DE2938334A1

DE2938334A1 - Wirbelstroemungsmesser

Info

Publication number: DE2938334A1
Application number: DE19792938334
Authority: DE
Inventors: Peter J Herzl
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1978-09-21
Filing date: 1979-09-21
Publication date: 1980-04-10
Also published as: JPS5595823A; FR2436973A1; US4181020A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing H. Ψειοκμανν, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. LisKA 2938334

8000 MÜNCHEN 86, DEN
POSTFACH 860820
DXIIIH MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

Fischer & Porter Company
Warmin^ster, Pennsylvania, V.St.A.

Wirbelströmungsmesser

030015/0786

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wirbelströmungsmesser.

In vielen industriellen Prozessen ist es erforderlich, die volumetrische Strömung von zu behandelnden oder dem Prozeß zuzuführenden strömenden Medien zu messen, um verschiedene Steuerfunktionen durchzuführen. Es ist in bestimmten Fällen weiterhin auch notwendig, die Massenströmung der strömenden Medien zu bestimmen. Bekannte Ausführungsformen von Wirbelströmungsmessern vermögen eine volumetrische Strömung oder eine Massenströmung zu messen.

Die Wirkungsweise eines Wirbelströmungsmessers basiert auf der Tatsache, daß unter bestimmten Umständen das Vorhandensein eines Hindernisses in einem Strömungsrohr zur Erzeugung von periodischen Wirbeln des strömenden Mediums führt. Für kleine Reynolds-Zahlen ist die Strömung hinter dem Hindernis ihrer Natur nach laminar. Für zunehmende Reynolds-Zahlen werden jedoch reguläre Wirbelmuster gebildet, welche als Karman-Wirbelstraßen bekannt ist. Die Folgefrequenz, mit der die Wirbel in einer Karman-Wirbelstraße auftreten, ist eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit. Um eine volumetrische Ablesung in eine Ablesung einer Massenströmung zu überführen, muß der Volumenmeßwert mit der Dichte des gemessenen strömenden Mediums multipliziert werden.

Eine in der US-PS 3 888 120 beschriebene Hindernisanordnung, welche in einem vom zu messenden strömenden Medium durchströmten Strömungsrohr montiert ist, wird durch einen fest im Rohr montierten vorderen Staukörper und einen hinteren auslenkbaren Abschnitt gebildet, welcher am vorderen Körper mittels eines flexiblen Arms auslenkbar montiert ist, um einen Spalt zu bilden, welcher zum Auffangen der Karman-

030015/0786

Wirbel dient. Bei Normalbetrieb erzeugt der an der Hindernisanordnung vorbeigehende Strom des Strömungsmediums eine Wirbelströmung/ welche zur Erzeugung einer Strömungsmediumkraft führt, die von einer Seite zur anderen Seite des auslenkbaren Abschnittes abwechselt, so daß dieser Abschnitt mit einer zur Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Frequenz vibriert.

In einem von der Anmelderin hergestellten Wirbelströmungsmesser mit der Typenbezeichnung 10 LV 1000 wird ein Sensor in Form eines Dehnungsmeßstreifens benutzt, um die Auslenkung des hinteren Abschnitts relativ zum festen vorderen Abschnitt der Hindernisanordnung zu erfassen. Die Charakteristik des Sensors ist so gewählt, daß sich aufgrund der Auslenkung des hinteren Abschnittes beträchtliche Widerstandsänderungen ergeben, wodurch der Sensor hochempfindlich wird und ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Amplitude und Frequenz von der Strömungsgeschwindigkeit abhängen.

In anderen bekannten Wirbelströmungsmessern, wird anstelle eines auslenkbaren hinteren Abschnittes, welcher zur Erfassung der Wirbel auslenkbar an einem festen vorderen Abschnitt befestigt ist (US-PS 3 888 120 und 4 062 238), ein schwenkbarer Flügel an einer in Strömungsrichtung hinteren Stelle im Strömungsrohr verwendet, welcher mit einer Frequenz vibriert, die durch die Frequenz der Strömungsmedium-Oszillationen bestimmt ist. In einem derartigen Meßinstrument ist der Flügel körperlich unabhängig vom Strömungshindernis. Sensorflügel dieser Art sind in den US-PSen 4 06 9 708 und 3 116 6 39 beschrieben.

Die Frequenzcharakteristik eines Wirbelströmungsmessers,

030015/0786

• τ ·

in dem ein auslenkbarer Abschnitt oder ein auslenkbarer Flügel in Vibration versetzt wird, ändert sich als Funktion des Quotienten aus der Quadratwurzel der durch die Strömungsmedium-Oszillationen erzeugten betätigenden Kraft und der Quadratwurzel des Trägheitsmomentes. Das Trägheitsmoment eines Körpers, wie beispielsweise eines schwenkbaren Flügels oder eines auslenkbaren Abschnittes in bezug auf seine Rotationsachse ist gleich der Summe der Massen aller seiner Teilkomponenten jeweils multipliziert mit dem Quadrat des Abstandes von der Rotationsachse.

Daher hängt das Trägheitsmoment seines Körpers sowohl von der Verteilung seines Materials als auch von seiner Masse ab. Haben beispielsweise zwei Räder exakt den gleichen Durchmesser und exakt die gleiche Masse, wobei jedoch in einem Rad die Masse im Bereich seines Umfangs konzentriert und daher weit von der Rotationsachse entfernt ist, während im anderen Rad die Masse zwischen dem Umfang und der Achse verteilt ist, so besitzt das erste Rad ein weit größeres Trägheitsmoment.

Da bekannte Ausführungsformen von auslenkbaren Abschnitten und auslenkbaren Flügeln in Wirbelströmungsmessern zur Erfassung von Strömungsmedium-Oszillationen ein relativ hohes Trägheitsmoment besitzen, ist ihre Frequenzcharakteristik insbesondere im hochfrequenten Teil des Betriebsbereiches schlecht. Dieser Nachteil fällt bei der Messung von Strömungen mit kleiner Geschwindigkeit nicht so sehr ins Gewicht. Er wird jedoch bei der Messung von Gasen schwerwiegend, wo normalerweise relativ hohe Geschwindigkeiten von beispielsweise 30,48 m/s auftreten.

In einem Wirbelströmungsmesser mit einem Durchmesser von 3,81 cm führt eine Gasgeschwindigkeit von 30,48 m/s zu einer

030015/0786

Strömungsfrequenz von etwa 700 Hz. Ist das Trägheitsmoment des auslenkbaren Abschnittes oder des auslenkbaren Flügels nicht klein, so kann ein derartiges Element nur sehr schwer dieser sehr hohen Frequenz folgen. Da bekannte Ausführungsformen dieser Sensorelemente ein hohes Trägheitsmoment besitzen, ist ihr Ansprechvermögen bei hohen Frequenzen nicht brauchbar.

In einem Wirbelströmungsmesser, in dem ein auslenkbarer Abschnitt oder ein auslenkbarer Flügel als Funktion der Frequenz der Strömungsmedium-Oszillation erregt wird, ist es weiterhin wichtig, daß die natürliche Resonanzfrequenz des Sensorelementes größer als die maximale Frequenz im Betriebsbereich ist. Auf diese Weise werden mechanische Resonanzspitzen vermieden, so daß die Amplitude der Vibrationsbewegung genau die Amplitude der Strömungsmedium-Oszillationen wiedergibt.

Da die Resonanzfrequenz eines vibrierenden Elementes sich mit dem Quotienten aus der Quadratwurzel seiner Rotationssteifigkeit und der Quadratwurzel seines Trägheitsmomentes ändert, ergibt sich bei bekannten Ausführungsformen von Sensorelementen, welche ein hohes Trägheitsmoment besitzen, ein weiteres Problem, da die Resonanzfrequenz derartiger Elemente nahe am Betriebsfrequenzbereich des Wirbelstrommessers liegt oder in diesen fällt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten WirbelStrommesser anzugeben, in dem Strömungsmedium-Oszillationen durch einen schwenkbaren Strömungsflügel erfaßt werden, der von Hause aus in bezug auf seine Rotationsachse abgeglichen ist und ein kleines Trägheitsmoment besitzt, so daß der Wirbelströmungsmesser speziell im hochfrequenten Teil des Betriebsbereiches eine gute Frequenzcharakteristik besitzt.

030015/0786

Diese Aufgabe wird bei einem Wirbelströmungsmesser der eingangs genannten Art durch folgende Merkmale gelöst: ein Strömungsrohr, durch das längs der Rohrachse ein zu messendes strömendes Medium geleitet wird, einen quer im Strömungsrohr angeordneten Strömungsteilerkörper mit vorgegebener Geometrie, der die Strömung im Strömungsrohr teilt und ein Vorbeiströmen von Wirbeln abwechselnd an seinen beiden Seiten mit einer der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Folgefrequenz bewirkt, wodurch hinter dem Strömungsteilerkörper Wirbelfolgen erzeugt werden, die sich längs der rechten und linken Seite des Strömungsrohrs bewegen, wobei die Wellenweite zwischen den Augen aufeinanderfolgender Wirbel in jeder Folge eine durch die Strömungsteilerkörper-Geometrie bestimmte konstante Länge besitzt, einen im Strömungsrohr zwischen den linken und den rechten Folgen von Wirbeln angeordneten Strömungsflügel, der schwenkbar auf einer Achse angeordnet ist, welche längs einer senkrecht auf der Rohrachse stehenden Schwenkachse verläuft, dessen Körper zur Bildung gleicher Vorder- und Hinterkanten symmetrisch zur Schwenkachse ausgebildet ist und dessen Länge etwa gleich 3/4 der Wellenlänge ist, wobei längs der linken Seite des Strömungsflügels laufende Wirbel Kräfte auf dessen rechte Seite und längs der rechten Seite des Strömungsflügels laufende Wirbel Kräfte auf dessen linke Seite ausüben und wobei die auf den Strömungsflügel ausgeübten Kräfte Drehmomente erzeugen, welche ine Vibration des Strömungsflügels mit einer der Wirbel-Folgefrequenz entsprechenden Frequenz hervorrufen,

und eine an den vibrierenden Strömungsflügel angekoppelte Einrichtung zur Erfassung der Flügelvibrationen zwecks Erzeugung eines entsprechenden Signals.

Ein wesentlicher Vorteil des vorstehend definierten Wirbel-

03001S/0786

Strömungsmessers ist darin zu sehen, daß mit ihm eine genaue und zuverlässige Messung von Gasströmungen möglich ist, wobei die Betriebsfrequenzen bei Werten von bis zu 700 bis 800 Hz liegen. Darüber hinaus ist der Wirbelströmungsmesser aufgrund seiner guten Frequenzcharakteristik zur Messung sowohl von Gasen als auch von Flüssigkeiten geeignet. Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der abgeglichene Flügel in einer Drehaufhängung schwenkbar, welche lediglich eine mikroskopische Flügelbewegung ermöglicht, wobei die gesamte Bewegung in flexiblen Komponenten absorbiert wird, wodurch Klebprobleme vermieden werden, wie sie bei in Lagern montierten Flügeln mit Gleitdichtungen auftreten.

Der auf Strömungsmedium-Oszillationen ansprechende vibrierende Strömungsflügel besitzt darüber hinaus eine natürliche Resonanzfrequenz außerhalb des Betriebsbereiches des Wirbelströmungsmessers .

Der in Strömungsrichtung im hinteren Ende des Strömungsrohrs angeordnete Strömungsflügel, welcher von Folgen von Wirbeln umströmt wird, besitzt insbesondere eine Länge, welche nicht kleiner als die Hälfte der Wellenweite und nicht größer als deren volle Länge ist. Der Flügel ist auf seiner senkrecht auf der Rohrachse stehenden zentralen Achse auf einer Drehachse drehbar angeordnet und in bezug auf die zentrale Achse abgeglichen. Die sich über beide Seiten des Strömungsflügels bewegenden Wirbel erzeugen Strömungsmediumkräfte, die zu abwechselnden Drehmomenten im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn führen, wodurch der Strömungsflügel mit einer der Wirbel-Folgefrequenz entsprechenden Frequenz in Vibration versetzt wird. Diese Vibrationen werden dann zur Erzeugung eines der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Ausgangssignals erfaßt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

030015/0786

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Wirbelströmungsmessers, welcher einen erfindungsgemäßen Sensor-Strömungsflügel enthält;

Fig. 2 einen Aufriß des im Strömungsmesser enthaltenen Strömungsflügels ;

Fig. 3 eine ebene Ansicht des Strömungsflügels; Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Strömungsmesser;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Strömungsmessers, aus welcher der Zusammenhang zwischen den in ihm erzeugten Wirbeln und des Strömungsflügels in einem Zeitpunkt ersichtlich ist;

Fig. 6 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung zu einem späteren Zeitpunkt;

Fig. 7 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung in einem noch späteren Zeitpunkt;

Fig. 8A den Zusammenhang zwischen einem Strömungsflügel, dessen Länge kürzer als die des Strömungsflügels nach Fig. 1 ist, mit Wirbeln bei Bedingungen, welche ein maximales Drehmoment erzeugen; und

Fig. 8B den Zusammenhang zwischen dem gleichen Strömungsflügel und Wirbeln in einer ein Null-Drehmoment erzeugenden Stellung.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen einen erfindungsgemäßen Wirbelströmungsmesser mit einem Strömungsrohr 10, das in der Praxis in eine Leitung eingefügt ist, welche eine Flüssigkeit oder ein

030015/0786

Gas führt, deren bzw. dessen Strömung zu messen ist.

Quer im Strömungsrohr 10 (das in der dargestellten Ausführungsform einen kreisförmigen Querschnitt besitzt) ist ein Strömungsteilerkörper 11 mit generell quadratischem Querschnitt montiert, dessen Hinterseiten abgeschrägt sind. Eine Längsachse Y dieses Körpers steht senkrecht auf einer Längsströmungsachse X des Rohrs. Eine auf den Körper 11 auftreffende Eingangsströmung wird durch diesen Körper geteilt, wodurch Strömungsstörungen in Form einer Karman-Wirbelstraße erzeugt werden. Der Strömungsteilerkörper kann in an sich bekannter Weise mit einer Geometrie ausgebildet werden, wie sie beispielsweise in den oben genannten US-Patentschriften beschrieben ist.

An einer in Strömungsrichtung hinteren Stelle ist im Strömungsrohr 10 quer ein Strömungsflügel 12 mit rautenförmigem Querschnitt montiert, welcher drehbar auf einer Achse 13 gelagert ist, welche genau durch das Zentrum des Strömungsflügels längs einer Achse Y¹ verläuft, welche ihrerseits parallel zur Achse Y und senkrecht zur Strömungsachse X verläuft. Der Strömungsflügel ist statisch und dynamisch in bezug auf die Achse Y¹ abgeglichen und besitzt gemäß Fig. 3 eine scharf abgeschrägte Vorderseite sowie eine entsprechend abgeschrägte Hinterseite, welche symmetrisch zur Drehachse liegen. In der Praxis kann der Strömungsflügel aus einem nicht mit den zu messenden strömendem Medium reagierenden Metall, wie beispielsweise Aluminium oder Titan oder aus einem hochfesten leichten synthetischen Kunststoff hergestellt werden, welcher gegen diese strömenden Medien chemisch immun ist. Da die Massenverteilung derartiger Strömungsflügel so beschaffen ist, daß sich der größte Teil der Masse nahe der Drehachse befindet, besitzt der Strömungsflügel ein kleines Trägheitsmoment.

030015/0786

/13·

Die Drehachse 13, auf welcher 'der Strömungsflügel gelagert ist, erstreckt sich mit beiden Enden durch die Wände des Strömungsrohres 10 in Achshalterungen. Diese Halterungen sind durch O-Ringe 14 und 15 aus einem elastomeren Material, wie beispielsweise Neopren, abgedichtet. Drehbare Aufhängungen 16 und 17 werden durch Drähte aus federndem Metall, wie beispielsweise Klaviersaiten gebildet, welche zwischen der Achse und festen Verankerungen verlaufen. Diese Komponenten der drehbaren Aufhängung begrenzen die Bewegung der Drehachse bei maximalem Drehmoment auf eine mikroskopische Bewegung in der Größenordnung eines halben μ an den O-Ringstellen. Eine drehbare Aufhängung der Achse 13 kann auch durch andere Einrichtungen wie beispielsweise ein hohles Metallrohr aus flexiblem Material erfolgen.

Um die mikroskopische Vibrationsbewegung des Strömungsflügels zu erfassen, ist ein Sensor in Form eines auf einem federnden Band 19 montierten Dehnungsmeßstreifens 18 vorgesehen, wobei ein Ende des Bandes 19 an der Achse 13 und das andere Ende an einer festen Verankerung befestigt ist, wodurch eine durch eine kleine Bewegung der Achse bedingte Deformation des Bandes durch den Dehnungsmeßstreifen 18 in ein entsprechendes elektrisches Signal überführt wird. Führt der Strömungsflügel als Funktion von Strömungsmedium-Oszillationen Vibrationen um seine Achse aus, so wird daher ein Signal mit der gleichen Frequenz erzeugt, welches ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. In der Praxis kann der Wandler zur Überführung der Vibrationsbewegung in ein elektrisches Signal durch einen piezoelektrischen, einen halbleitenden oder einen drahtförmigen Dehnungsmeßstreifen oder durch einen induktiven, kapazitiven oder einen anderen Sensor gebildet werden, welcher eine Mikrobewegung erfaßt.

Fig. 5 zeigt schematisch den Zusammenhang zwischen den

030015/0786

durch den Strömungsteilerkörper 11 und den Ströinungsflügel 12 im hinteren Teil des Strömungsrohres erzeugten Wirbeln. Der Strömungsteilerkörper 11 teilt die ankommende Strömung zur Erzeugung von Wirbeln abwechselnd auf einer Seite und sodann auf der anderen Seite des Strömungsrohres mit einer zur Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Folgef requer.ζ . Aufgrund dieser Teilungswirkung läuft eine sich bewegende Folge von Wirbeln auf der rechten Seite und eine sich bewegende Folge von Wirbeln auf der linken Seite des Strömungsrohres, wobei diese Wirbelfolgen über sich gegenüberliegende Seiten des Strömungsflügels 12 laufen.

Fig. 5 zeigt Wirbel L, L₁, L^, L, und L. wobei sich der letztgenannte Wirbel gerade in seiner Bildungsphase befindet. Der Wirbel L befindet sich in Strömungsrichtung am weitesten hinten auf der rechten Seite des Strömungsrohres 10, der nächste Wirbel L₁ auf der linken Seite, der darauffolgende Wirbel L~ auf der rechten Seite, der Wirbel L₃ auf der linken Seite und schließlich der Wirbel L. auf der rechten Seite. Auf der linken Seite des Strömungsflügels 12 findet sich daher eine sich bewegende Folge von Wirbeln L₁ und L₃, während sich auf dessen rechter Seite eine sich bewegende Folge von Wirbeln L, L2 und L, befindet, wobei sich beide Folgen in Strömungsrichtung im Strömungsrohr bewegen.

Die Wellenweite zwischen den Augen aufeinanderfolgender Wirbel in beiden Folgen, wie beispielsweise die Weite zwischen den Augen der Wirbel L- und L₃ in der linken Folge besitzen eine konstante Länge, welche durch die Geometrie bzw. die Eigenschaften des Strömungsteilerkörpers festgelegt ist. Für einen gegebenen Wirbelströmungsmesser ist diese Wellenweite gleich dem Quotienten aus der Geschwindigkeit des strömenden Mediums und der Folgefrequenz der Wirbel.

030015/0786

Sind beispielsweise in einem gegebenen Meßinstrument die Eigenschaften des Strömungsteilerkorpers so gewählt, daß die resultierenden Wirbel für eine Strömungsgeschwindigkeit von 3,048 m/min eine Folgefrequenz von 50 Hz besitzen, so ist die Wellenweite gleich 3,048 dividiert durch 50, d.h., gleich 0,06 m. Da in einem linearen Strömungsmesser eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit zu einer proportional höheren Folgefrequenz führt, bleibt das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit der Folgefrequenz im Betriebsbereich des Meßinstruments das gleiche, so daß die Wellenweite daher konstant ist.

Das kritische Merkmal der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die Gesamtlänge des Strömungsflügeis 12 von Spitze zu Spitze nicht kleiner als die Hälfte der Länge der Wellenweite und nicht größer als deren volle Länge ist. Daher muß die Länge des Strömungsflügels in diesen Größenbereich fallen. Der in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellte Strömungsflügel 12 besitzt eine Länge, welche etwa gleich der der Wellenweite ist. Dieser Strömungsflügel stellt daher den längsten zulässigen Flügel dar. Wie im folgenden noch genauer erläutert wird, können in der Praxis andere Flügellängen in dem angegebenen Bereich verwendet werden. Tatsächlich verden bestimmte Vorteile durch Längen erreicht, welche zwischen der oberen und der unteren Grenze des angegebenen Größenbereichs liegen.

Wenn der kritische Zusammenhang zwischen der Wellenweite und dem Strömungsflügel vorhanden ist, so erzeugt der durch den Wirbel L₁ in einem durch Fig. 5 repräsentierten Zeitpunkt hervorgerufene geringe Druck auf der rechten Seite eine Strömungsmedium-Kraft FA.. , welche auf die Hinterseite des Strömungsflügels 12 auf dessen linker Seite wirkt. Der durch den Wirbel L- auf der linken Seite hervorgerufene kleine Druck erzeugt eine gleiche und entgegengesetzt gerichtete Kraft FA^» welche auf die rechte Seite des vorderen

030015/0786

Teils des Strömungsflügeis wirkt.

Die Kräfte FA- und FA₂ erzeugen zusammen ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn, um die Drehachse 13. Da diese Kräfte in gegensinnigen Richtungen wirken, wird keine Seitenkraft auf die Drehachse 13 ausgeübt.

Fig. 6 zeigt die gleichen Folgen in einem späteren Zeitpunkt, nachdem sich die Wirbel etwas weiter im Strömungsrohr fortbewegt haben. Die Augen der Wirbel L- und L₃ in der rechten Folge sind nun zu den Spitzen des Strömungsflügels 12 ausgerichtet, da die Länge der Wellenweite zwischen den Augen gerade etwa gleich der Länge des Strömungsflügels ist. Daher werden Kräfte FB₁ und FB., erzeugt, welche beide in gleicher Richtung auf die Spitzen des Strömungsflügels wirken. Da die Kraft FB₁ eine Bewegung im Gegenuhrzeigersinn hervorzurufen sucht, während die Kraft FB., eine Bewegung im Uhrzeigersinn hervorzurufen sucht, und diese Kräfte dem Betrage nach gleich sind, so heben sie sich auf und es wird kein Drehmoment erzeugt.

Eine durch den Wirbel L₂ in der rechten Folge erzeugte Kraft FB2 ist gegen die Welle 13 gerichtet und erzeugt daher kein Drehmoment. Da die Kräfte FB- und FB₃ an den Spitzen lediglich durch die halben Wirbel L₁ und L₃ erzeugt werden, und daher den-halben Betrag besitzen, während die Kraft FB2 durch den vollen Wirbel L2 erzeugt wird, so ergibt sich, daß FB₁ + FB₃ = FB- ist, so daß keine Seitenkraft erzeugt wird.

Fig. 7 zeigt einen Zustand in einem noch späteren Zeitpunkt, in dem sich die Wirbelfolgen noch weiter im Strömungsrohr bewegt haben. Nun ist der Wirbel L. voll entwickelt, während sich ein fünfter Wirbel L₅ auf der rechten Seite des Strömungsrohres im Entwicklungsstadium befindet. In diesem Zustand erzeugt der Wirbel L- eine Kraft FC₂, welche auf die Hinterseite des Strömungsflügels 12 in einer Richtung wirkt, während

030015/0786

der Wirbel L₃ eine Kraft FC~ erzeugt, welche in der anderen Richtung auf die Vorderseite des Strömungsflügels wirkt, um ein Drehmoment im Uhrzeigersinn um die Welle 13 zu erzeugen. Da die Kräfte FC₂ und FC₃ gleich und entgegengerichtet sind, wird keine Seitenkraft gegen die Wand erzeugt.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß beim Überlaufen der rechten und der linken Folge von Wirbeln über den Sensorflügel auf dessen beiden Seiten ein Drehmoment erzeugt wird, das einer sinusförmigen Änderung vom Uhrzeigersinn zum Gegenuhrzeigersinn unterliegt, wobei in keinem Punkt der vollen Periode eine Seitenkraft gegen eine Wand erzeugt wird.

Die erläuterte Anordnung eines Flügelsensors bietet verschiedene Vorteile gegenüber bekannten Formen von drehbaren Flügelstrukturen. Die Anordnung ist in sich abgeglichen, da die Flügelstruktur effektiv symmetrisch in bezug auf ihre zentrale Drehachse ist. Neben den offensichtlichen funktionellen und strukturellen Vorteilen eines abgeglichenen Strömungsflügels ergibt sich ein spezieller Vorteil bei der Verwendung in Gasmeßsystemen, da die Gasdichten weit kleiner als Flüssigkeitsdichten sind, was zu weit kleineren Wirbelkräften führt.

Da das Gewicht des rautenförmigen Strömungsflügels nahe der neutralen Achse des Körperzentrums konzentriert ist, ist ein derartiger Strömungsflügel von Hause aus fest und durch ein kleines Trägheitsmoment gekennzeichnet. Diese Eigenschaft ist speziell für Messungen wertvoll, bei denen Strömungsgeschwindigkeiten in Rohren normalerweise hoch und die Folgefrequenz von den Sensorflügel überlaufenden Wirbeln entsprechend hoch ist.

030015/0786

Weiterhin besitzt der Strömungsflügel für eine gegebene Steifigkeit der Aufhängung eine hohe Resonanzfrequenz weit oberhalb der Betriebsfrequenz, da ein kleines Trägheitsmoment zu einer hohen Resonanzfrequenz führt. Insoweit der Strömungsflügel länger als drehbare Strömungsflügel der bisher bekannten Art ist, bedingt er eine weit größere Ausmittlung als bekannte Ausführungsformen und tendiert daher zur Gewährleistung einer besseren Signalqualität. Weiterhin bewirkt auch die größere Sensorfläche die Erzeugung von größeren Kräften.

In den Ausführungsformen nach den Fig. 5 bis 7 ist die Länge des Strömungsflügels etwa gleich der Wellenweite, wobei es sich um eine maximal zulässige Größe handelt. Im folgenden wird gezeigt, warum eine weitere Reduzierung des Trägheitsmomentes in Verbindung mit einer verbesserten Frequenzcharakteristik mit einem Strömungsflügel erreichbar ist, dessen Länge gleich 3/4 der Wellenweite ist.

Fig. 8A zeigt auf einer Linie 2 einen Strömungsflügel 12, welcher um eine zentrale Achse 13 drehbar ist und dessen Länge gleich 3/4 L ist, wobei L die Wellenweite gemessen zwischen Augen E von aufeinanderfolgenden Wirbeln L2 und L. in der rechten Folge bedeutet. Daher besitzt die Vorderseite des StrömungsflugeIs eine Länge von 3/8 L und die Hinterseite die gleiche Länge.

Auf einer Linie 1 in Fig. 8A sind die auf den Strömungsflügel in dieser Stellung aufgeübten Kräfte aufgetragen, wobei Kräfte FL, und FL₃ durch Wirbel L₂ und L₃ auf entgegengesetzten Seiten des Strömungsflügels erzeugt werden. Aus den'Amplituden des Kurvenverlaufes dieser Kräfte ist zu ersehen, daß ihre Amplituden einen Spitzenwert in den Augen der Wirbel besitzen.

030015/0786

2*3*334

Kreuzschraffierte Bereiche a und b der Kräfte FL- und FL₃ repräsentieren diejenige Teile dieser Kräfte, welche jenseits der Spitzen des Strömungsflügels liegen und daher in bezug auf den Strömungsflügel nicht wirksam sind* Würde die Länge des Flügels eine volle Wellenweite betragen» so würden diese Teile wirksam sein. Es ist jedoch ersichtlich, daß die Kraftteile a und b geringfügig sind und daß die Differenz zwischen einem Strömungsflügel mit 3/4 der Wellenweite und mit einer vollen Wellenweite relativ klein in bezug auf das Verhältnis von Kraft zu Strömungsflügel ist.

4 Da sich andererseits das Trägheitsmoment mit L ändert, wird bei Verwendung eines Strömungsflügels mit 3/4 der

4 Wellenweite das Trägheitsmoment auf 0,75 gleich 0,316 reduziert. Diese Reduzierung stellt eine sehr große Änderung dar, woraus sich eine wesentliche Verbesserung der Frequenzcharakteristik ergibt.

Obwohl also eine Strömungsflügellänge, welche etwa gleich der Länge einer Wellenweite ist, noch annehmbar ist, ist die Länge des Strömungsflügels vorzugsweise kleiner als eine volle Wellenweite jedoch nicht kürzer als eine halbe Wellenweite .

Fig. 8B zeigt auf einer Linie 4 einen Strömungsflügel 12 mit 3/4 Länge, wobei sich die Wirbel in einem späteren Zeitpunkt weiterbewegt haben, wodurch ein Drehmoment von Null erzeugt wird. Eine Linie 3 in Fig. 8 zeigt diesen Zustand. Nunmehr wirkt ein kleiner Teil der durch die Wirbel L₁ und L₃ erzeugten Kräfte FL- und FL₃ in gleicher Richtung und mit dem gleichen Betrag auf die vordere bzw. hintere Spitze des Strömungsflügels 12, während die durch den Wirbel L-erzeugte Kraft FL₂ in der anderen Richtung auf die zentrale Welle 13 des Strömungsflügels wirkt, so daß kein Drehmoment

030015/0786

erzeugt wird. Durch die Kräfte FL₁ und FL₃ wird jedoch eine kleine Seitenkraft erzeugt, welche jedoch in den Komponenten der Aufhängung absorbiert wird.

030015/0786

Claims

Patentansprüche

1. Wirbelströmungsmesser, gekennzeichnet durch ein Strömungsrohr (10), durch das längs der Rohrachse (X) ein zu messendes strömendes Medium geleitet wird, durch einen quer im Strömungsrohr (10) angeordneten Strömungsteilerkörper (11) mit vorgegebener Geometrie, der die Strömung im Strömungsrohr (10) teilt und ein Vorbeiströmen von Wirbeln abwechselnd an seinen beiden Seiten mit einer der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Folgefrequenz bewirkt, wodurch hinter dem Strömungsteilerkörper (11) Wirbelfolgen erzeugt werden, die sich längs der rechten und linken Seite des Strömungsrohres (10) bewegen, wobei die Wellenweite zwischen den Augen aufeinanderfolgender Wirbel in jeder Folge eine durch die Strömungsteilerkörper-Geometrie bestimmte konstante Länge besitzt,

durch einen im Strömungsrohr (10) zwischen den linken und den rechten Folgen von Wirbeln angeordneten Strömungsflügel (12), der schwenkbar auf einer Achse (13) angeordnet ist, welche längs einer senkrecht auf der Rohrachse (X) stehenden Schwenkachse (Y¹) verläuft, dessen Körper zur Bildung gleicher Vorder- und Hinterkanten symmetrisch zur Schwenkachse (Y¹) ausgebildet ist und dessen Länge etwa gleich 3/4 der Wellenweite ist, wobei längs der linken Seite des Strömungsflügels (12) laufende Wirbel Kräfte auf dessen rechte Seite und längs der rechten Seite des Strömungsflügels (12) laufende Wirbel Kräfte auf dessen linke Seite ausüben und wobei die auf den Strömungsflügel (12) ausgeübten Kräfte Drehmomente erzeugen, welche eine Vibration des Strömungsflügels (12) mit einer der Wirbel-Folgefrequenz entsprechenden Frequenz hervorrufen, und durch eine an den vibrierenden StrömungsfJügel (12) angekoppelte Einrichtung (18, 19) zur Erfassung der Flü-

030015/0786 ORIGINAL INSPECTED

ge!vibrationen zwecks Erzeugung eines entsprechenden Signals.

2. Wirbelströmungsmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (16, 17) zur drehbaren Aufhängung der Achse (13) an beiden Enden, wodurch die Vibration des Strömungsflügels (12) mit maximalem Drehmoment zu einer mikroskopischen Bewegung führt.

3. Wirbelströmungsmesser nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Enden der Achse (13) durch die Wand des Strömungsrohres (10) erstrecken und daß auf den Achsenden zur Abdichtung des Strömungsrohres

(10) O-Ringe (14, 15) aus elastomerem Material vorgesehen sind.

4. Wirbelströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16, 17) zur drehbaren Aufhängung der Achse (13) durch federnde Drähte gebildet ist, welche zwischen der Achse (13) und festen Verankerungen verlaufen.

5. Wirbelströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Flügelvibrationen erfassende Einrichtung (18, 19) durch ein zwischen einen Ende der Achse (13) und einem festen Punkt verlaufendes Band (19) und einem auf dem Band (19) montierten und dessen Deformation erfassenden Dehnungsmeßstreifen (18) gebildet ist.

6. Wirbelströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsflügel (13) eine ein kleines Trägheitsmoment gewährleistende Struktur besitzt.

030015/0786

2S3-8&4

7. Wirbelströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsflügel (I3)r einen rautenförmigen, spitz zulaufende Vorderkanten bildenden Querschnitt besitzt.

8. Wirbelströmungsmesser nach einem der Ansprüche ΐ bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsflügel (13) aus synthetischem Kunststoff hergestellt ist.

9. Wirbelströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsflügel (13) aus Aluminium hergestellt ist.

10. Wirbelströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsflügel (13) aus Titan hergestellt ist.

030015/0786