DE3036186C2

DE3036186C2 -

Info

Publication number: DE3036186C2
Application number: DE3036186A
Authority: DE
Inventors: Peter J. Morrisville Pa. Us Herzl
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1979-12-14
Filing date: 1980-09-25
Publication date: 1991-07-25
Also published as: JPS56103322A; DE3036186A1; FR2478304B3; GB2065884B; US4297898A; FR2478304A1; GB2065884A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Stromstärke eines ein Rohr durchströmenden Strömungsmittels nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer aus der US-PS 40 30 355 bekannten Vorrichtung dieser Art sind die stromabwärtigen Querriegel durch Quer stege miteinander verbunden, und diese Querstege sind ihrer seits durch Stege fester Länge mit dem stromaufwärtigen Querriegel verbunden.

Bei einer aus der DE-OS 27 53 543 bekannten ähnlichen Vorrichtung ist nur ein einziger Querriegel vorgesehen, der stromabwärts durch zwei nebeneinanderliegende Sensor rohre begrenzt ist. Die Breite dieses Querriegels quer zur Richtung des Stroms kann verändert werden, um Wirbel zu beeinflussen, die durch Öffnungen in die Sensorrohre ein treten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die einen verhältnis mäßig großen Bereich von Stromstärken unter Abgabe von mög lichst linear von den Stromstärken abhängigen Signalen erfaßt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben.

Die Erfindung sieht somit zwischen dem stromaufwärtigen Querriegel und den stromabwärtigen Querriegeln einen Spalt einstellbarer Weite vor. Die Einstellbarkeit dient der Linearisierung der von der Sensoranordnung abgegebenen Signale in bezug auf die Stromstärke des Strömungsmittels.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 schematisch das Verhalten der Vorrichtung nach Fig. 1, wenn ein Wirbel von dem einen Rand des stromaufwärtigen Querriegels abgelöst wird;

Fig. 4 schematisch das Verhalten der Vorrichtung nach Fig. 1, wenn ein Wirbel von dem anderen Rand des stromauf wärtigen Querriegels abgelöst wird;

Fig. 5, 6 und 7 schematisch drei aufeinanderfolgende Zu stände, die beim Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 1 auf treten;

Fig. 8A, B und C schematisch drei Temperatursensoranordnun gen zur Verwendung in der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 9A, B und C schematisch drei Drucksensoranordnungen zur Verwendung in der Vorrichtung nach Fig. 1,;

Fig. 10A, B und C schematisch drei Ultraschallsensoranord nungen zur Verwendung in der Vorrichtung nach Fig. 1 und

Fig. 11 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen der mit der Vorrichtung ermittelten Strömungsrate und dem prozentualen Fehler des Ablesewerts der Strömungsrate veranschaulicht.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung weist ein Rohr 10 auf, das in der Praxis in eine Leitung eingefügt wird, die eine Flüssigkeit oder ein Gas führt, deren bzw. dessen Strömung gemessen werden soll.

Innerhalb des Rohrs 10 (das in der dargestellten Ausfüh rungsform einen kreisförmigen Querschnitt hat) ist ein stromaufwärtiger Querriegel 11 von rechteckigem Querschnitt angebracht. Die Längsachse Y dieses Querriegels 11 verläuft senkrecht zur Strömungsachse X des Rohrs 10. Die ankommende Strömung, die auf den Querriegel 11 auftrifft, wird durch den Querriegel 11 geteilt, wodurch Strömungsstörungen in Form einer Karman-Wirbelstraße erzeugt werden.

Innerhalb des Rohrs 10 sind hinter dem stromaufwärtigen Querriegel 11 von diesem durch einen Spalt 12 getrennt zwei einander parallele stromabwärtige Querriegel 13, 14 symmetrisch bezüglich der Strömungsachse X in einer zu die ser senkrechten Ebene Z angeordnet. Der Zwischenraum zwischen den Querriegeln 13 und 14 bildet einen offenen Durchgang 15. Zum Erzeugen eines Signals, dessen Frequenz in linearer Beziehung zur Strömungsrate steht, ist eine Sensoranordnung vorgesehen, von der verschiedene Ausführungsformen in den Fig. 8, 9 und 10 gezeigt sind.

In Fig. 1 sind der Innendurchmesser A des Rohrs 10, die Brei te B und die Dicke C des rechteckigen stromaufwärtigen Quer riegels 11 gekennzeichnet, außerdem die Weite D des Spalts 12, die Dicke E der stromabwärtigen Querriegel 13, 14, die Weite F des Durchgangs 15 zwischen diesen Querriegeln 13, 14 und die Gesamtbreite G der stromabwärtigen Querrie gel 13, 14.

Die Länge der Querriegelanordnung 11, 12, 13 in Richtung der X-Achse ist durch C + D + E bestimmt und verhältnismäßig kurz. Das ist besonders wichtig bei Vorrichtungen zur Mes sung großer Strömungsraten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Breite B gleich dem 0,266-fachen, die Dicke C gleich dem 0,124-fachen, die Weite D etwa gleich dem 0,143-fachen, die Dicke E gleich dem 0,046-fachen, die Weite F gleich dem 0,123-fachen und die Gesamt breite G gleich dem 0,302-fachen des Innendurchmessers A. Die Weite D ist, wie weiter unten in näheren Einzelheiten erläutert wird, einstellbar, um die Linearität der Vorrich tung optimieren zu können. Mit diesen Bemessungen können außerordentlich hohe Genauigkeiten besser als 0,25% der Strömungsrate über einen Strömungsbereich von mehr als 15 : 1 erzielt werden.

In den Fig. 3 bis 7 sind im Querschnitt schematisch die Querriegel 11, 13, 14, der Spalt 12 und der Durchgang 15 dargestellt. Die ankommende Strömung wird durch den stromaufwärtigen Querriegel 11 in zwei Ströme geteilt, die abwechselnd auf der einen Seite und auf der anderen Seite des Spalts 12 Wirbel mit einer Wiederholungsrate erzeugen, die der Strömungsrate proportional ist.

Als Ergebnis wandert ein Zug von Wirbeln V_r auf der einen Seite und ein Zug von Wirbeln V₁ auf der anderen Seite des Rohrs 10 stromabwärts. Hinter dem stromaufwärtigen Querrie gel 11 bildet sich im Spalt 12 eine stagnierende Zone S, die anfänglich mit der Strömungsachse X fluchtet.

Fig. 3 zeigt einen einzelnen Wirbel V_r auf der einen Seite des Rohrs 10 benachbart dem Spalt 12. Dieser Wirbel V erzeugt einen Niedrigdruckbereich L, der die stagnierende Zone S aus der Strömungsachse X verschiebt und in eine sta bile Position vor den Querriegel 14 zieht. Infolge dieser Verschiebung der stagnierenden Zone S strömt die ankommende Strömung um den anderen Querriegel 13 herum und an diesem vorbei durch den offenen Durchgang 15 zwischen den Querrie geln 13, 14 und drückt dabei auf den Querriegel 13.

In Fig. 4 ist die Situation umgekehrt: hier ist der folgen de Wirbel V₁ dargestellt, der auf der anderen Seite des Rohrs 10 benachbart dem Spalt 12 erscheint und einen Niedrigdruckbereich L erzeugt, der die stagnierende Zone S in eine stabile Position vor den Querriegel 13 zieht. In diesem Falle strömt die ankommende Strömung um den Querrie gel 14 und an diesem vorbei durch den offenen Durchgang 15 zwischen den Querriegeln 13, 14 und drückt dabei auf den Quer riegel 14.

Wie Fig. 5 zeigt, ist die Strömung insofern nicht stabil, als sie abwechselnd von dem einen oder dem anderen Rand des vorderen Querriegels 11 durch den offenen Durchgang 15 zwi schen den Querriegeln 13 und 14 strömt. Da sich die stagnie rende Zone S im Spalt 12 abwechselnd zu den Querriegeln 13, 14 verschiebt, ist ihre Lage bei Abwesenheit von Wirbeln etwas instabil.

Wenn jedoch ein Wirbel V_r auf der einen Seite des Spalts 12 und danach ein Wirbel V₁ auf der anderen Seite des Spalts 12 erscheint, wirken die daraus resultierenden Niedrigdruckbereiche L als seitliche Druckkräfte auf die Strömung. Schon relativ kleine Druckkräfte bewirken, daß die stagnierende Zone S von Seite zu Seite wechselt, wenn abwechselnd Wirbel abgelöst werden. Wenn die stagnierende Zone S einmal in eine Position vor dem Querriegel 13 (Fig. 6) oder vor dem Querriegel 14 (Fig. 7) gelangt, wird auf den jeweils anderen Querriegel 14 bzw. 13 ein verhältnismäßig starker Druck ausgeübt.

Da die stagnierende Zone S die Tendenz hat, bistabil zu sein, sind selbst kleine, schwache Wirbel in der Lage, die stagnierende Zone S zwischen den Querriegeln 13, 14 umzu schalten. Die stagnierende Zone S wird also, wenn unter normalen Betriebsbedingungen starke Wirbel erzeugt werden, abwechselnd zwangsweise von Querriegel zu Querriegel um geschaltet; wenn jedoch, was gelegentlich vorkommt, die Wirbel schwächer werden, findet trotzdem ein Umschalten, d. h. ein Wechsel der stagnierenden Zone S von einem Quer riegel zum anderen statt. Infolgedessen wird ein sehr genau es, gleichförmiges Ausgangssignal unabhängig von der sich ändernden Stärke der in dem Rohr 10 erzeugten Wirbel erhal ten.

Bei einer Querriegelanordnung 11, 13, 14, wie sie in Fig. 8A gezeigt ist, sind Temperatursensoren 16, 17 auf den stromaufwärtigen Flächen der stromabwärtigen Querriegel 13, 14 angebracht. Jeder Sensor 16,17 erzeugt ein Signal, das der Strömungsrate entspricht. Alternativ können, wie in Fig. 8B gezeigt ist, Temperatur sensoren 18, 19 auf der stromaufwärtigen Fläche des stromaufwärtigen Quer riegels 11 in der Nähe von dessen Seitenflächen angeordnet sein. Auch kann, wie in Fig. 8C gezeigt ist, ein einziger Temperatursensor 20 stromabwärts der stromabwärtigen Querriegel 13, 14 ange ordnet sein. Ohne Schwierigkeit lassen sich empirisch diejenigen Stellen für die Temperatursensoren ermitteln, an denen man die besten Signale erhält.

Statt Temperatursensoren können auch Drucksensoren, wie piezoelektrische Drucksensoren, verwendet werden.

Hierzu können, wie in Fig. 9A gezeigt, zwei Drucksen soren 21 und 22 auf einander entgegengesetzten Seitenflächen des stromaufwärtigen Querriegels 11 angebracht sein. Es können aber auch zwei Drucksensoren 23 und 24, wie in Fig. 9B gezeigt, auf den stromaufwärtigen Flächen der stromabwärtigen Quer riegel 13 und 14 angeordnet sein. Schließlich können, wie in Fig. 9C gezeigt, Drucksensoren 25, 26 an einander diametral gegenüberliegenden Stellen des Rohrs 10 stromabwärtig der stromabwärtigen Querriegel 13, 14 angeordnet sein.

Fig. 10A zeigt eine Ultraschallsensoranordnung mit einem Ultraschallsender 27 an dem Rohr 10, der ein Ultraschall bündel längs eines Wegs 28 durch den Spalt 12 zwischen dem stromaufwärtigen Querriegel 11 und den stromabwärtigen Quer riegeln 13, 14 auf einen Ultraschallempfänger 29 an der gegenüberliegenden Seite des Rohrs 10 richtet. Strömungs wirbel, die den Weg 28 des Ultraschallbündels kreuzen, ver ändern die Übertragungseigenschaften des Strömungsmittels und bewirken dadurch eine Amplitudenmodulation des vom Ultraschallempfänger 29 abgegebenen, der Strömungsrate entsprechenden Signals.

Das Ultraschallbündel kann, wie Fig. 10B zeigt, das Rohr 10 auch vor dem stromaufwärtigen Querriegel 11 durchsetzen, wobei in diesem Fall ein Ultraschallsender 29′ und ein Ultraschallempfänger 27′ verwendet werden. Schließlich kann, wie Fig. 10C zeigt, das Ultraschallbündel das Rohr 10 auch stromabwärtig der stromabwärtigen Querriegel 13, 14 durch setzen, in welchem Falle ein Ultraschallsender 30 und ein Ultraschallempfänger 31 verwendet werden.

Die Vorrichtung arbeitet bei normalen Herstellungstoleranzen typischerweise mit einer Genauigkeit von ±0,5% der Strö mungsrate, statt mit einer Genauigkeit von ±0,25%, zu der sie an sich fähig ist.

Die Kurvendarstellung der Fig. 11 zeigt den prozentualen Fehler in Abhängigkeit von der Strömungsrate. Sie zeigt ferner, wie die Fehlerkurven durch geringe Änderungen der Weite D des Spalts 12 verändert werden können. Ersichtlich lassen sich die Fehler durch Än derung der Weite D in hohem Maße verringern.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Stromstärke eines ein Rohr (10) durchströmenden Strömungsmittels, mit einem eine vorbestimmte Geometrie aufweisenden, quer zur Strömungsachse (X) des Rohrs (10) angeordneten stromaufwärtigen Querriegel (11), mit zwei in Abstand von dem stromaufwärtigen Querriegel (11) symmetrisch zur Strömungsachse (X) des Rohrs (10) in einer zur Strömungsachse (X) des Rohrs (10) senkrechten Ebene in Abstand voneinander parallel zueinander angeordneten stromabwärtigen Querriegeln (13, 14) und mit einer Sensor anordnung (16, 17; 18, 19; 20; 21, 22; 23, 24; 25, 26; 27, 28, 29; 27′, 28, 29′; 30, 28, 31), die der Frequenz der sich im Wechsel von dem stromaufwärtigen Querriegel (11) ablösenden Wirbel entsprechende Signale abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem stromauf wärtigen Querriegel (11) und den stromabwärtigen Quer riegeln (13, 14) ein Spalt (12) befindet, dessen Weite (D) zur Linearisierung der von der Sensoranordnung (16, 17, 18, 19; 20; 21, 22; 23, 24; 25, 26; 27, 28, 29; 27′, 28′, 29′, 30, 28, 31) abgegebenen Signale in bezug auf die Stromstärke einstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung (16, 17; 18, 19; 20) eine Tempera tursensoranordnung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Temperatursensor (16, 17) an je einer strom aufwärtigen Fläche eines jeden stromabwärtigen Querriegels (13, 14) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursensoranordnung (18, 19) auf einer stromauf wärtigen Fläche des stromaufwärtigen Querriegels (11) ange ordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursensoranordnung (20) stromabwärts der stromabwärtigen Querriegel (13, 14) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung (21, 22; 23, 24; 25, 26) eine Drucksensor anordnung ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Drucksensor (21, 22) auf je einer Seitenfläche des strom aufwärtigen Querriegels (11) angeordnet ist, von der sich die Wirbel ablösen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Drucksensor (23, 24) an je einer stromaufwärtigen Fläche eines jeden stromabwärtigen Querriegels (13, 14) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Drucksensor (25, 26) stromabwärts der stromab wärtigen Querriegels (13, 14) an einander gegenüberliegenden Stellen des Rohrs (10) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung (27, 28, 29; 27′, 28, 29′; 30, 28, 31) eine Ultraschallsensoranordnung ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultraschallschranke (27′, 28, 29′) den Strom strom aufwärts des stromaufwärtigen Querriegels (11) durchsetzt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultraschallschranke (27, 28, 29) den Strom zwischen dem stromaufwärtigen Querriegel (11) und den stromabwärtigen Querriegeln (13, 14) durchsetzt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultraschallschranke (30, 28, 31) den Strom stromab wärts der stromabwärtigen Querriegel (13, 14) durchsetzt.