DE2845753C2 - Meßeinrichtung nach dem Prinzip der Karman'schen Wirbelstraße - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung nach dem Prinzip der Kärmän'schen Wirbelstraße gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Meßeinrichtungen dieser Art werden zur Durchflußmengenmessung bei Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt. Die Strömung verursacht an dem quer zur Strömungsrichtung angeordneten Staukörper Wirbel, die sich wechselseitig an den Staukörperkanten ablösen und deren Zahl der Durchflußmenge und deren Frequenz der Durchflußgeschwindigkeit proportional ist Zur Umwandlung der Wirbel oder mit ihr korrelierender Größen, beispielsweise die dem statischen Druck überlagerten Druckschwankungen oder die der Grundströmungsgeschwindigkeit überlagerten Geschwindigkeitsschwankungen, sind nach verschiedenen Meßprinzipien arbeitende Aufnehmer bzw. Meßwertumwandler bekannt. Zur Verbesserung der Empfindlichkeit ist es auch bekannt, zwei Aufnehmer zu verwenden, die die an den zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Staukörpers, deren Längskahten parallel zur Strömungsrichtung verlaufen, entstehenden, von den Wirbeln herrührenden Druckschwankungen verarbeiten. Da in der Praxis immer mit Störungen in der Strömung zu rechnen ist, die sich als nichtperiodische bzw. niederfrequente Störsignale den Nutzsignalen überlagern, wird mit einer Differenzschaltung mit zwei Aufnehmern bereits eine ge-

wisse Störgrößenunterdrückung erreicht

Es ist auch bekannt (FR-PS 23 84 238), das periodische elektrische Ausgangssignal eines Meßwertaufnehmers für Durchfluß in zwei parallelen Signalwegen zu verarbeiten. Der eine Signalweg ist einem niederfrequenten, der andere einem höherfrequenten Teilbereich des Gesamtmeßbereichs zugeordnet und mit entsprechend dimensionierten Filtern, Impulsformern und Vergleichern ausgestattet. Über- oder unterschreitet die Frequenz des Aus_feangssignals des Meßwertaufnehmers eine vorgegebene, zwischen den Teilbereichen liegende Grenzfrequenz, so wird mittels einer Schalteinrichtung der eine oder der andere Signalweg eingeschaltet.

Mechanisch-elektrische Aufnehmer für die Druckschwankiingen der Kärmän'schen Wirbelstraße lassen sich jedoch über einen häufig geforderten großen Meßbereich nicht mit dem zu einem ausreichenden Nutz-/Störsignalverhältnis notwendigen Wirkungsgrad betreiben.

Es besteht demgemäß die Aufgabe, die Störgrößenunterdrückung bereits im Aufnehmerkreis mit einfachen Mitteln weiter zu verbessern.

Die Aufgabe läßt sich mit einer Meßeinrichtung der eingangs genannten Art lösen, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind als Merkmale der Unteransprüche angegeben.

Strömt das Fluid, dessen Durchfluß zu messen ist, mit relativ niedriger Geschwindigkeit, bei der kaum strömungsbedingte Störeinflüsse entstehen, so ist allein der für tieferfrequente Druckschwankungen besonders empfindliche Aufnehmer wirksam geschaltet. Bei steigender Strömungsgeschwindigkeit treten vermehrt die insbesondere niederfrequenten oder nichtperiodischen Störeinflüsse auf, die jedoch von dem inzwischen abgeschalteten Aufnehmer für tiefe Frequenzen nicht mehr übertragen werden, wohingegen der oder die Aufnehmer für die Teilbereiche höherer Frequenz für die Störsignale nicht oder kaum empfindlich sind.

Eine derartig ausgestattete Meßeinrichtung kann so für einen großen Meßbereich ausgelegt werden, ohne daß Aufnehmer ausgewechselt oder aufwendige elektronische Schaltungen zur elektronischen Störsignalunterdrückung vorgesehen werden müssen.

Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt und im folgenden beschrieben.

Fig. 1 und 2 zeigen einen Staukörper mit eingebauten Aufnehmern in zwei Schnitten.

F i g. 3 eine Anordnung mit drei Aufnehmern, F i g. 4 eine elektronische Umschalteinrichtung,

F i g. 5 eine mechanisch-elektrische Umschalteinrichtung.

In Fig. 1 ist ein prismatischer Staukörper mit Aufnehmern im Längsschnitt, in F i g. 2 im Querschnitt dargestellt.

Der prismatische Staukörper 1 ist, wie bekannt, mit seiner Längsachse quer zur Strömungsrichtung 5 angeordnet. An zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 2 und 2' des Staukörpers I, die parallel oder in einem kleinen Winkel konvergierend zur Strömungsrichtung verlaufen, sind längliche Kammern 3 und 3' angebracht, die nach außen durch druckbewegliche Membranen 4 und.4' abgeschlossen sind. Die Kammern 3 und 3' sind durch einen Kanal 5 miteinander verbunden und mit einer nichtkpmpressibien Flüssigkeit gefüllt.

Die Membranen 4 und 4' bilden die beweglichen, mit der Wirbelablösefrequenz schwingenden Elektroden von Meßkondensatoren, deren feste Elektroden als isolierte Metallbeläge 6, 6' im Innern der Kammern 3 und 3' angeordnet sind. Diese Meßkondensatoren sind so ausgebildet daß sie besonders für niederfrequente Druckschwankungen empfindlich sind: sie bilden zusammen den Aufnehmer A, für tieferfrequente Druckschwankungen bzw. Wechseldrücke in dem vorgesehenen Meßbereich der Meßeinrichtung. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit sind ihre elektrischen Ausgänge in Differenz geschaltet und geben das Ausgangssignal u, ab.

In dem die Kammern 3 und 3' verbindenden Kanal 5 ist eine Di osselstelle 7 angebracht; in ihr ist eine in einer Radialebene des Kanals 5 aufgespannte und beiderseits von der druckübertragenden Flüssigkeit beaufschlagte Meßmembran 9, vorzugsweise eine Halbleitermembran mit integrierter, dehnungsempfindlicher Meßbrücke angeordnet, die auf einem Isolierring 8 mit Durchbrechungen 8' gelagert ist. Die Meßmembran ^ci hat also keine Trennfunktion, sondern sie und ihre Auflagerung begrenzen räumlich die ringspaltähnliche Drosselsteile 7 gegen den Kanal 5.

Die Meßmernbrän 9 wirkt als Aufnehmer A_n für die höherfrequenten Druckschwankungen im oberen Teil des Meßbereichs.

Zur Wirkungsweise: Die sich beiderseits am Staukörper ablöspnden Wirbel verursachen einen gleichfrequenten Wechsel-Differenzdruck p_a—p& der auf die Membranen 4 und 4' der den Abgriff A, bildenden Meßkondensatoren wirkt und als elektrisches Ausgangssignal υ, verfügbar ist Bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit, also bei niedriger Druckwechselfrequenz, wird die in dem Kanal 5 zwischen den Kammern 3 und 3' befindliche Flüssigkeitssäule über die Drosselstelle 7 verschoben, ohne daß die Meßmembran 9 anspricht. Bei höherer Druckwechselfrequenz wird die träge Flüssigkeitssäule über der Drosselstelle nicht mehr genügend rasch verschoben, und es baut sich ein entsprechender Wechseldruck über der Meßmembran 9 auf und bringt sie zum Ansprechen. Das Ansprechen der f/Ießmpmbran 9 bei höherer Frequenz wird durch das bekannte Anwachsen der Amplitude des Wechsei-Differenzdrukkes m:. der Frequenz zusätzlich unterstützt.

Die elektrischen Ausgangssignale u, des Aufnehmers Ai für tieferfrequente Druckschwankungen und ut, des Aufnehmers Ah für höherfrequente Druckschwankungen werden einer Umschalteinrichtung zugeführt, die unterhalb der aufgrund der Frequenz der Störsignale vorgegebenen Grenzfrequenz den einen und oberhalb dieser Grenzfrequenz den anderen Aufnehmer wirksam schaltet, dessen Ausgangssignale in bekannter Weise in einer Auswerteschaltung aufbereitet werden.

Eine andere Ausführungsform ist in F i g. 3 schematisch dargestellt. Der im Querschnitt gezeigte Staukörper t, d=T ^;.n Pfeilrichtung 5 angeströmt wird, weist in seinen Seitenflächen 2 und 2' wiederum zwei mit Membranen 4 und 4' abg rschlossene, mit einer nirhtkompressiblen Flüssigkeit gefüllte Kammern 3 und 3' auf. Die über die Membranen in die Kammern übertragenen Wechseldrücke p₃ und pb werden über Druckleitungen 10 und 11 aus dem Staukörper und aus dem das Meßfluid führendei! Rohr zu den außerhalb des Rohrs angeordneten Aufnehmern A₁ und Ah geführt. Der im fieferfrequenten Teilbereich des Meßbereichs empfindliche Aufnehmer A, weist eine durch eine druckbewegliche Wand, nämlich eine Meßmembran 12, unterteilte Meßkammer 13 auf, wobei ti<ir eintn Meßkammerhälfte der Wechseldruck p_a, der anderen Meßkammerhälfte der Wechseldruck pb zugeführt ist. Die Meßmembran 12,

deren differenzdruckabhängige Auslenkung von einem hier nicht näher angegebenen, kapazitiven, induktiven oder piezoelektrischen Abgriff in ein elektrisches Ausgangssignal u, umgewandelt wird, ist so ausgebildet, daß sie besonders für niederfrequente Wechseldrücke empfindlich ist.

Der für den höherfrequenten Teilbereich des Meßbereichs empfindliche Aufnehmer A/, besteht aus zwei gleichartigen Meßkammern 15 und 15', in denen Meßmembranen 14 und 14' aufgespannt sind, die einerseits von dem Wechseldruck p₃ bzw. p* direkt, auf der anderen Seite über die hydraulische Verzögerungsleitung 17 zeitverzögert beaufschlagt werden. Die mit Hilfe der beiden Meßmembranen 14 und 14' des Aufnehmers Ah erzeugten elektrischen Ausgangssignale Ui und U₂ werden in Differenz geschaltet und bilden das Ausgangssignal Uh-

Zur Wirkungsweise: Die mit der Wirbelablösefre-

ππρητ crhu/inopnrlpn Mpmhranpn 4 und 4' im Stnnknr-

per 1 erzeugen in dem mit der nichtkompressiblen Flüssigkeit gefüllten Aufnehmer-System um 180° phasenverschobene Wechseldrücke p_a und pb, die, wie oben bereits beschrieben, eine periodische Auslenkung der Meßmembran 12 im Aufnehmer A, und ein entsprechendes Ausgangssignal u, hervorrufen. Bei Wechseldrücken p_a und pb niedriger Frequenz werden die Meßmembranen 14 und 14' in den Meßkammern 15 und 15' nicht ausgelenkt, es entsteht kein Signal Uh. Erst bei höherfrequenten Wechseldrücken werden infolge der Laufzeitverzögerung die Meßmembranen 14 und 14' periodisch ausgelenkt und das der Druckdifferenz p_a— Pb entsprechende Signal u_h gebildet.

Die Ausgangssignale Ut, und u, der Aufnehmer A_h und A, werden einer Umschalteinrichtung zugeführt, wie sie beispielsweise in Fig.4 dargestellt ist.Sie enthält einen Frequenz-Spannungs-Umsetzer 18, der eine frequenzproportionale Spannung abgibt. Auf ihn folgt ein Schmitt-Trigger 19, dessen Schwellenspannung so eingestellt ist, daß sie der einer Grenzfrequenz zwischen den tiefer- und höherfrequenten Teilbereichen des Meßbereichs entsprechenden Spannung entspricht. Liegt die Frequenz der von den Aufnehmern A₁ und Ah gelieferten Signale unterhalb dieser Grenzfrequenz, so führt der Ausgang des Schmitt-Triggers 19 ein Signal, welches einen elektronischen Schalter 20 steuert, der das Ausgangssignal u, des Aufnehmers A₁ für den tieferfrequenten Teilbereich auf einen Meßverstärker 21 schaltet.

Oberhalb der mit der Schwellenspannung des Schmitt-Triggers 19 einstellbaren Grenzfrequenz führt dieser kein Ausgangssignal, mittels des invertierenden Glieds 22 wird im Schalter 20 das Ausgangssignal U/, des Aufnehmers Ah für den höherfrequenten Teilbereich auf den Meßverstärker 21 geschaltet

In F i g. 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer elektromechanischen Umschalteinrichtung dargestellt Sie wird von dem mit der Wirbelablösefrequenz kontierenden statischen Druckabfall am Staukörper gesteuert.

Dazu wird, wie in F i g. 3 angedeutet, vor dem Staukörper 1 an der Rohrwand der Staudruck p+, hinter dem Staukörper der niedrigere Staudruck p_ abgegriffen.

In einem Zylinder 23 ist ein Stellkolben 24 beweglich angeordnet, der von der einen Seite her mit dem Druck P₊, von der anderen Seite her mit dem Druck p_ beaufschlagt ist Auf die vom Druck p_ beaufschlagte Seite des Stellkolbens 24 wirkt noch eine Feder 25. Am Umfang des Stellkolbens 24 ist ein Permanentmagnet 26 angeordnet, der durch die Zylinderwand mit einem magnetfeldempfindlichen Schaltelement 27, beispielsweise einem Reed-Kontakt, zusammenwirkt.

Zur Wirkungsweise: Die statischen Drücke p+ und p_ wachsen mit dem Quadrat der Wirbelfrequenz. Der auf den Stellkolben wirkende Differenzdruck p+—pdrückt diesen gegen die Kraft der Feder 25 nach oben. Der Permanentmagnet 26 betätigt das Schaltelement 27, das an der Zylinderwand in einer Höhe angebracht ist, die der Stellung des Stellkolbens 24 bei einer der Grenzfrequenz entsprechenden statischen Druckdifferenz entspricht. Das als Umschalter ausgebildete Schaltelement 27, an dessen Eingängen die A.usgangssignale u, bzw. iih der in den tiefer- bzw. höherfrequenten Teilbereichen empfindlichen Aufnehmer A, und Ah liegen, schaltet jeweils eines dieser Signale auf eine folgende Auswerteschaltung.

Bekanntlich hat eine Übertragungsleitung für einen Wechseldruck eine Sperrwirkung für tiefe Frequenzen.

wenn die Leitung seitlich angebohrt ist und die Länge der Querbohrung von mindestens der gleichen Größenordnung wie ihr Durchmesser und mit Abstand kleiner als ein Viertel der Wellenlänge der Druckwellen bei der höchsten Übertragungsfrequenz ist.

Bei einer Meßanordnung gemäß F i g. 3 mit außerhalb der Rohrleitung liegenden Aufnehmern können die druckführenden Leitungen 10 und 11 so ausgebildet werden, <iaß sie als Hochpaß wirken.

Falls es notwendig wird, auch die geringe Empfindlichkeit am Anfang des Meßbereichs des Aufnehmers für den höherfrequenten Teilbereich zu unterdrücken, kann ebenfalls von dieser MögUchkeit Gebrauch gemacht werden, indem bei einer mechanisch-elektrischen Umschalteinrichtung nach F i g. 5 Teile der Druckleitungen 10 und 11 in einer Stirnseite des Zylinders 23 parallel zu einem Durchmesser verlaufen und mit zur Zylinderachse parallelen Querbohrungen 28 versehen sind, die die der gewünschten Sperrwirkung entsprechenden Abmessungen aufweisen und in der Stirnfläche eines zylindrischen Raums 29 münden. In diesem ist ein kolbenartiger Ventilkörper 30 bewegbar, dessen Stirnfläche in der unteren Endlage die Querbohrungen 28 verschließt

Eine mit dem Stellkolben 24 verbundene Mitnehmerstange 31 ragt in das Innere des hohlen, koaxial angeordneten, kolbenartigen Ventilkörpers 30 und wirkt mit einer plattenförmig ausgebildeten Stirnfläche über eine Feder 32 kraftschlüssig auf den Boden des Ventilkörpers 30. Die Länge der Mitnehmerstange 31 und die Höhe des hohlen Innenraums des Ventilkörpers 30 sind so aufeinander abgestimmt, daß ab einer bestin.>nten Stellung des Stellkolbens 24 und damit in Abhängigkeit von einer bestimmten Wirbelablösefrequenz der Ventilkörper 30 von der Mitnehmerstange 31 mitgenommen wird und die Querbohrungen 28 öffnet Die von den Wechseldrücken p_a und pb beaufschlagten Druckleitungen 10 und 11 wirken als Hochpaß und übertragen nur noch Wechseldrücke höherer Frequenz.
Auf diese Weise ist eine weitere Variation der Grenzfrequenz möglich, ohne andere Aufnehmer verwenden zu müssen. Es ist damit auch möglich, unter Weglassung der elektrischen Umschalteinrichtung nur einen einzigen Aufnehmer zu verwenden, beispielsweise in der Art des Aufnehmers A₁ in F i g. 3, dem ab einer bestimmten Frequenz nur noch die frequenzmäßig darüberliegenden Wechseldrücke p_a und pb zugeführt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Meßeinrichtung nach dem Prinzip der Kärman'schen Wirbelstraße mit einem in einem Rohrabschnitt quer zur Strömungsrichtung angeordneten Staukörper und mit Aufnehmern zur Umwandlung der von den Wirbeln erzeugten periodischen Druckschwankungen in frequenzanaloge elektrische Signale, mit zwei parallelen Signalwegen, von denen der eine einem niederfrequenten, der andere einem höherfrequenten Teilbereich des Gesamtmeßbereichs zugeordnet ist und einer Umschalteinrichtung, die in Abhängigkeit von der Wirbelfrequenz oder mit ihr korrelierender Größen bei Erreichen einer vorgebbaren Grenzfrequenz zwischen den Teilbereichen den zugeordneten Signalweg wirksam schaltet, gekennzeichnet durch mindestens zwei Aufnehmer (A,, Ah), die so aufgebaut bzw. so angeordnet %s&d, daß einer in einem tieferfrequenten, ein anderer in einem höherfrcquentcn Teilbereich des Meßbereichs seine größte Empfindlichkeit hat und deren Ausgangssignale die parallelen Signalwege speisen.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei gegenüberliegenden Seitenflächen (2, 2') des Staukörpers (1) Kammern (3, 3') angebracht sind, die nach außen durch Membranen (4, 4') abgeschlossen, mit einer nichtkompressiblen Flüssigkeit gefüllt und über einen Kanal (5) miteinander verb: nden sind, und daß in den Kammern (3, 3') Mittel zum Abgriff der Auslenkungen der mit der Wirbelablösefrequenz schwingenden Membranen (4,4') vorgesehen sind «;nd rrit diesen den Aufnehmer (A₁) für tieferfrequente V/echseldrücke bilden und daß in dem die Kammern (3,3') verbindenden Kanal (5) eine Drosselstelle (7) angebracht ist, in der eine in einer Radialebene aufgespannte, beiderseits von der druckübertragenden Flüssigkeit beaufschlagte Meßmembran (9) als Aufnehmer (Ah) für höherfrequente Wechseldrücke ausgebildet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen (2, 2') des Staukörpers (1) abgenommenen, um ca. 180° phasenverschobenen Wechseldrücke (p_a, pt,) eine als Aufnehmer (A₁) für tiefe Frequenzen ausgebildete und in einer ersten Meßkammer (13) befindliche Meßmembrane (12) beiderseits beaufschlagen, mit Hilfe derer ein elektrisches Ausgangssignal (u,) erzeugt wird, und daß jeder der Wechseldrücke (p_a, pb) jeweils einer weiteren, zweiten und dritten, Meßkammer (15,15') zugeführt ist, in der jeweils eine Meßmembran (14,14') auf einer Seite direkt, auf der anderen Seite verzögert druckbeaufschlagt ist, und daß die mittels der zweiten und dritten Meßmembran (14, 14') erzeugten Ausgangssignale (u\, Ü2) in Differenz geschaltet das Ausgangssignal (Uh) des Aufnehmers (Ah) für höherfrequente Druckschwankungen bilden.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale (uh, Ut) der Aufnehmer (A,, Ah) einem Frequenz-Spannungs-Wandler (18) zugeführt sind, auf den ein Schmitt-Trigger (19) folgt, dessen Schwellenspan' nung einer Grenzfrequenz zwischen den tiefer- und höherfrequenten Teilbereichen des Meßbereichs entsprechend eingestellt ist und dessen Ausgangssignal einen elektronischen Schalter (20) zur wechselweisen Aufschaltung der Aufnehmerausgangssignale (u,, Uh) auf einen Meßverstärker (21) steuert.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung aus einem Zylinder (23) besteht, in dem ein federbelasteter, beweglicher Stellkoiben (24) einerseits von dem vor dem Staukörper (1) herrschenden statischen Druck (p+), andererseits von dem hinter den. Staukörper (1) herrschenden statischen Druck (p-) beaufschlagt ist,

und daß ein am Kolbenumfang angebrachter Permamentmagnet (26) mit einem magnetfeldempfindlichen Schaltelement (27) zusammenwirkt, das außen an der Zylinderwand in einer Höhe angebracht ist, die der Stellung entspricht, die der Stellkoiben bei einem der Gre.izfrequenz entsprechenden Differenzdruck (p₊ —p-) gegen die Federbelasti-ng einnimmt.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die auf beiden Seiten (2,2') des Staukörpers (1) abgenommenen Wechseldrücke (p_a, pb) übertragenden Leitungen (10,11) mit verschließbaren Querbohrungen (28) versehen sind, deren Länge von mindestens der gleichen Größenordnung wie ihr Durchmesser und kleiner als ein Viertel der Wellenlänge der Druckwellen bei der höchsten Meßfrequenz ist

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stirnfläche des Zylinders (23) zu einem Durchmesser parallel Teiistükke der Leitungen (10, 11) verlaufen und die Querbohrungen (28) in der Stirnfläche eines zylindrischen Raums (29) münden und von einem darin beweglichen, kolbenartigen Ventilkörper (30) verschließbar sind und daß der Ventilköf per (30) von einem in ihm beweglichen, mit dem Stellkoiben (24) verbundenen Mitnehmer (31) betätigbar ist