DE2847835A1

DE2847835A1 - Mit karmanscher wirbelstrasse arbeitender stroemungsmesser

Info

Publication number: DE2847835A1
Application number: DE19782847835
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Asayama; Teruki Fukami; Masami Kabuto; Kuniteru Okuda; Shunichi Wada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Oval Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Oval Engineering Co Ltd
Priority date: 1977-11-04
Filing date: 1978-11-03
Publication date: 1979-05-10
Also published as: DE2858092C2; US4392385A; FR2408119B1; DE2858091C2; FR2408119A1; US4380934A

Description

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha und 3, NOV. 1978

Oval Engineering Co., Ltd.
Tokio, Japan

Mit Karmanscher Wirbelstraße arbeitender Strömungsmesser

Die Erfindung betrifft einen mit Karmanscher Wirbelstraße arbeitenden Strömungsmesser mit einer von einem zu messenden Strömungsmittel durchströmten Leitung, einem in der Leitung senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten Wirbelerzeuger-Element zur Erzeugung der Karmanschen Wirbelstraße an seiner Stromab- bzw. Rückseite und einem an der Leitung angeordneten Wirbeldetektor, der mittels einer Ultraschallwelle die Zahl der pro Zeiteinheit in der Karmanschen Wirbelstraße entstehenden Wirbel mißt.

Die Karmansche Wirbelschleppe bzw. -straße ausnützende Strömungsmesser verwenden einen Wirbelerzeugerstab, der in ein eine Leitung durchströmendes Strömungsmittel senkrecht zu dessen Strömungsrichtung eingesetzt ist, um stromab bzw. hinter diesem Stab eine Karmansche Wirbelschleppe bzw. -straße entstehen zu lassen, die mittels Ultraschallwellen gemessen bzw. abgegriffen wird, um auf diese.Weise die Strömungs- oder Durchsatzmenge des Strömungsmittels zu bestimmen. Für die Messung der Karmanschen Wirbelstraße wurde bereits vorgeschlagen, einen Ultraschallsender und einen -empfänger an der von dem zu messenden Strömungsmittel durch-

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strömten Leitung einander unmittelbar gegenüberliegend anzuordnen, so daß die vom Sender oder Strahler ausgestrahlte Ultraschallwelle durch die Wirbel der Karmanschen Wirbelstraße moduliert und dann vom Ultraschallempfänger abgenommen wird. Dabei breitet sich die Ultraschallwelle durch das die Leitung durchströmende Strömungsmittel hindurch aus, bis· sie nicht nur den Empfänger, sondern auch den dem Sender gegenüberliegenden Teil der Leitungswand erreicht. Die Ultraschallwelle wird dann von der Leitungs-Innenwandflache reflektiert, so daß sie mit der vom Sender ausgehenden Ultraschallwelle interferiert und eine stehende Ultraschallwelle entstehen läßt. Andererseits kann die Ultraschallwelle einige Male von der Innenwandfläche der Leitung reflektiert und dann als Störsignal vom Ultraschallempfänger abgenommen werden, was zu dem Nachteil führt, daß keine stabile Messung möglich ist. Insbesondere dann, wenn die Strömungsmenge von Luft gemessen werden soll, breitet sich die Ultraschallwelle mit einer lufttemperaturabhängig stark variierenden Geschwindigkeit in der Luft aus. Wenn die betreffende Ultraschallwelle keine konstante Frequenz besitzt, ist diese Änderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit mit einer Änderung ihrer Wellenlänge verbunden. Dies führt zu dem Nachteil, daß sich bei einer bestimmten Temperatur der Luft eine stehende Ultraschallwelle bildet, so daß der Empfänger die vom Sender abgestrahlte Ultraschallwelle nicht mehr normal abnehmen kann.

Da sich die vom Sender abgestrahlte Ultraschallwelle mit der beschriebenen Ausdehnung durch das strömende Strömungsmittel hindurch ausbreitet, ist die lange Strecke zwischen Ultraschallsender und -empfänger insofern nachteilig, als ein vom Empfänger abgenommenes Ultraschallsignal nicht nur schwach ist, sondern auch mit dem Strömungsmittel driftet und dadurch gedämpft wird.

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Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines verbesserten und zweckmäßigen Strömungsmessers unter Ausnützung einer Karmanschen Wirbelstraße zur Messung der Strömungs- oder Durchsatzmenge eines Strömungsmittels über einen weiten Bereich von niedriger bis zu höherer Temperatur hinweg.

Diese Aufgabe wird bei einem Strömungsmesser der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel zur Verhinderung einer Reflexion der Ultraschallwelle in der Leitung vorgesehen sind.

Ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die eine Reflexion verhindernden Mittel ein schallabsorbierendes Material zum Absorbieren und Dämpfen zumindest der an der Innenwand der Leitung entstehenden Ultraschallwellen umfassen.

In vorteilhafter Ausgestaltung kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß der Wirbeldetektor einen Ultraschallstrahler bzw. -sender und einen Ultraschallempfänger aufweist, die einander unmittelbar gegenüberliegend an der Leitung angeordnet sind, und dadurch, daß die eine Reflexion verhindernden Mittel weiterhin ein kombiniertes Ablenk- und Reflektorelement im Ultraschallempfänger umfassen, welches eine unmittelbare Reflexion der vom Ultraschallsender abgestrahlten Ultraschallwelle zu diesem zurück verhindert.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 einen teilweise in Blockschaltbildform gehaltenen Teillängsschnitt durch einen Strömungsmesser mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen

Querschnitt durch den Ultraschallempfänger gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer

abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer

weiter abgewandelten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 6 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 5.

In den Figuren sind - mit Ausnahme von Fig. 2 - gleiche Teile mit jeweils denselben Bezugsziffern bezeichnet.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine Leitung 10 mit einem schallabsorbierenden Material 12 ausgekleidet, welches Ultraschallwellen absorbiert und dämpft. Ein zu messendes Strömungsmittel durchströmt dabei die Leitung 10 in Richtung des Pfeils. Das schallabsorbierende Material 12 bildet die Innenwand der Leitung Beispiele für solche Materialien sind Vliesstoffe, Glaswolle, Polyäthylenschaum', Styrolschaum, Kunstleder usw.

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Senkrecht zur Strömungsrichtung ist in der Leitung 10 ein Wirbelerzeuger-Stab 14 mit einem Querschnitt in Form eines regelmäßigen Dreiecks so befestigt, daß seine eine Seite stromauf bzw. vor seiner Längsachse senkrecht zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels liegt. Der Wirbelerzeuger-Stab 14 erzeugt somit an seiner Rückseite eine Kar- · mansche Wirbelstraße 16.

Unmittelbar stromab des Wirbelerzeuger-Stabs 14 ist ein Ultrastrahler bzw. -sender 18 angeordnet, dessen Abstrahlfläche bündig mit der Innenfläche des schallabsorbierenden Materials 12 bzw. der Innenwandfläche der Leitung 10 abschließt und unmittelbar mit dem Strömungsmittel in Berührung steht. Der Sender 18 ist mit einem Ultraschall-Oszillator 20 verbunden. Dem Ultraschallsender 18 unmittelbar gegenüberliegend ist an der Leitung ein Ultraschallempfänger 24 vorgesehen, dessen Empfangsfläche ebenfalls bündig mit der Innenwandfläche der Leitung 10 abschließt und mit dem Strömungsmittel in Berührung steht. Der Empfänger 22 ist mit einem Ultraschallempfänger-Gleichrichter 24 verbunden.

Der Ultraschallempfänger 22 besitzt vorzugsweise die Konstruktion gemäß Fig. 2. Der Ultraschallempfänger 22 gemäß Fig. 2 umfaßt eine elektrisch isolierende Grundplatte 30, mehrere Tragzapfen 32 (von denen nur zwei dargestellt sind) aus einem elastischen Material, wie Gummi, die von der Grundplatte 3O nach oben abgehen, und einen Zweielement-Ultraschallschwinger 34, der von den Tragzapfen 32 getragen wird. Ein trichterförmiger Hohlkegel 36 ist mit seiner Spitze mit der die Ultraschallwellen aufnehmenden Fläche des Ultraschallschwingers 34 verbunden. Der Kegel 36 bildet einen Resonator für die verwendete Ultraschallwelle, wobei er als

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kombiniertes Ablenk- und Reflektionselement wirkt. Der Schwinger 34 ist mit dem Ultraschall-Gleichrichter 24 (Fig. 1) über zwei Elektroden 38 verbunden, welche die Grundplatte 30 unter Abdichtung durchsetzen.

Die vorstehend beschriebene Anordnung ist in einem Gehäuse 40 untergebracht, in dessen offenes Ende die Grundplatte 30 unter Abdichtung eingesetzt ist, so daß der üitraschallempfänger fertiggestellt ist. Der Resonator 36 weist mit seiner den größeren Durchmesser besitzenden End- bzw. Stirnfläche zu einer am anderen bzw. geschlossenen Ende des Gehäuses 42 befindlichen Ultraschall-Empfangsflache hin.

Im Betrieb der Vorrichtung strömt das zu messende Strömungsmittel, z.B. Luft, durch das Innere der Leitung 10 in Richtung des Pfeils gemäß Fig. 1, wobei der Wirbelerzeuger-Stab 14 das fließende Strömungsmittel teilweise behindert, so daß an seiner Stromabseite eine Karmansche Wirbelstraße 18 entsteht. Der Ultraschallsender 18 wird dabei durch den Ultraschall-Oszillator 20 angesteuert, so daß er senkrecht zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels und zum Ultraschallempfänger 22 hin eine Ultraschallwelle aussendet. Während sich die Ultraschallwelle durch das Strömungsmittel hindurch ausbreitet, wird sie durch die Wirbel der Karmanschen Wirbelstraße moduliert und dann vom Ultraschallempfänger 22 abgenommen, um in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt zu werden* das dem Ultraschallempfänger-Gleichrichter 24 eingespeist wird, welcher die pro Zeiteinheit erzeugten Wirbel der Karmanschen Wirbelstraße mißt und dabei in an sich bekannter Weise die Strömungs- bzw. Durchsatzmenge des Strömungsmittels bestimmt.

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Die vom Sender 18 ausgestrahlte Ultraschallwelle breitet sich somit durch das strömende Strömungsmittel hindurch aus, während sie sich in diesem ausdehnt. Die Ultraschallwelle erreicht somit nicht nur den Ultraschallempfänger 22, sondern auch den daneben befindlichen Teil der Innenwandfläche der Leitung 10. Da jedoch diese Innenwandfläche aus einem schallabsorbierenden Material 12 besteht, wird die Ultraschallwelle von dieser Innenwand nicht reflektiert. Auf diese Weise kann eine stabile Messung erzielt werden, ohne daß reflektierte Ultraschallwellen und infolge dieser eine stehende Ultraschallwelle auftreten.

Ersichtlicherweise braucht das schallabsorbierende Mate- · rial 12 nur an dem Teil der Innenfläche der Leitung 10 angebracht zu werden, auf den die Ultraschallwelle auftrifft. Die Ultraschallwelle soll nämlich nur an einer Interferenz mit reflektierten Ultraschallwellen gehindert werden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4 umfaßt eine Leitung mit einem rechteckigen Querschnitt, die in zwei parallele Leitungsabschnitte 10 und 50 unterteilt ist. Dabei enthält nur der Leitungsabschnitt 10 die Bauteile 12, 14, 16, 18, 20 und 22 wie in Fig. 1, während an seinem Einlaßende ein Gleichrichter 26 angeordnet ist.

Die Strömungs- bzw. Durchsatzmenge des die Leitung 10 durchströmenden Strömungsmittels wird auf die vorher in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene Weise gemessen, worauf die Gesamtstromungsmenge des Strömungsmittels in beiden Leitungsabschnitten 10 und 50 anhand der gemessenen Strömungsmenge bestimmt werden kann.

Die Ausfuhrungsform gemäß Fig. 3 und 4 bietet gegenüber derjenigen nach Fig. 1 den Vorteil, daß bei ersterer der

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Abstand zwischen dem Ultraschallsender 18 und dem Ultraschallempfänger 22 verkleinert ist, so daß eine schwache Ultraschallwelle angewandt werden kann. Außerdem kann die Menge des schallabsorbierenden Materials 12 aufgrund der Verkleinerung der Fläche verringert werden, auf welcher die eingesetzte Ultraschallwelle die Innenwandfläche des Leitungsabschnitts 10 erreicht.

Gewünschtenfalls kann die Leitung in mehr als zwei Leitungsabschnitte unterteilt sein, von denen nur einer im wesentlichen den Aufbau gemäß Fig. 1 zu besitzen braucht.

Die Ausführungsform nach Fig. 5 unterscheidet sich nur darin von derjenigen gemäß Fig. 1, daß bei ersterer die Leitung 10 am stromabseitigen Ende in ein erweitertes Rohr 52 mit einem größeren Querschnitt als dem der Leitung 10 übergeht.

Bisher mußte die Leitung 10 einen geradlinigen Rohrabschnitt aufweisen, der sich vom Wirbelerzeuger-Stab 14 in Stromabrichtung über eine Strecke L (vergleiche Fig. 5) erstreckt, die mindestens dem 5fachen der Querabmessung bzw. des Durchmessers D (Fig.5 ) entspricht. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 entspricht dagegen diese Strecke L dem doppelten oder weniger des Durchmessers D. Hierdurch ergibt sich eine Verkleinerung der Gesamtabmessung des Strömungsmessers.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 kann die vom Sender abgestrahlte Ultraschallwelle ersichtlicherweise die Innenwand des erweiterten Rohrs 52 erreichen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die von der Innenwand des erweiterten Rohrs

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reflektierte Ultraschallwelle nahezu vollständig ausschwingt, bevor sie in die Leitung 10 eintritt und den Ultraschallempfänger 22 erreicht. Das erweiterte Rohr 52 hat somit keinen ungünstigen Einfluß auf die Messung der Strömungsmenge .

Wenn das erweiterte Rohr 52 im Anschluß an den gerade verlaufenden Abschnitt der Leitung 10 abgebogen sein soll, wird sein abgebogener Abschnitt, wie bei A in Fig. 6 angedeutet, mit einer unregelmäßig gewellter Innenfläche versehen. Diese Unregelmäßig gewellte Innenwandfläche bewirkt eine diffuse Reflexion der auf sie auftreffenden Ultraschallwelle, so daß die von der Innenwand des erweiterten Rohrs 52 reflektierte Ultraschallwelle an einem unmittelbaren Auftreffen auf den Ultraschallempfänger 22 gehindert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Strömungsmesser unter Ausnützung der Karmanschen Wirbelstraße wird somit ersichtlicherweise eine Reflexion der abgestrahlten Ultraschallwelle von einer Innenwand eir\er Leitung verhindert, so daß auch die Entstehung einer s-fcehenden Ultraschallwelle aufgrund der Reflexion der Ultraschallwelle innerhalb der Leitung verhindert wird.

Der Ultraschallempfänger gemäß Fig. 2 ist außerdem insofern vorteilhaft, als der umgekehrt kegelförmige Resonator die ihn beaufschlagende Ultraschallwelle vom Sender unter Streuung reflektiert, aber nicht unmittelbar zum Sender zurückwirft, so daß wiederum die Bildung einer stehenden Ultraschallwelle verhindert wird, die mit der Ultraschallwelle vom Sender interferieren könnte.

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Der umgekehrt kegelförmige Resonator 36 gewährleistet somit im Zusammenwirken mit dem schallabsorbierenden Material 12 eine genauere Messung der Strömungs- bzw. Durchsatzmenge.

Wahlweise kann die gesamte Leitung bzw. der betreffende Leitungsabschnitt aus dem beschriebenen schalläbsorbierenden Material bestehen. Ebenso braucht auch der Resonator 36 nicht unbedingt die Form eines umgekehrten Hohlkegels zu besitzen, vielmehr kann er unregelmäßig gewellt oder keilförmig ausgebildet sein, so daß er die auftreffende Ultraschallwelle diffus reflektiert. Weiterhin ist es möglich, unter Weglassung des kegelförmigen Resonators vor dem Ultraschallsender und -empfänger jeweils ein geeignetes Maschengitter anzuordnen.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung somit ein Strömungsmesser geschaffen, bei dem ein Strömungsmittel eine mit einem ultraschallabsorbierenden Material ausgekleidete Leitung durchströmt. In die Leitung ist senkrecht zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels ein Wirbelerzeuger-Stab eingesetzt, an dessen Stromab- bzw. Rückseite sich eine Karmansche Wirbelstraße bildet. Eine vom Ultraschallsender unmittelbar stromab bzw. hinter diesem Stab ausgestrahlte Ultraschallwelle wird durch die Karmanschen Wirbel moduliert. Die modulierte Ultraschallwelle wird von einem dem Sender unmittelbar gegenüberliegend an der Leitung angeordneten Ultraschallempfänger abgenommen. Die abgenommene Ultraschallwelle stellt ein Maß für die Zahl der pro Zeiteinheit erzeugten Wirbel und daher für die Strömungsmenge oder -geschwindigkeit des Strömungsmittels dar.

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Leerseite

Claims

Henkel, Kern, Feiler Sr Hinzu* Patent a η walte

aistered Representatives before the European Patent Office

Möhlstraßö 37 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha und 6-8000 München

Oval Engineering Co., Ltd., Tel-089/982085-87

ex: 0529802 hr egramme: ellips

3. Nov. 1978

«pniH ο Tanan ^Telex: 0529802 hnkl d

Tokxo, Japan Telegramme: ellipsoid

case 4349

Patentansprüche

Λ .) Mit Karmanscher Wirbelstraße arbeitender Strömungsmesser mit einer von einem zu messenden Strömungsmittel durchströmten Leitung, einem in der Leitung senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten Wirbelerzeuger-Element zur Erzeugung der Karmanschen Wirbelstraße an seiner Stromab- bzw. Rückseite und einem an der Leitung angeordneten Wirbeldetektor, der mittels einer Ultraschallwelle die Zahl der pro Zeiteinheit in der Kärmanschen Wirbelstraße entstehenden Wirbel mißt,

dadurch gekennzeichnet,

daß Mittel (12, 36) zur Verhinderung einer Reflexion der Ultraschallwelle in der Leitung (10) vorgesehen sind.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Reflexion verhindernden Mittel ein schallabsorbierendes Material (12) zum Absorbieren und Dämpfen zumindest der an der Innenwand der Leitung (10) entstehenden Ultraschallwellen umfassen.

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3. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schallabsorbierende Material (12) ein Vliesmaterial ist.

4. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schallabsorbierende Material (12) Glaswolle ist.

5. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schallabsorbierende Material (12) ein Werkstoff wie Styrol- oder Polyäthylenschaum ist.

6. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schallabsorbierende Material (12) Kunstleder ist.

7. Strömungsmesser nach Anspruch 2, wobei der Wirbeldetektor einen Ultraschallstrahler bzw. -sender und einen ültraschallempfänger aufweist, die einander unmittelbar gegenüberliegend an der Leitung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Reflexion verhindernden Mittel weiterhin ein kombiniertes Ablenk- und Reflektorelement (36) im ültraschallempfänger (22) umfassen, welches eine unmittelbare Reflexion der vom ültraschallsender (18) abgestrahlten Ultraschallwelle zu diesem zurück verhindert.

8. Strömungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer in mehrere parallele, von dem zu messenden Strömungsmittel durchströmte Leitungsabschnitte unterteilten Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß nur einer der Leitungsabschnitte (10) den Aufbau nach Anspruch 1 besitzt.

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9. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (10) am stromabseitigen bzw. hinteren Ende mit einem erweiterten Rohr (52) verbunden ist, dessen Querschnittsmaß größer ist als dasjenige der Leitung (10).

10. Strömungsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erweiterte Rohr (52) einen Biegungsabschnitt mit einer unregelmäßig gewellten Innenwand (A) aufweist.

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