DE3130722A1

DE3130722A1 - Fluidstroemungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE3130722A1
Application number: DE19813130722
Authority: DE
Inventors: Harish Chandra Denton Manchester Gulati; William Bateman Alderley Edge Cheshire Hall; John Thomas Higher Disley Stockport Turner; Arnold Castor Bay Auckland Watson
Original assignee: Victoria University of Manchester; University of Manchester
Current assignee: Victoria University of Manchester; University of Manchester
Priority date: 1980-08-16
Filing date: 1981-08-03
Publication date: 1982-04-08
Also published as: US4393721A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluidströmungsmeßvorrichtung und basiert auf der Erkenntnis, daß, wenn Fluid über ein körperliches Hindernis hinweggeht, die sich ergebende Druck- und Geschwindigkeitsschwankung in dem Fluid erfaßt werden kann.

Der hier verwendete Begriff "Fluid" umfaßt Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe.

Die Erfindung schafft eine Fluidströmungsmeßvorrichtung, die gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung, die einen Fluidströmungsweg bildet, durch Berg- und TaIf orraat ionen, die längs des Weges angeordnet sind, so daß die Strömung eines Fluids, die über diese Formationen hinweggeht, ein Signal erzeugt, das von der Fluidströmung abhängig ist,

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durch eine Einrichtung zum Erfassen des Signals und durch eine Einrichtung zum Umwandeln des erfaßten Signals, um einen Meßwert der Fluidströmung zu liefern.

Die Fluidströmungsmessung, die durchgeführt wird, kann die Geschwindigkeit des Fluids oder dessen Durchflußleistung darstellen.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Vorrichtung einen rohrförmigen Körper, in welchem der Fluidströmungsweg gebildet ist, wobei die Berg- und Talformationen in dem rohrförmigen Körper auf wenigstens einem Teil von dessen Länge abwechselnd angeordnet sind.

Die Berg- und Talformationen können auf verschiedenerlei Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann die Wand des rohrförmigen Körpers innere Wellungen haben, die vorzugsweise durch eine Rille gebildet werden, welche sich schraubenlinienförmig längs der Innenfläche des Körpers erstreckt, es ist aber auch vorgesehen, Umfangswellungen zu verwenden. Da es schwierig sein kann, die Wellungen an der Innenfläche des rohrförmigen Körpers spanabhebend herzustellen, wird vorzugsweise ein dünnwandiger Körper benutzt, der insgesamt in Längsrichtung so verformt wird, daß sich die erforderlichen inneren Wellungeh ergeben.

In einem weiteren Beispiel, werden die Berg- und Talformationen auf der Außenfläche eines massiven oder hohlen langgestreckten. Körpers hergestellt, der in den rohrförmigen Körper eingeführt wird, so daß ein langgestreckter ringförmiger Strömungsweg zwischen der Innenwand des rohrförmigen Körpers und der Außenfläche des Einsatzes gebildet wird. Dieser Einsatz hat vorzugsweise einen Vorsprung, der sich schraubenlinienförmig über die Länge des Körpers erstreckt, so daß schraubenlinienförmige Berge und Täler längs des Körpers gebildet sind. Eine solche

schraubenlinienförmige Berg- und Talformation könnte, beispielsweise, aus einem Präzisionsschraubengewinde bestehen, das an dem Einsatz spanabhebend hergestellt wird. Außerdem sind bei einem solchen Einsatz die Enden allmählich abgeschrägt, das heißt sie haben einen Winkel von 10 bis 16°, so daß das Fluid mit minimaler Störung gleichmäßig um den Einsatz strömen kann, wodurch ein zufriedenstellendes Signal gewährleistet wird, und das Schraubengewinde erstreckt sich wenigstens über eine kurze Strecke auf die verjüngten Enden. Die verjüngten Enden selbst können durch kurse Stangen od.dgl. verlängert sein, auf denen geeignete Träger angeordnet werden können, um den Einsatz in dem'rohrförmigen Körper, vorzugsweise konzentrisch innerhalb desselben, zu haltern.

Es wird bevorzugt,, daß die Berge Maxima sind, im Gegensatz zu der Tatsache, daß sie irgendeinen Grad an Ebenheit haben. Das bedeutet jedoch nicht, daß die Berge scharf zugespitzt sein müssen, und tatsächlich wird bevorzugt, daß die oberen Teile der Berge im Querschnitt ein gekrümmtes Profil rechtwinkelig zu den schraubenförmigen Windungen oder zu dem Umfang, je nach Lage des Falles, haben. Außerdem wird bevorzugt,· daß die Täler ein ähnliches Profil haben, obgleich es sich gezeigt hat, daß in den Tälern ein größerer Grad an Ebenheit toleriert werden kann. In dem Fall von sowohl gewölbten (d.h. mit einem Radius versehenen) Tälern als auch gewölbten Bergen können die Berg- und Talradien gleich oder verschieden sein. Es dürfte vorzuziehen sein* daß es einen glatten übergang in der Oberfläche zwischen dem Ende des gewölbten Abschnitts eines Berges und dem Beginn eines gewölbten Abschnitts eines Tales gibt.

Wenn davon ausgegangen wird, daß die Bergformation schraubenförmig ist und gewölbte Berge und Täler vorhanden sind, wie oben beschrieben, dann ist es, wenn die Berghöhe vom

ό \ öl) / ΔΖ.

Grund eines benachbarten Tales gemessen wird und die Steigung oder Ganghöhe der Abstand zwischen den Mittelpunkten von aufeinanderfolgenden Bergspitzen ist, vorzuziehen, daß das Verhältnis von Berghöhe zu Teilung in dem Bereich von O,2 bis 0,6 liegt und daß das Verhältnis des Radius des Berges oder des Tals zu der Steigung in dem Bereich von 0,1 bis 0,4 liegt.

Ungeachtet der Form der Berge und Täler können diese dieselbe Konfiguration auf der Länge des Fluidströmungsweges haben, so daß.ein regelmäßiger Abstand von Berg zu Berg und von Tal zu Tal vorliegt. Dieser regelmäßige Abstand kann das Erzeugen eines regelmäßigen periodischen Signals unterstützen, das ä,i.e Fluidströmung darstellt, die gemessen wird. Stattdessen können die Berge und Täler unterschiedliche Konfigurationen über der. Länge des Fluidströmungsweges haben und so zu einer Ausdehnung des Bereiches der Fluidströmungsgeschwindigkeit, in welchem die Vorrichtung arbeiten wird, beitragen.

Es ist außerdem vorzuziehen, daß die Oberflächenbeschaffenheit der Berge und Täler aerodynamisch glatt ist, und zwar in demselben Sinn, in welchem dieser Ausdruck normalerweise in der Aerodynamik und in. der Strömungsmechanik benutzt wird. Das bedeutet, daß die Oberflächenrauhigkeit sich nicht über den Rand der laminaren Unterschicht eines über die Oberfläche strömenden Fluids hinaus erstrecken sollte, wobei die laminare Unterschicht derjenige Bereich der Strömung an der Oberfläche ist, in welchem viskose Vorgänge vorherrschen und welcher durch turbulente Schwankungen nicht beeinflußt wird.

Das Strömen des Fluids auf dessen Strömungsweg erzeugt eine periodische Druckschwankung, und es wird auch eine periodische Geschwindigkeitsschwankung auf dem Weg geben, die beide durch den Hinweggang des Fluids über die Berg- und

0 4

9 -

Taiforraationen verursacht werden. Sowohl die Druck- als auch die Geschwindigkeitsschwankungen sind für die Fluidströmung repräsentativ und stellen Signale dar, die zum Messen der Fluidströmung erfaßt werden können.

Ungeachtet dessen, ob die Druck- oder die Geschwindigkeitsschwankung benutzt wird, wird ein Signaldetektor vorzugsweise an dem stromabwärtigen Ende des Fluidströmungsweges angeordnet, da es sich gezeigt hat, daß an dieser Stelle ein klareres Signal erzeugt wird, welches durch Hintergrundstörungen weniger beeinflußt wird als in dem Fall, in welchem der Detektor an einer stromaufwärtigen Stelle angeordnet ist.

Es sind Einrichtungen vorgesehen zum Verarbeiten des erfaßten Signals, die die Fluiddurchflußleistung oder -geschwindigkeit oder eine Darstellung derselben liefern.

In einigen Fällen ist das erzeugte Signal von gewissen Parametern abhängig, wie beispielsweise der Viskosität und der Dichte des Fluids, weshalb durch eine Umwandlungseinrichtung diese Differenzen berücksichtigt werden müssen, wenn die Vorrichtung zum Messen der Strömung von unterschiedlichen Fluids benutzt werden soll.

Die Art, auf die das Signal erzeugt tvird, ist noch nicht völlig geklärt, es wird aber angenommen, daß es das Ergebnis einer fluidmechanischen Kopplung zwischen Druckveränderungen, die durch den Hinweggang von Fluid über die Spitzen und Täler verursacht werden, und Eigenfrequenzen des Systems ist, die durch die Geometrie des Fluidströmungsweges und durch Parameter des Fluids bestimmt werden, beispielsweise durch die Durchflußleistung oder Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur, den Druck, die Schallgeschwindigkeit und die Viskosität« Soweit es DruckSchwankungen anbetrifft, so wird

angenommen, daß es aufeinanderfolgende Kompressionen und Verdünnungen in dem Fluid gibt, wenn dieses sich auf dem Strömungsweg über die Täler und Berge bewegt, und daß diese Veränderungen eine schwache Durchgangsfrequenz darstellen, die durch die Geschwindigkeit festgelegt wird, mit der das Fluid über die Berge hinweggeht, welche durch die Kenndaten des Systems verstärkt wird, um das Signal zu erzeugen, das erfaßt wird. Eine sehr einfache Analogie ist die einer Orgelpfeife, die in Resonanz schwingt, wenn eine Stimmgabel ausreichend nahe an der Mündung der Pfeife angeordnet wird.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann benutzt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen, Flüssigkeiten oder Dämpfen zu messen, obgleich klar ist, daß andere Konstruktionen von Fluidstromungsmeßvorrichtungen, die im Rahmen der Erfindung liegen, für unterschiedliche Verwendungszwecke erforderlich sein können. Die Vorrichtung für andere Verwendungszwecke würde sich beispielsweise in der Gesamtlänge, in der Breite des Strömungsweges, in der Anzahl der Berg- und Talformationen usw. unterscheiden. Der Teil oder die Teile der Meßvorrichtung, die mit dem Fluid in Berührung kommen, können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, beispielsweise aus Stahl, Kunststoff, usw. Für gewisse Verwendungszwecke wird die Materialauswahl durch das Fluid diktiert, dessen Strömung zu messen ist. Beispielsweise würde in einer Vorrichtung zum Messen der Strömung von schmelzflüssigem Metall ein Keramikmaterial gewählt werden.

Es wird angenommen, daß die Erfindung hauptsächlich als Meßinstrument zum Messen der Haushalts- oder Industriegasversorgung verwendet werden wird.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen ■

die Fig. 1 und 2 schematisch zwei Arten von Strömungswegen für die Verwendung in einer Strömungsmeßvorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ein

satzes, der Berg- und Talformationen hat und für den Einsatz innerhalb eines rohrförmigen Körpers vorgesehen ist, um einen ringförmigen Fluidströmungsweg zu begrenzen, und

die Fig. 4 bis 6 vergrößerte Schnittansichten, die typische

Berg- und Talformationen für den Einsatz von Fig. 3 zeigen, wobei die Schnitte in einer Ebene rechtwinkelig zu den schraubenförmigen Windungen oder dem Umfang der Berge und Täler geführt sind.

Fig„ 1 zeigt ein Stück eines rohrförmigen Körpers, der insgesamt mit 1 bezeichnet ist und mit einer sich schraubenförmig erstreckenden Bergformation 2 sowie mit einer sich schraubenförmig erstreckenden Talformation 3 auf seiner Innenoberfläche durch geeignetes Verformen des Körpers 1 versehen worden ist. Der Körper 1 kann als ein Abschnitt eines Fluid führenden Rohres vorgesehen werden und wird mit einem weiter unten beschriebenen Signaldetektor versehen, der vorzugsweise an seinem stromabwärtigen Ende angeordnet ist, um das durch die Fluidströmung in dem Körper 1 erzeugte Signal aufzunehmen.

In einer anderen Anordnung, die in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein glatter rohrförmiger Körper 4 vorgesehen, in welchem ein insgesamt mit 5 bezeichneter Einsatz angeordnet ist, der eine sich schraubenförmig erstreckende Bergformation 6 sowie eine entsprechende Talformation 7 aufweist. Der Einsatz 5, der ein massives oder geschlossenes hohles Teil ist, begrenzt innerhalb des Körpers 4 einen ringförmigen- Fluidströmungsweg 8.

- 12"- "

Ein Signaldetektor oder Meßwandler 20 ist an der Wand des rohrförmigen Körpers 4 an dem stromabwärtigen Ende des Strömungsweges 8,um das Teil 5 befestigt. Der Meßwandler kann somit die Druck- oder Geschwindigkeitsschwankung, die das Fluid örtlich erfährt, erfassen, und zwar beispielsweise in Form eines schwingenden akustischen Signals, das einem Verstärker 21 zugeführt wird. Das verstärkte Signal wird einem Filter 22 zugeführt, welches das Signal analysiert und unerwünschte Komponenten unterdrückt, bevor das Signal zu einem Frequenzmesser oder Zähler 23 geleitet wird, der die dominierende Frequenz mißt und eine Anzeige, geeicht in Werten der Strömungsgeschwindigkeit, auf einer Digital- oder Analoganzeigevorrichtung 24 liefert,, die bei Bedarf mit einer Möglichkeit zum Aufzeichnen der Geschwindigkeit und/oder des Volumens von hindurchgegangenem Fluid versehen sein kann.

Figur 3 zeigt einen bevorzugten Typ von Einsatz zur Verwendung in der in Figur 2 dargestellten Anordnung. Der Einsatz von Figur 3 ist ein massives Teil, das einen insgesamt zylindrischen Mittelteil 9, einen kegelförmigen Abschnitt 10 an jedem Ende des zylindrischen Teils 9 und Endstangenteile 11 an den äußeren Enden der kegelförmigen Abschnitte 10 hat.

Der zylindrische Teil 9 hat schraubenförmige Berg- und Talformationen 9a, zum Beispiel ein Präzisionsschraubengewinde, auf seiner Länge, und diese Formationen erstrecken sich an jedem Ende auf einen der kegelförmigen Abschnitte 10, die ihrerseits unter einem Winkel a° gegen den zylindrischen Teil 9 geneigt sind. Die Endstangenteile 11 werden in Verbindung mit geeigneten Haltern benutzt, um den Einsatz konzentrisch innerhalb des Rohres 4 festzuhalten, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Die Gesamtlänge des Teils 9 und der Abschnitte 10 ist mit A bezeichnet, während die Länge jeder Stange 11 mit B bezeichnet ist. Der maximale

Durchmesser des Teils 9 ist mit C bezeichnet und der der Stangenteile 11 mit D.

Die Figuren 4 bis 6 zeigen typische Beispiele von schraubenförmigen Bergformationen 12 und Talformationen 13, wobei die schraubenförmigen Formationen eine Steigung oder Ganghöhe von P Millimetern haben und ein Abstand von J Millimetern zwischen der vertikalen Mittellinie eines Berges 12, wie in den Zeichnungen dargestellt, und dem Grund des nächsten benachbarten Tals 13 vorhanden ist.

Figur 4 zeigt eine Formation, in der die Berge 12 und die Täler 13 beide den gleichen Radius haben, wobei der Radius ein Viertel der Steigung beträgt. Exemplarische Parameter für einen Einsatz des in Figur 3 gezeigten Typs, der die Formation von Figur 4 aufweist, sind in Figur angegeben, wobei die Abmessungen von A, B, C und D in Millimetern angegeben sind.

	P	A	B	TABELLE 1	D	• J	P	O α
	,23	40	150	C	10	1/2	P	14
4	,23	40	250	15,22	10	1/2	P	14
4	,35	40	250	15,22	10	1/2	P	14
6	,18	40	250	15,22	10	1/2		14
3			15,22

Die Berge 12 und die Täler 13 der in Figur 5 gezeigten Formation sind im Querschnitt insgesamt dreieckig, wobei die Spitzenwinkel 60 betragen und die Gipfel der Berge und die Grunde der Täler jeweils einen Radius von O,O86P haben. Tabelle 2 zeigt exemplarische Parameter für einen Einsatz des in Figur 3 gezeigten Typs bei Verwendung der Formation von Figur 5.

ό IJU /ZZ

TABELLE 2

ο BCDJa

4,23 40 250 15,22 10 1/2Ρ 14

Die Formation von Figur 6 hat einen Radius aufweisende Berge 12, wobei der Radius ein Viertel der Teilung beträgt, und Täler 13 mit einem ebenen Grund, dessen Breite gleich der Hälfte der Steigung ist. Tabelle 3 zeigt exemplarische Parameter für einen Einsatz des in Figur gezeigten Typs bei Verwendung der Formation von Figur

TABELLE 3

ο A B C D J Q

14 14 14

4	,23	40	150	15,22	10	1/4P
4	,23	40	250	15,22	10	1/4P
4	,23	40	380	15,22	10	1/4P

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Claims

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Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt Professional representatives before the European Patent Office

Erhardtstrasse 12, D-8000 München 5

Patentanwälte Menges«. Prahl, Erhardtstr 12. D-8000 München 5 Dipl.-lng.Rolf Menges

Dipl.-Chem. Dr. Horst Prahl

Telefon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT München

Ihr Zeichen/Your ret:

UnserZeichen/Ourref. V

Datum/Date 03.08.81

The Victoria University of Manchester Manchester, England

Patentansprüche:

(l J Fluidströmungsmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Einrichtung _r- die einen Fluidströmungsweg bildet, durch Berg- und Talformationen (2,3.;6,7), die längs des Weges angeordnet sind_r so daß die Strömung eines Fluids über die Formationen ein Signal erzeugt, das von der Fluidströmung abhängig ist, durch eine Einrichtung (20) zum Erfassen des Signals und durch Einrichtungen (21-24) zum Umwandeln des erfaßten Signals, um einen Meßwert der Fluidströmung zu liefern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen rohrförmigen Körper (4), in welchem der Fluidströmungsweg (8) gebildet ist, wobei die Berg- und Talformationen (6,7) in dem rohrförmigen Körper wenigstens auf einem Teil seiner Länge abwechselnd angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen rohrförmigen Körper (1), dessen Wand über dessen Länge verformt ist, so daß Wellungen gebildet sind, die die Berg- und Talformationen (2,3) innerhalb desselben bilden.

J I JU /ZZ
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen glatten rohrförmigen Körper (4), der ein inneres Teil (5) enthält, das mit Berg- und Talformationen (6,7) an seiner Außenfläche versehen ist, wobei der Strömungsweg (8) zwischen der Außenfläche des Teils (5) und der Innenfläche des rohrförmigen Körpers (4) gebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berg- und Talformationen (2, 3; 6, 7) durch einen Vorsprung gebildet sind, der sich schraubenförmig über die Länge des Fluidströmungsweges erstreckt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endbereiche (10) des inneren Teils (5) zu dessen äußeren Enden hin konisch zulaufen, wodurch Fluid mit minimaler Störung gleichmäßig um das Teil (5) strömen kann.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Berge (12) im Querschnitt ein gekrümmtes Profil haben.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Täler (13) im Querschnitt ein gekrümmtes Profil haben.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Berge (12) und die Täler (13) im Querschnitt ein gekrümmtes Profil haben, wobei ein glatter Übergang in der Oberfläche zwischen dem Ende der Krümmung jedes Berges und dem Beginn der Krümmung jedes benachbarten Tales vorhanden ist.
10. Vorrichtung nach einem der. Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Berghöhe zu Bergteilung (P) in dem Bereich von 0,2 bis 0,6 liegt.
11 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Krümmungsradius jedes Berges (12), im Querschnitt, zu der Bergteilung (P) in dem Bereich von 0,1 bis 0,4 liegt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe jedes Berges (12) über dem Grund des benachbarten Tals (13) gleich der Hälfte der Teilung (P) der Berge ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe jedes Berges (12) über dem Grund des benachbarten Tals (13) gleich einem Viertel der Teilung (P) der Berge ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Berge (12) und Täler (13) über der Länge des Fluidströmungsweges eine sich verändernde Konfiguration haben.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20) zum Erfassen des Signals in dem Gebiet des stromabwärtigen Endes des Fluidströmungsweges (8) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erfassen des Signals ein Meßwandler (20) ist, der in bezug auf den Fluidströmungsweg (8) so angeordnet ist, daß er Schwankungen in den Fluidströmungskenndaten darin erfaßt, um ein Signal zu erzeugen, welches diese darstellt, und daß die Einrichtungen (21-24) zum Umwandeln des erfaßten Signals einen Verstärker (21), einen Filter (22) zum Unterdrücken der unerwünschten Komponenten des Signals, eine Frequenzmeß- oder Zählvorrichtung (2 3) und eine Anzeigeeinrichtung (24) umfassen.

O I OU / Z./.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (24) in Werten der Fluidströmungsgeschwindigkeit geeicht ist.