DE2938801C2

DE2938801C2 - Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit einer Strömung

Info

Publication number: DE2938801C2
Application number: DE2938801A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Yokosuka Fujishiro; Hiroshige Zushi Ozawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1978-09-25
Filing date: 1979-09-25
Publication date: 1983-11-24
Also published as: GB2032621A; DE2938801A1; FR2436972B1; GB2032621B; JPS5543471A; US4275602A; FR2436972A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit einer Strömung durch Ermittlung der Wirbelfrequenz einer Karman'schen Wirbelstraße, mit einem von einem Strömungsmittel durchströmten Kanal, einer im Kanal angeordneten und sich quer zur Strömungsrichtung erstreckenden Einrichtung zum Erzeugen von Wirbeln mit einer Anzahl von sich in einer Hauptebene quer zur Strömungsrichtung erstreckenden, verschiedene Breiten aufweisenden Wirbelkörpern, und mit wenigstens zwei an der Abströmseite derselben angeordneten Wirbelsensoren.

Durch die Anordnung eines stabförmigen Hindernisses quer zur Strömungsrichtung in einem durchströmten Durchlaß lassen sich Wirbel erzeugen, welche sich abwechselnd an beiden Seiten des Hindernisses ablösen. Die Frequenz der Wirbelablösung ist dabei proportional der Strömungsgeschwindigkeit. Durch direkte oder indirekte Abtastung der Wirbel läßt sich daher die Strömungsgeschwindigkeit ermitteln. Auf diesem Prinzip basierende Strömungsmesser sind an sich als Karman'sche Wirbelströmungsmesser bekannt.

Bei solchen bekannten Strömungsmessern sind die Abstände zwischen den sich nacheinander ablösenden Wirbeln in Abhängigkeit von der Reynolds'schen Zahl veränderlich, wodurch eine genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit erschwert ist.

Aus der DE-OS 27 57 384 ist ein Strömungsgeschwindigkeitsmesser (Durchflußmesser) der eingangs genannten Art bekannt Dieser Durchflußmesser weist mindestens zwei im Abstand voneinander parallel angeordnete sich quer zur Strömungsrichtung erstrekkende Hinderniskörper auf. Dieser Hinderniskörper

ίο können, wenn beispielsweise die Strömung in einem Rohr gemessen werden soll, als eine Meßplatte ausgebildet sein, die einen ringförmigen Rand aufweist, in dem die Hinderniskörper wie Stege in einem Rost ausgebildet sind. Das an den Stegen vorbeiströmende Fluid regt entsprechend seiner Geschwindigkeit die Stege zu Schwingungen an, welche von Fühlern aufgenommen werden, die in Bohrungen, die sich durch den Außenring bis in die Hinderniskörper hineinerstrekken, angeordnet sind. An ihren äußeren, aus der Meßplatte herausragenden Enden sind die Fühler mit entsprechenden elektrischen oder elektronischen Instrumenten verbindbar. Die Breite der verschiedenen Stege kann unterschiedlich bemessen sein, um mit dem Geschwindigkeitsprofil quer über das Rohr übereinzustimmen und dadurch die gleichzeitige Wirbelablösung an allen Stegen zu unterstützen. Anstelle von in Bohrungen der Stege angeordneten Schwindungsfühlern können akustische oder Wärmeleit-Sonden stromauf oder stromab der wirbelerzeugenden Anordnung angeordnet sein. Eine genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit bei sich verändernder Reynolds'scher Zahl ist auch bei dieser bekannten Vorrichtung bei keiner ihrer Ausführungsformen möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche auch bei innerhalb eines weiten Bereichs veränderlichen Strömungsgeschwindigkeiten genaue Messungen derselben ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Abstand zwischen benachbarten von zwei oder mehr Wirbelsensoren im Bereich zwischen dem größten und dem kleinsten gegenseitigen Abstand der sich von den Wirbelkörpern ablösenden Wirbel liegt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Frequenz der Wirbelablösungen, die infolge der Strömung und des Karman'schen Prinzips entstehen, gemessen, und die Frequenz der Wirbelablösungen wiederum wird mit Hilfe eines räumlichen Filters gemessen. Als räumliche Filter sind Wirbelsensoren vorgesehen, deren in Strömungsrichtung im Bereich zwischen den größten ur.d den kleinsten gegenseitigen Abständen der sich von den Wirbelkörpern ablösenden Wirbel liegen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben die Wirbelkörper unterschiedliche effektive Breiten, so daß die Abstände zwischen den sich von ihnen ablösenden Wirbeln über einen gewissen Bereich verteilt sind. Selbst wenn sich also die Abstände zwischen den Wirbeln in Abhängigkeit von Schwankungen der Reynolds-Zahl ändert, stimmt der Abstand zwischen den Wirbeln irgend einer Wirbelstraße mit den Abständen zwischen den Wirbelsensoren überein.

Der Abstand zwischen den einzelnen Wirbelsensoren ist auf den mittleren Abstand zwischen den Wirbeln abgestimmt, so daß die Wirbel der sich jeweils von einem Wirbelkörper ablösenden Wirbelstraße im

wesentlichen mit den Hitzdrähten koinzidieren. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung erhält man ein Ausgangssignal, in welchem die von den Wirbeln, deren gegenseitiger Abstand gleich null ist, hervorgerufene Komponente besonders hervortritt. Auf die Meßanordnung einwirkende äußere, durch Resonanz hervorgerufene Schwingungen sind nicht in der Lage, diese besonders hervortretende Komponente zu überlagern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine sichere Erfassung von Karman'schen Wirbeln in genauer Übereinstimmung mit der Strömungsgeschwindigkeit auch bei erheblichen Schwankungen derselben, sowie auch die Kompensation von Ausfällen einzelner Wirbel, so daß eine sehr zuverlässige Messung der Strömungsgeschwindigkeit und -menge möglich ist. Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit einer Strömung, die in einem weiten Bereich anwendbar ist und auch unter den widrigsten Umständen stets ein genaues Meßergebnis liefert. Damit ist sie wirtschaftlich und effektiv.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in einer bekannten Ausführung und

F i g. 2 eine Vorrichtung der genannten Art in einer Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 erkennt man einen Strömungskanal 1, in welchem ein stabförmiger Wirbelkörper 2 im wesentlichen im rechten Winkel zu einer den Durchlaß durchströmenden Strömung angeordnet ist. In Abhängigkeit von ihrer Geschwindigkeit löst sich die Strömung abwechselnd an beiden Seiten des Wirbelkörpers 2 ab. so daß sie an dessen Abströmseite eine ^j5 regelmäßige Wirbelstraße bildet. Entlang der Wirbelstraße sind die einzelnen Wirbel durch einen vorbestimmten Abstand /voneinander getrennt.

Der Abstand /bestimmt sich aus dem Durchmesser d des Wirkbeikörpers 2 gemäß der Beziehung

I= »■ d

worin <x ein in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl geringfügig variabler Koeffizient ist. Daraus ergibt sich, ₄-daß der Abstand / weitgehend unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit ist.

Basierend auf diesem Prinzip, ist es bekannt, an der Abströmseite des Wirbelkörpers Sensoren 3 in einem durch den Außendurchmesser d des Wirbelkörpers 2 -„ bestimmten gegenseitigen Abstand / anzuordnen. Die Sensoren 3 sind beispielsweise mit Gleichstrom gespeiste Hitzdrähte, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von ihrer 1 mperatur ändert. Da in den einzelnen Wirbeln eine Erhöhung der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit auftritt, werden die Hitzdrähte beim Durchgang der Wirbel stärker gekühlt, so daß sich ihr Widerstand entsprechend erhöht. Demgemäß ändert sich die Ausgangsspannung der Hitzdrähte 3 in Übereinstimmung mit der Frequenz der Wirbelablö- _b0 sung. Dadurch läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit aus der Frequenz der Änderungen der Ausgangsspannung ableiten, worauf dann die Strömungsmenge anhand der Querschniiisflächc des Kanals 1 bestimmbar

^ist- <ό

Bei dieser bekannten Anordnung treten die folgenden

Schwierigkeiten auf: Falls die zu messende Strömungsgeschwindigkeit bzw. -menge sehr großen Schwankungen unterworfen ist. was zu entsprechenden Änderungen der Reynolds-Zahl führt, ändert sich der Abstand / zwischen den Wirbeln in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb eines wenn auch eng begrenzten Bereichs. Da jedoch zwischen dem Wirbelkörper 2 und den Hitzdrähten 3 unveränderliche Abstände vorhanden sind, ist bei Änderungen des Abstands zwischen den Wirbeln eine gleichmäßige Kühlung der Hitzdrähte nicht mehr gegeben, so daß sich die Amplitude der Ausgangsspannung der Hitzdrähte verringert. Dadurch ist dann eine genaue und zuverlässige Messung nicht mehr mögiich.

Wird ferner die Durchströmung des Kanals, etwa bei höheren Geschwindigkeiten, turbulent, so kann dies zum Ausfall einzelner Wirbel führen. Dies ist insbesondere der Fall bei Verwendung eines einzigen Wirbelkörpers und eines einzigen Wirbelsensors. In einem solchen Falle führt der Ausfall einzelner Wirbel unmittelbar zum Ausfall des entsprechenden Ausgangssignals und damit zu erheblichen Meßfehlern.

In Fig.2 der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Man erkennt hier einen eine vorbestimmte effektive Querschnittsfläche aufweisenden Kanal 10 für eine Strömung, deren Geschwindigkeit bzw. Menge gemessen werden soll. Innerhalb des Kanals 10 sind mehrere, z.B. fünf stabförmige Wirbelkörper 11a bzw. He angeordnet. Die Wirbelkörper 11a bis lie erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander im rechten Winkel zur Strömungsrichtung. Sie sind in vorbestimmten gegenseitigen Abständen in einer sich quer zum Kanal 10 erstreckenden Reihe angeordnet.

Die Wirbelkörper 11a bis Ue haben jeweils zylindrische Form und unterschiedliche effektive Durchmesser.

Eine Wirbelsensoranordnung umfaßt eine Anzahl von an der Abströmseite der Wirbelkörper 11a bis He angeordneten Hitzdrähten 12a bis 12e. Zwischen den Hitzdrähten sind vorbestimmte und vorzugsweise gleichmäßige Abstände I₀ vorhanden, welche im Bereich zwischen dem größten und dem kleinsten Abstand zwischen den sich von den einzelnen Wirbelkörpern Ha bis He ablösenden Wirbeln liegen. Dadurch stimmt der Abstand /_o dann im wesentlichen überein mit dem Abstand zwischen bei Reynolds-Zahlen innerhalb des Meßbereichs von jeweils einem der Wirbelkörper 11 a bis He ablösenden Wirbeln.

Die Hitzdrähte 12a bis 12esind in Reihe miteinander verbunden und stellen ein räumliches Filter dar, in dessen Ausgangssignal diejenigen Wirbel, deren gegenseitiger Abstand gleich I₀ ist, besonders hervortreten. Anderenfallls können die Hitzdrähte auch parallel miteinander verbunden sein.

Dadurch, daß die Wirbelkörper 11a bis He verschiedene Durchmesser haben, sind die Abstände zwischen den Wirbeln der von ihnen hervorgerufenen Karman'schen Wirbelstraßen ebenfalls verschieden groß. Der Abstand zwischen den einzelnen Hitzdrähten 12a bis 12e ist auf den mittleren Abstand zwischen den Wirbeln abgestimmt, so daß die Wirbel der sich von jeweils einem Wirbelkörper ablösenden Wirbelstraße im wesentlichen mit den Hitzdrähten koinzidieren. Dadurch erfolgt die Kühlung der Hitzdrähte 12a bis 12e dann mit der Ablösungsfrequenz der jeweiligen Wirbelstraße.

Selbst wenn sich also die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Reynolds-Zahl ändert, was zu einer Änderung der Abstände zwischen den Wirbeln führt, entsprechen die Abstände zwischen den Wirbeln der

sich von jeweils einem Wirbelkörper 11 ablösenden Wirbelstraße im wesentlichen dem Abstand /„ zwischen den Hitzdrähten 12a bis 12e, so daß eine sichere Erfassung und Zählung der Wirbel möglich ist.

Da die Wirbelsensoranordnung mehrere in gleichmäßigen Abständen angeordnete Hitzdrähte 12,7 bis 12e aufweist, erhält man ein Ausgangssignal, in welchem die von Wirbeln, deren gegenseitiger Abstand gleich /„ ist, hervorgerufene Komponente besonders hervortritt.

Da die Frequenz der Wirbelablösung genau proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist, läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit anhand der Frequenz der Wirbelablösung genau bestimmen, selbst wenn der Abstand zwischen den Wirbeln gewissen Schwankungen unterworfen ist.

Durch das Vorhandensein mehrerer Wirbelkörper 11a bis He ist es möglich, den durch Turbulenz der Strömung hervorgerufenen Ausfall einzelner Wirbel der ■ Wirbelstraßen weitgehend zu kompensieren, indem dazu entsprechende Wirbel anderer Wirbelstraßen herangezogen werden. Selbst wenn also in derjenigen Wirbelstraße, in welcher der Abstand zwischen den einzelnen Wirbeln gleich dem Abstand k zwischen den

"> llitzdrähten 12a bis 12e ist, einige Wirbel ausfallen sollten, können die Hitzdrähte von entsprechenden Wirbeln der anderen Wirbelstraßen wenigstens in einem gewissen Maße gekühlt werden, so daß jederzeit ein praktisch verwertbares Ausgangssignal erzielbar ist.

ίο In der dargestellten Ausführungsform sind die Wirbelkörper 1 la bis He zwar zylindrisch, sie können jedoch auch stabförmig mit dreieckigem, quadratischem oder sonstigem Querschnitt sein. Anstelle der Wirbelkörper kann auch ein Gitter oder Sieb aus einzelnen

i) Metalldrähten mit unterschiedlichen effektiven Durchmessern verwendet werden. Ein solches Gitter oder Sieb kann eben oder zu mehreren Lagen übereinandergelegt sein. Ferner können als Wirbelsensoren Druckfühler verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit einer Strömung durch Ermittlung der Wirbelfrequenz einer Karman'sclien Wirbelstraße, mit einem von einem Strömungsmittel durchströmten Kanal, einer im Kanal angeordneten und sich quer zur Strömungsrichtung erstreckenden Einrichtung zum Erzeugen von Wirbeln mit einer Anzahl von sich in einer Hauptebene quer zur Strömungsrichtung erstreckenden, verschiedene Breiten aufweisenden Wirbelkörpern, und mit wenigstens zwei an der Abströmseite derselben angeordneten Wirbelsensoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Ic) zwischen benachbarten von zwei oder mehr Wirbelsensoren (12a bis 12e,> im Bereich zwischen dem größten und dem kleinsten gegenseitigen Abstand der sich von den Wirbelkörpern ablösenden Wirbel liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkörper aus parallelen Stäben (11a bis He,) bestehen, welche in einer sich quer zur Strömungsrichtung erstreckenden Reihe angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkörper untereinander zu einem Gitter oder einen Sieb verbunden sind.

4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wirbelsensor (12a bis 12eJ aus einem mit Gleichstrom gespeisten Hitzdraht besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hitzdrähte (12a bis \2e) parallel zu der Reihe der stabförmigen Wirbelkörper (11 a bis 11 e) erstrecken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzdrähte (12a bis \2e) in Reihe geschaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzdrähte parallel geschaltet sind.