DE2858091C2

DE2858091C2 - Anordnung zur Messung des Strömungsmitteldurchsatzes durch eine Leitung

Info

Publication number: DE2858091C2
Application number: DE2858091A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Asayama; Teruki Machida Tokio/Tokyo Fukami; Masami Takasago Hyogo Kabuto; Kuniteru Tama Tokio/Tokyo Okuda; Shunichi Himeji Hyogo 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: 1985-01-17
Also published as: FR2408119A1; US4392385A; US4380934A; DE2858092C2; DE2847835A1; FR2408119B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung tür Messung des Strömungsmitteldurchsatzes durch eine Leitung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 3.

Eine derartige Anordnung ist aus der US-PS 31 757 bekannt. Diese bekannte Anordnung dient ebenfalls zur Messung des Strömungsmitteldurchsatzes durch eine Leitung und umfaßt ein in dieser Leitung sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Element in Form eines Querstabes zur Erzeugung einer Karman'schen Wirbelstraße an der Stromtübseite dieses Elementes sowie einen Wirbeldetcktor, der aus einem an der Leitung angeordneten Ultraschall:t:nder und einem gegenüberliegend an der Leitung angeordneten Ultraschiillcmpfüngcr besteht. Der Wirbeldetektor dient zur Messung der Zahl der pro Zeiteinheit in der Karman'schen Wirbclstrußc entstehenden Wirbel. Zur Verhinderung einer Reflexion der vom Lltraschallsen der ausgestrahlten Ultraschallwellen zurück zum Ultraschallsender sind dort die einander zugewandten Oberflächen des Ultraschallsenders sowie des Ultraschallempfängers jeweils kegelförmig ausgebildet, wobei die Kegelspitzen jeweils in das Leitungsfnnere hineinragen. Zur Verhinderung von Reflexionen der vom Ultraschallsendcr ausgestrahlten Ultraschallwellen zurück zum Ultraschallsender benötigt man bei dieser üekannten Anordnung somit speziell geformte piezoelektrische

ίο Wandler. Dabei muß darauf geachtet werden, daß die kegelförmigen Oberflächen sehr genau bearbeitet und exakt zueinander ausgerichtet bzw. in den Leitungswänden der Leitung positioniert sind. Nur dann ist gewähr-■eistet, daß die vom Ultraschallempfänger reflektierten

Ultraschallwellen nicht zum Ultraschallsender zurück

reflektiert werden. Die bekannte Anordnung ist daher in der Herstellung und Montage relativ aufwendig, da auf höchste Präzision geachtet werden muß.

Ferner kann bei der bekannten Anordnung nicht ver-

hindert werden, daß durch die von der dem Sender gegenüberliegenden Leitungswand reflektierten Ultraschallwellen Interferenzen auftreten. Zur Verhinderung einer Reflexion von Ultraschallwänden an der dem Ultraschallsender gegenüberliegenden Leitungswand sind bei der bekannten Anordnung keinerlei Maßnahmen getroffen. Dabei ist i-j beachten, daß die Ultraschallwellen einige Male von der Innenwandfläche der Leitung reflektiert und dann als Störsignal vom Ultraschallempfänger abgenommen werden können. Dieser Effekt kann insbesondere dann auftreten, wenn der Durchsatz von Luft gemessen werden soll, da sich die Ultraschallwellen in Luft mit einer von der Lufttemperatur stark abhängigen Geschwindigkeit ausbreiten. Wenn die Ultraschallwelle keine konstante Frequenz besitzt, ist die

Änderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit mit einer Änderung ihrer Wellenlänge verbunden. Dies führt dann dazu, daß sich bei einer bestimmten Temperatur der Luft eine stehende Ultraschall ?!le bildet, so daß der Ultraschallempfänger die vom Ultraschallsender abgestrahlte Ultraschallwelle nicht mehr normal abnehmen kann.

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

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach im Aufbau und in der Montage ist und die sich trotz eines geringen Aufwandes durch eine äußerst genaue Messung der Durchsatzmenge eines Strömungs- mittels über einen weiten Temperaturbereich bei temperaturabhängig stark variierenden Strömungsgeschwindigkeiten auszeichnet, wobei die Anordnung für eine effektive Ausschaltung von Rückstrahlungs- und Interferenzeffekten der ausgestrahlten Ultraschallwel-

bo len sorgt.

Diese Aufgabe wird gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dadurch gelöst, daß die die Reflexion verhindernden Mittel weiterhin ein Ablcnk- und Reflcktorclcmcnl im Ullraschallcmpfiingcr umfassen,

hi das in Form eines sich in Richtung /um Ultraschallscndcr hin öffnenden Hohltrichters ausgebildet ist.

In Weiterbildung der crfindungsgcmäßcn Anordnung ist vorgesehen, daß der Hohllrichicr kegelförmig, ge-

wellt oder keilförmig ausgebildet ist

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht die Lösung darin, daß die Reflexion verhindernden Mittel weiterhin jeweils ein Ablenk- und ein Reflektorelement in Form eines Maschengitters vor dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger aufweisen.

Die Erfindung schafft somit eine einfach aufgebaute Anordnung zur Messung des Strömungsmitteldurchsatzes durch eine Leitung. Diese erfindungsgemäße Anordnung arbeitet sehr genau und ist temperaturunabhängig von den Eigenschaften des Strömungsmittels.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 einen teilweise in Blockschaltbildform gehaltenen Teillängsschnitt durch einen Strömungsmesser; und in

Fig.2 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Querschnitt durch den Ultraschallempfänger gemäß F i g. 1 mit Merkmalen nach der Erfindung.

Bei dem in Fi g. 1 dargestellten Strömungsmesser ist eine Leitung 10 mit einem schallabsorbierenden Material 12 ausgekleidet, das Ultraschallwellen absorbiert und dämpft. Ein zu messendes Strömungsmittel durchströmt dabei die Leitung 10 in Richtung der Pfeile. Das schallabsorbierende Material 12 bildet die Innenwand der Leitung 10. Beispiele für solche Materialien sind Vliesstoffe, Glaswolle, Polyethylenschaum, Styrolschaum, Kunstleder usw.

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 Strömungsrichuing des Strömungsmittels liegt. Der Wirbelerzeuger-Stab 14 erzeugt somit an seiner Rückseite eine Karman'sche Wirbelstraße 16.

Unmittelbar stromab des Wirbelerzeuger-Stabes 14 ist ein Ultraschallstrahler bzw. Ultraschallsender 18 angeordnet, dessen Abstahlfläche bündig mit der Innenfläche des schallabsorbierenden Materials 12 bzw. der Innenwandfläche der Leitung i9 abschließt und unmittelbar mit dem Strömungsmittel in Berührung steht. Der Ultraschallsender 18 ist mit einem Ultraschall-Oszillator 20 verbunden. Dem Ultraschallsende- 18 unmittelbar gegenüberliegend ist an der Leitung 10 ein Ultraschallempfänger 22 vorgesehen, dessen Empfangsfläche ebenfalls bündig mit der Innenwandfläche der Leitung 10 abschließt und mit den Strömungsmittel in Berührung steht. Der Ultraschallempfänger 22 ist mit einem Ultraschallempfänger-Gleichrichter 24 verbunden.

Der Ultraschallempfänger 22 besitzt die Konstruktion gemäß F i g. 2. Der Ultraschallempfänger 22 gemäß Fig. 2 umfaßt eine ilektrisch isolierende Grundplatte 30. mehrere Tragzapfen 32, von denen nur zwei dargestellt sind, aus einem elastischen Material, wie z. B. Gummi, die von der Grundplatte 30 nach oben abgehen, sowie einen Zweielement-Ultraschallschwinger 34, der von den Tragzapfen 32 getragen wird. Ein kegelförmiger Hohltrichter 36 ist mit seiner Spitze mil der die Ultraschallwellen aufnehmenden Fläche des Ultraschallschwingers 34 verbunden. Der Hohltrichter 36 bildet einen Resonator für die verwendeten Uliraschallwellen, wobei er als kombiniertes Abienk- und Reflexionsclement wirkt. Der Ultraschallschwinger 34 ist mit dem in Fig. 1 dargest?llten Ultraschullempfänger-Gleichrichter 24 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 Ultraschallempfänger 22 fertiggestellt ist. Der als Resonator ausgebildete Hohltrichter 36 weist mit seiner den größeren Durchmesser besitzenden End- bzw. Stirnfläche zu einer am anderen bzw. geschlossenen Ende des Gehäuses 40 befindlichen Ultraschall-Empfangsfläche hin.

Im Betrieb der Anordnung strömt das zu messende Strömungsmittel, z. B. Luft, durch das Innere der Leitung 10 in Richtung der Pfeile gemäß F i g. 1, wobei der Wirbelerzeugerstab 14 das fließende Strömungsmittel teilweise behindert, so daß an seiner Stromabseite eine Karman'sche Wirbelstraße 16 entsteht. Der Ultraschallsender 18 wird dabei durch den Ultrasdialloszülator 20 angesteuert, so daß er senkrecht zur Strömungsrichtung des Strömun.£smitte!s und zum Ultraschallempfänger 22 hin eine Ultraschallwelle aussendet. *>. ehrend sich die Ultraschallwelle durch das Strömungsmittel hindurch ausbreitet, wird sie durch die Wirbel der Karman'schen Wirbelstraße 16 moduliert und dann vom Ultraschallempfänger 22 abgenommen, um in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt zu werden, daß dem Ultraschallempfänger-Gleichrichter 24 eingespeist wird, welcher die pro Zeiteinheit erzeugten Wirbel der Karman'schen Wirbelstraße 16 mißt und dabei in an sich bekannter Weise die Strömungs- bzw. Durchsatzmenge des Strömungsmittels bestimmt.

Die vom Ultraschallsender 18 ausgestrahlte Ultraschallwelle breitet sich somit durch das strömende Strömungsmittel hindurch aus, während sie sich in diesem ausdehnt. Die Ultraschallwelle erreicht somit nicht nur j5 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 infolgedessen eine stehende Ultraschallwelle auftreten.

Ersichtlicherweise braucht das schallabsorbierende Material 12 nur an dem Teil der Innenw?ndfläche der Leitung 10 angebracht zu werden, auf den die Ultraschallwelle auftrifft. Die Ultraschallwelle soll nämlich nur an einer Interferenz mit reflektierten Ultraschallwellen gehindert werden.

Mit dem vorstehend beschriebenen Strömungsmesser unter Ausnützung der Karman'schen Wirbelstraße 16 wird somit ersichtlicherweise eine Reflexion der abgestrahlten Ultraschallwelle von einer Innenwandfläche einer Lulung 10 verhindert, so daß auch die Entstehung einer stehenden Ultraschallwelle aufgrund der Reflexion der Ultraschallwelle innerhalb der Leitung 10 verhindert wird.

Der Ultraschallempfänger 22 gemäß F i g. 2 ist besonders vorteilhaft, weil der umgekehrt kegelförmig ausgebildete Resonator in Form des Hohltrichters 36 die ihn bo beaufschlagende Ultraschallwelle vom Ultraschallsen· der 18 unter Streuung reflektiert, aber nicht unmittelbar zum Ultraschallsender 18 zurückwirft, so daß wiederum die Bildung einer stehenden Ultraschallwelle verhindert wird, die mit einer UIt ^schallwelle vom Ultraschallsenb5 der 18 interferieren könnte.

Der einen Resonator bildende, umgekehrt kegelförmige Hohltrichtcr 36 gewährleistet somit im Zusammenwirken mit dem schallabsorbiercnden Material 12

eine genauere Messung der Strömungs- bzw. Durchsatzmenge.

Wahlweise kann die gesamte Leitung 10 bzw. der betreffende Leitungsabschnitt aus dem beschriebenen schallabsorbierenden Material 12 bestehen. Außerdem ι braucht der den Resonator bzw. das Ablcnk- und Reflektorelement bildende Hohltrichter 36 nicht unbedingt die Form eines umgekehrten Hohlkegels zu besitzen, vielmehr kann er auch unregelmäßig gewellt oder keilförmig ausgebildet sein, so daß er eine auftreffendc Ultraschallwelle diffus reflektiert.

Gemäß einer weiteren, in der Zeichnung nicht naher dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich, unter Weglassung des kegelförmigen, gewellten oder keilförmigen Hohltrichters 36 für die die Reflexion vorhin- ι·> dernden Mittel jeweils ein Ablcnk- und Rcflekiorelement in Form eines geeigneten Maschengitters vor dem Ultraschallscnder 18 und dem UltraschallempfänKcr 22 anzuordnen.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung des Strömungsmitteidurchsatzes durch eine Leitung (10), die ein in der Leitung (10) sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Element (14) zur Erzeugung einer Karman'schen Wirbeistraße (16) an der Stromabseite dieses Elements (14) und einen an der Leitung angeordneten Wirbeldetektor umfaßt, der einen Ultraschallsender (18) und einen gegenüberliegend an der Leitung angeordneten Ultraschallempfänger (22) aufweist und mittels dem die Zahl der pro Zeiteinheit in der Karman'schen Wirbelstraße (16) entstehenden Wirbel meßbar ist, und die ferner Mittel zur Verhinderung einer Reflexion der vom Ultraschallsender (18) ausgestrahlten Ultraschallwellen zurück zum Ultraschallsender(18) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die die Reflexion verhindernden Müite! weiterhin ein Ablenk- und Reflektorelement (36) im Ultraschallempfänger (22) umfassen, das in Form eines sich in Richtung zum Ultraschallsender (18) hin öffnenden Hohltrichters ausgebildet ist.

2. Anordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Hohltrichter (36) kegelförmig, gewellt oder keilförmig ausgebildet ist

3. Anordnung zur Messung des Strömungsmitteldurchsatzes durch eine Leitung (10). die ein in der Leitung (10Ί sich quer zur Strömumjsrichlung erstreckendes Element (14) zur Erzeugung einer Karman'schen Wirbelstraäe (16) an der Stromabseite dieses Elements (34) und eiaen an der Leitung angeordneten Wirbeldetektor umfajt, der einen Ultraschallsender (18) und einen gegenüberliegend an der Leitung (10) angeordneten Ultrasc lallempfänger (22) aufweist und mittels dem die Zah I der pro Zeiteinheit in der Karman'schen Wirbelstraße (16) entstehenden Wirbel meßbar ist, und die ferner Mittel zur Verhinderung einer Reflexion der vom Ultraschallsender (18) ausgestrahlten Ultraschallwellen zurück zum Ultraschallsender (18) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die die Reflexion verhindernden Mittel weiterhin jeweils ein Ablenfc- und Rcflektorelement in Form eines Maschengillers vor dem Ultraschallsender (18) und dem Ultraschallempfänger (22) aufweisen.