasse (32) *o in ein Fühlergehäuse (34) eingebettet ist, das seinerseits am einen Ende drehfest in der zentralen Ausnehmung (22) des Wirbelerzeugers (2) einsitzt und am anderen Ende fest mit dem rohrförmigen Gehäuse (1) verbunden ist (F 1 g. 7,11 und 14). -»5

7. Strömungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlergehäuse (34) durch ein Druckstück (5) in axialer Richtung am Boden der zentralen Ausnehmung (22) des Abreißkörpers (2) festgeklemmt ist, welches seinerseits über Druck- ^o schrauben (51) am Flansch (21) des Wirbelerzeugers (2) abgestützt ist (F i g. 7).

8. Strömungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlergehäuse (34) mit seinem einen Ende fest in die zentrale Ausnehmung (22) des Wirbelerzeugers (2) eingesetzt ist und mit seinem anderen Ende über eine es umgebende Hülse (11 j 10) mit dem rohrförmigen Gehäuse (1) verbunden ist (F ig. 11 und 17).

9. Strömungsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung (31) an einem Knoten (YZ)der durch Schwingungen des mit dem Strömungsmesser verbundenen Rohrsystems induzierten Biegeschwingungen des durch Abreißkörper (2) und Fühlergehäuse (34) gebildeten Schwingungssystems und bei einem Schwingungsmaximum der Torsionsschwingungen dieses Schwingungssystem angeordnet ist (F ig. 11 — 13).

10. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung (31) über ein Druckstock (5) gegen den Boden der zentralen Ausnehmung (22) festgeklemmt ist, welches seinerseits über Druckschrauben (51) am Flansch (21) des Wirbelerzeugers (2) abgestützt ist (F i g. 6).

11. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelerzeuger (4) von Biegeabschnitten (41) einer am rohrförmigen Gehäuse (1') festgelegten Halteplatte getragen ist und die beiden Biegefühler (42) auf den vom Abreißkörper (4) abgewandten Oberflächen der Biegeabscfmitte (41) angeordnet sind (F i g. 2).

^Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung einen rotationssymmetrischen piezoelektrischen Kristall (311), eine erste Elektrode (312), weiche eine erste Oberfläche des Kristalles (311) bedeckt_: und eine zweite (313) und eine dritte (314) Elektrode aufweist, die zueinander spiegelbildlich ausgebildet sind und die gegenüberliegende Oberfläche des Kristalles (311) bedecken (F i g. 8,10).

13. Strömungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (311) zylindrisch oder ringförmig ist und die mit den Elektroden (312-314) bedeckten Oberflächen dessen Stirnflächen sind (F i g. 8 und 10 C).

14. Strömungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (311) hohlzylindrisch ist und die mit den Elektroden (312—314) bedeckten Oberflächen dessen Mantelflächen sind (Fig. 10A).

15. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung (31) einen rechteckigen, plattenförmigen piezoelektrischen Kristall (311), eine die eine Plattenoberfläche überdeckende erf'e Elektrode (312) und zwei zusammen je hälftig die andere Plattenoberfläche überdeckende Elektroden (313, 314) aufweist (F ig. 10B).