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Gerät zum Messen der Geschwindigkeit einer Strömung
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Es sind Geräte zum Messen der Geschwindigkeit einer Strömung in einem
Rohrstück bekannt, bei denen quer zur Strömungsrichtung in dem Rohrstück ein Hinderniskörper
angeordnet ist. Aufgrund eines bekannten physikalischen Effektes bildet sich hinter
dem Hinderniskörper eine sogenannte Karman/sche Wirbelstraße aus, die durch rhythmische
Geschwindigkeits- und Druckschwankungen gekennzeichnet ist. In einem bestimmten
Bereich der Ges schwindigkeit der Strömung ist die Frequenz dieser Schwankungen
ein eindeutiges Maß für die Strömungsgeschwindigkeit, so daß daraus auf die Stärke
des Durchflusses durch das Rohrstück geschlossen werden kann.
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Die Auswertungen der Geschwindigkeits- und Druckschwankungen hinter
dem Hinderniskörper kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, beispielsweise mittels
elektronischer Einrichtungen, wie es u. a. aus der DE-OS 19 48 117 und der DE-OS
20 37 198 bekannt ist. In der US-PS 3 116 639 ist daneben noch der Hinweis enthalten,
daß zur Erfassung der Frequenz der Schwankungen eine
FUhlereinrichtung
verwendet werden kann, die auf verschiedene Frequenzen abgestimmte, schwingungsfähige
Zungen aufweist.
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Die Erfindung geht von einem solchen Gerät aus und bezieht sich demzufolge
auf ein Gerät zum Messen der Geschwindigkeit einer Strömung in einem Rohrstück mit
einem mit seiner Achse quer zur Strömungsrichtung angeordneten Hinderniskörper und
mit einer auf die Frequenz der durch den Hinderniskörper erzeugten Schwingungen
ansprechenden Fühlereinrichtung mit auf verschiedene Frequenzen abgestimmten, schwingungsfähigen
Zungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Gerät so auszugestalten,
daß es einfach-und damit auch kostengünstig herstellbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß koaxial
zur Achse des Hinderniskörpers ein Torsionselement angeordnet ist, das die Rückstellkräfte
für die Drehschwingungen des Hinderniskörpers aufbringt, und daß mit dem aus dem
Rohrstück herausgefUhrten Enden der Achse des Hinderniskörpers die Zungen verbunden
sind.
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Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Gerätes liegt in seinem
einfachen Aufbau; durch das Torsonselement und durch auf verschiedene Frequenzen
abgestimmte, schwingungsfähige Zungen ist der bei Geräten dieser Art erforderliche
Hinderniskörper zu einem vollständigen Gerät ergänzt, das eine hinreichende Anzeigegenauigkeit
fUr viele Zwecke der Prozess überwachung aufweist. Auf eine hohe Auflösung der Anzeige
ist dabei bewußt verzichtet, um ein Gerät zur Verfügung zu stellen, das unabhängig
von irgendwelchen Hilfsenergien arbeitet und kostengünstig hergestellt werden kann.
In Abweichung von bekannten Geräten zum Messen der Geschwindigkeit von Strömungen
mit einem Hinderniskörper, bei denen die Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen
durch elektro-
mechanische oder optische Auswerteinrichtungen erfaßt
und stets zumindest bei der Verarbeitung der Meßwerte Fremdenergie benötigt werden,
kommt das erfindungsgemäße Gerät ohne Hilfsenergie aus. Dadurch sind seine Einsatzmöglichkeiten
im Vergleich zu bekannten Geräten dieser Art erheblich erweitert und außerdem die
Wartung erheblich vereinfacht.
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Das Torsionselement besteht vorteilhafterweise aus einer gummielastischen
Membran, weil es sich dann gleichzeitig zur flüssigkeits- bzw. gasdichten Abdichtung
des Rohrstückes nach außen benutzen läßt. Bei dieser Ausführung ist die Achse auf
einer Seite des Hinderniskörpers in einer Bohrung des RohrstUckes gelagert und durchsetzt
auf der anderen Seite des Hinderniskörpers die gummielastische Membran dichtend;
die Membran ist in einem Flansch fest eingespannt, der die notwendige seitliche
Öffnung im Rohrstück abdeckt. Auf dem aus der Membran herausragenden Ende der Achse
befinden sich die Zungen.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Gerätes ist das Torsionselement ein Torsionsrohr, das mit seinem einen Ende an der
Achse des Hinderniskörpers und mit seinem anderen Ende an dem Rohrstück befestigt
ist. Der Hinderniskörper ist vorzugsweise ein Hohlrohr und nimmt das Torsionsrohr
auf; der Hohlkörper ist an seinem von der Fühlereinrichtung abgewandten Ende fest
mit dem Torsionsrohr und mit seiner Achse verbunden. Diese Ausführung des erfindungsgemäßen
Gerätes hat den besonderen Vorteil, daß eine Dichtung im Rohrstück im Bereich des
herausgeführten Endes der Achse des Hinderniskörpers nicht erforderlich ist, weil
der Hohlkörper mit dem Torsionsrohr ist der Achse in vorteilhafter Weise dichtend
verbunden sein kann. In diesem Falle ist zweckmäßigerweise das im Innern des Rohrstückes
liegende Ende der Achse des Hinderniskörpers
an seiner Stirnseite
durch eine Platte sowohlmit dem Torsionsrohr als auch mit dem Hinderniskörper verbunden.
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Dadurch ist das Rohrstück gegenüber der Fühlereinrichtung abgedichtet.
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Der Hohlkörper des erfindungsgemäßen Gerätes stützt sich an seinem
freien (nicht mit dem Torsionsrohr verbundenen) Ende auf diesem ab; um dort Korrosion
infolge von Reibung zu verhindern, ist der Hohlkörper an diesem freien Ende innen
mit GleiDelägen versehen, die mit Gleitbelägen auf dem Torsionsrohr zusammenwirken.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes ist
das Torsionsrohr außen an dem Rohrstück befestigt und an seinem freien Ende mit
dem herausgefUhrten-Ende der Achse des Hinderniskörpers und mit einem Tragrohr für
die Zungen verbunden. Dies bietet die Möglichkeit, ein verhältnismäßig langes Torsionsrohr
zu verwenden, weil dessen Länge nicht durch die Abmessungen des Rohrstückes begrenzt
ist,e dies bei der obenbeschriebenen Ausführungsform der Fall ist. Das verhältnismäßig
lange Torsionsrohr erlaubt es, zur Erzielung einer gleichgroßen Anzeige empfindlichkeit
ein dickwandigeres und damit höheren Drücken widerstehendes Torsionsrohr zu verwenden.
Außerdem ist bei dieser Bauart leicht noch eine Lecksicherung unterzubringen.
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Um bei einem Bruch des Torsionsrohres einen Austritt des das Rohrstück
durchströmenden Mediums zu vermeiden, ist auf der der Fühlereinrichtung zugewandten
Seite des Hinderniskörpers auf seiner Achse im Rohrstück ein zusätzlicher Dichtring
aufgebracht. Dieser Dichtring wird bei einem Bruch des Rorsionsrohres von dem unter
Druck stehenden Medium an das Rohrstück bzw. einen dort befindlichen Flansch gepreßt
und verhindert einen Austritt des Mediums.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 1 ein Längsschnitt durch
ein ein erfindungsgemäßes Gerät enthaltendes Rohrstück, in Fi.g 2 ein Querschnitt
durch das Rohrstück an der Stelle des erfindungsgemäßen Gerätes derselben Ausführung
entlang der Linie II-II, in Fig. 3 eine Aufsicht auf dasselbe Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Gerätes, in Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Rohrstück mit
einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gerätes und in Fig. 5 ein
Querschnitt durch ein Rohrstück mit einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Gerätes wiedergegeben.
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Wie die Figuren 1 bis 3 erkennen lassen, ist in einem Rohrstück 1
ein Hinderniskörper 2 derart angeordnet, daß er sich quer zur Strömungsrichtung
3 bzw. zur Längsachse des Rohstückes 1 erstreckt. Der Hinderniskörper 2 ist mit
einer Achse 4 und mit einem Fortsatz 5 versehen; der Fortsatz 5 liegt in Strömungsrichtung
3 gesehen hinter der Achse 4 des Hinderniskörpers 2.
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Insbesondere Fig. 2 zeigt, daß die Achse 4 des Hinderniskörpers 2
im Bereich eines das Rohrstück 1 abschließenden Flansches 6 herausgeführt und an
seinem vom Rohrstück 1 abgewandten Ende 7 in einem Lager 8 gehalten ist, das an
einem Gehäuse 9 einer Fühlereinrichtung 10 angebracht ist. Das im Innern des Rohrstückes
1 befindliche Ende 11 der Achse 4 ist mittels einer Stirnplatte 12 mit einem Torsionsrohr
13 und dem Hinderniskörper 2 verbunden, der als Hohlkörper ausgebildet ist.
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Das nicht mit der Achse 4 verbundene Ende des Torsionsrohres 13 ist
an dem Flansch 6 und damit auch am Rohrstück 1 befestigt. Das freie Ende 14 des
Hinderniskörpers 2 ist mit einem Gleitbelag 15 versehen, dem ein
weiterer
Gleitbelag 16 auf dem Torsionsrohr 13 gegendbersteht. Die Gleitbeläge verhindern
reibkorrosionsähnliche Erscheinungen bei den Schwingungen des Hinderniskörpers 2
um das Torsionsrohr 13 während der Messung.
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Die Achse 4 des Hinderniskörpers 2 trägt in dem aus dem Rohrstück
1 herausragenden Bereich Zungen 17, die mit Massen 18 auf verschiedene Frequenzen
abgestimmt sind.
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Die Abstimmung ist dabei entsprechend dem Meßbereich des Gerätes vorgenommen.
Wie bei den seit langem bekannten Zungenfrequenzmessern sind auch hier die einzelnen
Zungen an ihren Stirnseiten mit Plättchen 19 versehen, die hinter einem Fenster
20 liegen. Wie Fig. 3 erkennen läßt, kann eine Skale 21 beispielsweise in m3/h geeicht
sein.
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Das dargestellte Gerät arbeitet in folgender Weise: Wird das Rohrstück
1 von einem Medium in Strdmungsrichtung 3 durchströmt, dann führt der Hinderniskörper
2 aufgrund der in der Fig. 1 dargestellten Wirbelbidung Schwingungen in Richtung
des Doppelpfeiles 22 aus. Diese Schwingungen werden über die Stirnplatte 12 auf
die Achse 4 übertragen, wobei das Torsionsrohr 13 die notwendigen Rückstellkräfte
erzeugt. Von den Drehschwingungen der Achse 4 wird nun diejenige Zunge 17 am stärksten
zum Schwingen angeregt, ihren Eigenfrequenz der jeweiligen Frequenz der Schwingung
der Achse 4 am nächsten liegt.
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Da andererseits die Schwingungsfrequenz der Achse 4 - wie oben bereits
erwähnt - der Strömungsgeschwindigkeit und damit auch der Durchflußstärke proportional
ist, kann mit Hilfe der am stärksten schwingenden Zunge die Durchflußstärke angezeigt
werden. Im dargestellten Falle ist das die vierte Zunge von links, so daß an der
Skale 21 eine Durchflußstärke von 4 m3/h abgelesen werden kann.
Bei
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist ein Hinderniskörper 30 wiederum mit einer
Achse 31 versehen, die auf einer Seite des Hinderniskörpers 30 durch einen Flansch
32 herausgeführt ist. Auf der anderen Seite des Hinderniskörpers 30 ist die Achse
31 in einer Lagerstelle 33 gelagert. An der Austrittstelle der Achse 31 aus dem
Rohrstück 34 ist im Flansch 32 eine Lagerplatte 35 zur Halterung der Achse 31 vorgesehen.
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An der Stirnseite 36 des aus dem Rohrstück 34 herausgeführten Endes
der Achse 31 ist über eine Platte 37 eine feste Verbindung zu einem Torsionsrohr
38 und einem Tragrohr 39 geschaffen. Das Torsionsrohr 38 ist wiederum am Flansch
32 fest eingespannt, wahrend das Tragrohr 39 an seinem von der Stirnplatte 36 abgewandten
Ende frei geführt ist.
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An dem Tragrohr 39 befinden sich Zungen 40 mit Massen 41 zur Abstimmung
auf die jeweils erforderliche Eigenfrequenz. Ebenso wie im Zusammenhang mit der
Erläuterung des Ausführungsbeispiels nach den Figuren 1 bis 3 beschrieben, sind
auch hier die Zungen wiederum mit Plättchen 42 an den freien Enden versehen, die
hinter einer Scheibe 43 von außen sichtbar sind.
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Anstelle des Tragrohres 39 kann auch ein anders geformtes Teil, z.
B. ein einfacher gerader Tragbalken, für die Halterung der Zungen an der Platte
37 vorgesehen werden.
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Wird das Rohrstück 34 von einem Medium durchströmt, dann bilden sich
aufgrund des Hinderniskörpers 30 Wirbel, die diesen zu Schwingungen anregen. Diese
Schwingungen werden durch die Achse 31 zur Fhhlereinrichtung 44 übertragen, wobei
infolge der Verbindung der Achse 31 mit dem Tragrohr 39 die Schwingungen auf die
Zungen 40
übertragen werden. Die Zunge, deren Eigenfrequenz jeweils
mit der Schwingungsfrequenz der Achse 31 übereinstimmt, schwingt mit der größten
Amplitude und erlaubt dadurch - wie im Zusammenhang mit der Fig.3 bereits erläutert
-eine Ablesung der Durchflußstärke.
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Um im Falle eines Bruches des Torsionsrohres 38 einen Austritt von
Medium aus dem Rohrstück 94 zu vermeiden, ist auf der Achse 31 ein zusätzlicher
Dichtungsring 45 aufgebracht, der sich bei einem Bruch des Torsionsrohres innen
gegen den Flansch 32 legt und damit eine Abdichtung bewirkt.
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In der Fig. 5 ist eine besonders einfach aufgebaute Ausführungsform
beschrieben, welche insbesondere bei niedrigen Drücken des zu messenden Mediums
geeignet erscheint.
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Die Achse 46 des Hinderniskörpers 47 ist an der einen Seite in einer
Lagerstelle 48 in dem Rohrstück 49 gelagert, auf der anderen Seite in einer gummielastischen
Membran 50, welche auf der Achse flüssigkeits- (gas-) dicht aufgeklemmt oder aufvulkanisiert
ist. Die Membran 50 ist ihrerseits in einem Flansch 51 mit einer Druckplatte 52
fest eingespannt. Der Flansch 51 schließt die seitliche Öffnung des Rohrstückes
49, welche zum Einbau des Meßgerätes dient, ab. Eine zusätzliche Sicherung gegen
Austritt des Mediums ist durch eine Dichtscheibe 53 gegeben, welche auf der Achse
46 des Hinderniskörpers 47 befestigt ist und im Falle eines Bruches der Membran
50 vom Uberdruck des Mediums dichtend gegen den Flansch 51 gedrückt wird.
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Auf dem herausragenden Ende der Achse 46 des Hinderniskörpers 47 sind
die auf verschiedene Frequenzen abgestimmten Zungen 54 befestigt, die durch eine
Scheibe 55
im Schutzgehäuse 56 beobachtet werden können und so
eine Ablesung des angezeigten Wertes ermöglichen.
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Mit der Erfindung wird ein Gerät aus Messen der Geschwindigkeit einer
Strömung mit einem Hinderniskbrper geschaffen, das einfach in der Herstellung und
damit kostengünstig fertigbar ist und das außerdem keine Hilfsenergie zu seinem
Betrieb benötigt.
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5 Figuren 10 Ansprüche