DE3818417A1 - Durchflussmesser mit wirbelkoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser für strömen­ de Medien mit einem Strömungskanal, in dem ein vom zu messenden Medium umströmter Wirbelkörper angeordnet ist, der mit einem Aufnehmer zur Erfassung der Frequenz der Ablösewirbel in Verbindung steht, dessen Signalausgang einer Rechnerschaltung aufgeschaltet ist.

Die Durchflußmenge pro Zeiteinheit bei gegebenem Kanalquer­ schnitt ist direkt proportional zur Geschwindigkeit des strömenden Mediums. Zur Bestimmung der Durchflußmenge pro Zeiteinheit kommt es daher darauf an, die Strömungs­ geschwindigkeit des Mediums zuverlässig und verzögerungs­ frei zu erfassen. Wird von einer Strömung ein Störkörper angeströmt, so lösen sich wechselseitig an beiden Seiten des Körpers Wirbel ab, eine sog. Karman′sche Wirbelstraße. Die Ablösefrequenz der Wirbel ist direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit, so daß über eine Messung der Ablösefrequenz die Bestimmung der Strömungsgeschwin­ digkeit und damit die Bestimmung der Durchflußmenge pro Zeiteinheit möglich ist. Zur Bestimmung der Frequenz müssen noch die Einfluß­ faktoren der Geometrie des Störungs- bzw. Wirbelkörpers sowie die Einflußfaktoren des strömenden Mediums selbst in bekannter Weise bestimmt werden.

Da die Ablösewirbel innerhalb der Strömung lokale Druck­ schwankungen erzeugen, die in der Frequenz der Wirbelab­ lösung liegen, hat man bei einem bekannten System hinter dem Wirbelkörper einen Druckaufnehmer angeordnet, der mit zwei Membranen versehen ist, über die die Frequenz der Druckwechsel aufgenommen und zu einem entsprechenden Meßsignal verarbeitet wird.

Bei einem anderen bekannten System ist der stabförmig ausgebildete Wirbelkörper unter Zwischenschaltung von zwei Piezosensoren einseitig eingespannt, so daß die quer zur Strömungsrichtung von den sich ablösenden Wirbeln auf den Wirbelkörper alternierend wirkenden Kräften als Frequenzsignal erfaßt und ebenfalls zu einem die Durch­ flußmenge pro Zeiteinheit wiedergebenden Meßsignal umge­ formt werden können.

Beide Systeme sind hinsichtlich der Erfassung der Ablöse­ frequenz der Wirbel kompliziert und empfindlich, so daß sie praktisch nur für die Messung von sauberen Flüssig­ keiten, Gasen und Dämpfen verwendbar sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Aus­ nutzung des Wirbelprinzips einen einfachen Durchflußmesser der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, der einfach im Aufbau, widerstandsfähig, und wenig störanfällig ist, sowie eine einfache Erzeugung des Meßsignals ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wirbelkörper im Strömungskanal quer zur Strömungs­ richtung hin und her pendelbar gelagert ist und das zur Erfassung und Erzeugung des frequenzabhängigen Meßsignals dem Wirbelkörper ein Bewegungssensor zugeordnet ist. Durch die pendelbare Lagerung des Wirbelkörpers im Strömungskanal erfährt dieser unter dem Einfluß der durch die Ablösung der Wirbel erzeugten Kräfte quer zur Strömungsrichtung Auslenkungen von mehreren mm nach beiden Seiten hin, die im Vergleich zu möglichen Störschwingungen des Rohrleitungs­ systems selbst so groß sind, daß diese vom Bewegungssensor nicht erfaßt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Frequenz der Hin- und Herbewegung auch berührungslos abgenommen werden kann, so daß es möglich ist, den Wirbelkörper im strömenden Medium und den Bewegungs­ sensor außerhalb des strömenden Mediums, insbesondere auf der Außenseite des Strömungskanals, anzuordnen. Dies hat den Vorteil, daß auch elektrisch leitfähige Medien in einfacher Weise meßbar sind und daß ferner die Vor­ schriften des Explosionsschutzes in einfacher Weise eingehalten werden können. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn Anschläge zur Begrenzung der Querbewegung des Wirbel­ körpers vorgesehen sind. In der einfachsten Form, insbeson­ dere bei kleineren Durchmessern des Strömungskanals kann die Kanalwandung selbst die Anschlagsbegrenzung für die Querbewegung des Wirbelkörpers bilden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Wirbelkörper über ein Gelenk mit einem Festpunkt verbunden ist. Bei einem Wirbelkörper, der im wesentlichen stabför­ mig ausgebildet ist und einen in etwa trapezförmigen Quer­ schnitt aufweist, kann dies in der einfachsten Weise da­ durch geschehen, daß das Gelenk an einem Ende des Stabes angeordnet ist, wobei die Drehebene des Gelenks senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft. Statt eines Drehgelenkes, das zweckmäßigerweise als Schneidengelenk ausgebildet ist, kann das Gelenk auch als Federgelenk ausgebildet sein, wobei zwischen dem Festpunkt und dem Wirbelkörper eine entsprechend dimensionierte Biegefeder angeordnet ist.

Um einerseits die schwingende Masse möglichst gering zu halten und um andererseits die Eigenfrequenz des als Pendel konzipierten Wirbelkörpers beeinflussen zu können, ist in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Wirbelkörper starr mit wenigstens einem Haltestab verbunden ist, dessen anderes Ende mit dem Gelenk versehen ist. Durch Veränderung der Masse des Wirbelkörpers und/oder der Länge des Haltestabes läßt sich so die Eigenfrequenz und damit auch der Meßbereich des Systems vorgeben.

Der Haltestab kann hierbei starr sein oder aber wiederum auch als Biegefeder ausgebildet werden, wobei dann die starre Einspannung der Biegefeder die Funktion des Gelenks übernimmt.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß ein, vorzugsweise zwei biegesteife Haltestäbe vorge­ sehen sind, die sich in Strömungsrichtung erstrecken und die an einem mit dem Strömungskanal verbindbarem Tragele­ ment angelenkt sind. Die Anordnung erfolgt hierbei zweck­ mäßigerweise so, daß sich das Tragelement in Bezug auf die Strömungsrichtung hinter dem Wirbelkörper befindet. Hierdurch werden Störungen durch sich von dem Tragelement ablösende Wirbel vermieden. Bildet man jedoch das Trag­ element so aus, daß die auf den Wirbelkörper auftreffende Kanalströmung ungestört ist, so kann die Anordnung auch so erfolgen, daß der Anlenkungspunkt in Strömungsrichtung gesehen vor dem Wirbelkörper liegt. Diese Anordnung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Strömungskanal horizontal verläuft, da dann die Strömung selbst als Rückstellkraft wirksam wird und so eine einwandfreie Hin- und Herbewegung unter dem Einfluß der Ablösewirbel gewähr­ leistet ist. Diese Anordnung ist vor allem bei der Messung von strömenden Medien mit höherer Viskosität einerseits und einem Wirbelkörper mit möglichst geringer Masse anderer­ seits zweckmäßig, so daß in solchen Einsatzfällen eine derartige Anordnung auch in vertikalen oder geneigt verlau­ fenden Kanälen verwendet werden kann.

In zweckmäßiger Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, daß der Haltestab einen flachen Querschnitt aufweist, dessen große Längsseite sich in Bewegungsrichtung erstreckt. Hierdurch ergibt sich zum einen ein geringer Strömungswider­ stand in der Pendelebene des Wirbelkörpers, so daß die durch das strömende Medium selbst ausgeübte Dämpfung ver­ nachlässigbar ist. Zum anderen ergibt sich im Hinblick auf die Dauerbelastung, insbesondere dann, wenn die An­ schläge zur Begrenzung der Pendelbewegung am Haltestab angreifen, ein Querschnitt von hoher Festigkeit.

Die Form des Strömungskörpers kann weitgehend frei gewählt werden. Neben einer Ausbildung als stabförmiges Prisma mit im wesentlichen trapezförmigem Querschnitt, wobei die längere Trapezbasis gegen die Strömungsrichtung weist und dementsprechend die Kanten als Abreißkanten wirken, kann der Wirbelkörper auch als Kugel oder Zylinder ausge­ bildet werden, wobei jedoch hier längs einer Mantellinie bzw. einer Umfangslinie eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Abreißkante vorzusehen ist.

In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß der Bewegungssensor durch einen mit dem Wirbelkörper verbundenen Permanentmagneten gebildet wird, dem auf der Außenseite der Kanalwandung eine Induktionsspule zuge­ ordnet ist, wobei die Kanalwandung zumindest in diesem Bereich aus einem magnetisch durchlässigen Material hergestellt ist. Ein derartiger Bewegungssensor ist nicht nur einfacher im Aufbau sondern hat auch den Vorteil, daß im strömenden Medium selbst zur Meßwerterzeugung keiner­ lei elektrische Ströme fließt. Alle mit elektrischen Strömen beaufschlagten Teile sind außerhalb angeordnet, so daß auch eine explosionssichere Kapselung des Meßwert­ aufnehmers und der damit zu verbindenden Meßumformerschal­ tung und Meßwertanzeige und/oder -signalweiterleitung möglich ist.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist schließlich vorgesehen, daß der Wirbelkörper mit seinem Haltestab und seinem Tragelement und mindestens mit der Induktions­ spule als Steckeinheit lösbar mit dem Strömungskanal ver­ bunden sind.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen und Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Strömungskanal mit einem über eine Biegefeder angelenkten Wirbelkörper,

Fig. 2 einen Längsschnitt gem. der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch einen Strömungskanal angelenkten Wirbelkörper,

Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch die Anordnung gem. Fig. 3,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Strömungskanal mit einer als Einsteckeinheit ausgebildeten Anordnung mit biegesteifen Haltestäben und Gelenken,

Fig. 6 einen Schnitt gem. der Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 im Vertikalschnitt eine Anordnung für großen Kanaldurchmesser,

Fig. 8 die Anordnung gem. Fig. 7 im Horizontalschnitt.

Bei der in Fig. 1 schematisch angedeuteten Anordnung ist ein Strömungskanal 1 mit einem seitlichen Einsteckstutzen 2 versehen, in den ein Halteblock 3 abgedichtet eingesetzt werden kann. Mit dem Halteblock 3 ist ein Wirbelkörper 4 quer zur Längsrichtung des Strömungskanals 1 pendelbar angelenkt, wobei die Anlenkung 5 durch eine im Halteblock 3 fest eingespannte kleine Biegefeder gebildet werden kann, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Biegefeder kann in ihrer Steifigkeit und in ihrer Länge je nach Einsatzfall weich bemessen sein, so daß sie praktisch wie ein mechanisches Gelenk wirkt, so daß für die Kriterien der Pendelbewegung lediglich die Bemessung des Wirbelkörpers ausschlaggebend ist. Die Biegefeder kann jedoch auch in ihrer Federsteifig­ keit so ausgelegt werden, daß sie zusammen mit der Masse des Wirbelkörpers ein Federpendel bildet, so daß die Reso­ nanzfrequenz und damit die Meßbereichsgrenzen sowie die ansprüchige Empfindlichkeit genau definiert werden können.

Der Wirbelkörper 4 ist mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden Permanentmagneten 6 versehen, dessen einer Pol auf der dem Gelenk 5 abgekehrten Seite bis in den Bereich der Kanalwandung geführt ist. In diesem Bereich ist auf der Außenseite des Strömungskanals 1 eine Induktions­ spule 7 angeordnet, die mit einem Meßumformer-/Steuerschal­ tung 8 in Verbindung steht.

Wie der Längsschnitt gem. Fig. 2 zeigt, weist der Wirbel­ körper 4 einen prismatischen Querschnitt auf, wobei die größere Basisfläche gegen die durch den Pfeil 9 vorge­ gebene Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Bei einem als Biegefeder 10 ausgebildetem Gelenk ist diese mit ihrer Schmalseite gegen die Strömungsrichtung gewandt, so daß der Durchströmung ein geringer Strömungswiderstand entge­ gengesetzt wird und das schwingende System bei seiner durch den Doppelpfeil 11 gekennzeichneten Hin- und Herbe­ wegung in Verbindung mit der Viskosität des zu messenden strömenden Mediums eine gewisse Dämpfung erfährt.

Von den beiden Vorderkanten 12 lösen sich nun periodisch Wirbel 13 ab, die eine sog. Karman′sche Wirbelstraße bilden. Die hierdurch induzierten lokalen Druckunterschie­ de üben auf den Wirbelkörper 4 quer zur Strömungsrichtung Kräfte aus, so daß dieser im Takte der Ablösefrequenz hin und her bewegt wird. Über den Permanentmagneten 6 und die Induktionsspule 4 wird hiermit ein Wechselstrom mit den Bewegungsfrequenzen des Wirbelkörpers induziert. Da nur die Frequenz als Meßzahl benötigt wird, ist die Schwingweite des Wirbelkörpers nur insoweit von Bedeutung, als die Bewegungsgeschwindigkeit des Poles beim Durchgang durch die Nullage also im Zuordnungsbereich der Spule möglichst groß sein muß, um ein ausreichend starkes Meß­ signal zu erzeugen.

Die Anordnung gem. Fig. 3 entspricht im Prinzip der Anord­ nung gem. Fig. 1. Hier ist jedoch als Anlenkung am Halte­ block 3 ein Schneidengelenk 14 vorgesehen, an dem der Wirbelkörper 4 über einen biegesteifen Haltestab 15 ange­ lenkt ist. Im übrigen entspricht der Aufbau der Anordnung gem. Fig. 1. Die Masse des Wirbelkörpers 4 sowie die Länge des Haltestabes 15 bestimmen hier die Pendelbedingungen.

Wie der Schnitt gem. Fig. 4 zeigt, kann der Wirbelkörper 4 beispielsweise auch als Zylinder ausgebildet sein. Es ist lediglich erforderlich, daß längs einer Mantellinie durch einen längslaufenden Steg 16 die Abreißkante 12 zur Erzeugung der Ablösewirbel angeordnet ist.

Bei der Ausführungsform gem. Fig. 5 ist ein als Einsteck­ einrichtung ausgebildetes Tragelement 17 vorgesehen, das sich quer zur Strömungsrichtung (Pfeil 9) des zu messenden Mediums erstreckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Strömungskanal 1 vertikal ausgerichtet, wobei die Strömungsrichtung von unten nach oben verläuft. An dem Tragelement 17 ist über zwei Schneidengelenke 14 und zwei biegesteife Haltestäbe 15 ein Wirbelkörper 4 befestigt. Das Tragelement 17 liegt hierbei in Bezug auf die Strömungs­ richtung hinter dem Wirbelkörper 4. Im Wirbelkörper 4 ist wiederum, wie anhand von Fig. 1 und 3 erläutert, ein Permanentmagnet 6 angeordnet, dessen einem Pol auf der Außenseite des Kanals eine in den Flansch 18 der Steck­ einheit integrierte Induktionsspule 7 zugeordnet ist. Am Tragelement 17 sind ferner Anschläge 19 angeordnet, die den Ausschlag des Wirbelkörpers 4 nach beiden Seiten hin begrenzen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Länge der Haltearme 15 vom Querschnitt des Strömungskanals unabhängig ist, so daß die Anordnung selbst in Strömungs­ kanälen mit einem freien Querschnitt eingesetzt werden kann, der kleiner ist als die aufgrund der Resonanzbe­ dingungen erforderlichen Länge der Haltestäbe.

Wie der Vertikalschnitt gem. Fig. 6 zeigt, kann die Anord­ nung auch als einstückiges Blechstanzteil ausgebildet werden, wobei der Wirbelkörper 4 praktisch als quer zur Strömungsrichtung verlaufende, ggf. leicht konvex vorge­ wölbte Platte ausgebildet sein kann, deren Seitenkanten wiederum die Abreißkanten 12 bilden. Auf der, in Strömungs­ richtung gesehenen, Rückseite des plattenförmigen Wirbel­ körpers 4 ist wiederum der Permanentmagnet 6 angeordnet, der zweckmäßigerweise zum Schutz gegen Korrosion in einem Gehäuse 20 dicht angeordnet ist, dessen quer zur Strömungs­ richtung verlaufende Außenflächen 21 zugleich als Über­ tragungsflächen für die von den Ablösewirbeln wechselseitig ausgeübten Druckstöße dienen. Auch bei dieser Ausführungs­ form kann der Wirbelkörper 4 als prismatischer Stab, wie anhand von Fig. 1 beschrieben, oder aber auch als Zylinder mit zusätzlichen Abreißkanten 12, wie anhand von Fig. 3 beschrieben, ausgebildet sein. Insbesondere bei einem prismatisch ausgebildeten Wirbelkörper mit trapezförmigem Querschnitt besteht die Möglichkeit, diesen als Blechstanz­ teil herzustellen.

Wie der Schnitt gem. Fig. 6 erkennen läßt, wird das Schnei­ denlager zweckmäßigerweise durch eine kreisförmige Ausneh­ mung 22 am Haltestab gebildet, die auf ihrer der Strömung zugekehrten Seite mit einer keilförmigen Ausnehmung 23 versehen ist, über die sich der Haltearm dann gegen die Kraftwirkung der Strömung auf einer Schneide 24 abstützt, die am Tragelement 17 befestigt ist.

Das anhand von Fig. 5 und 6 für das Ausführungsbeispiel eines Strömungskanals mit verhältnismäßig geringem Quer­ schnitt beschriebene Bauprinzip läßt sich jedoch auch für Strömungskanäle mit großem Strömungsquerschnitt ver­ wenden. Wie der Vertikalschnitt in Fig. 7 und der Horizon­ talschnitt in Fig. 8 zeigen, ist es hierzu lediglich er­ forderlich, ein Meßrohr 25 mit entsprechend geringem Quer­ schnitt über wenigstens einen Haltearm 26 mit der Wandung des Strömungskanals 1, ggf. über einen gesonderten Rohr­ schuß zu verbinden. Über den Haltearm 26 ist das Meßrohr 25 so positioniert, daß es soweit in den Kanal hineinragt, daß es in der ungestörten Strömung liegt. Der Wirbelkörper 4 ist beispielsweise in der anhand von Fig. 5 und 6 beschrie­ benen Bauweise über biegesteife Haltestäbe 15 an einem Tragelement 17 angelenkt. Dem einen Pol des Permanentmag­ neten 6 ist im Haltearm 26 als Übertragungselement ein Ferritstab 27 zugeordnet, der sich bis an die Kanalwandung, oder durch diese hindurchgehend, erstreckt. Diesem Ferrit­ stab 27 ist die Induktionsspule 7 zugeordnet, so daß auch bei größeren Kanalquerschnitten die Frequenz des sich mit dem Wirbelkörper 4 bewegenden Magnetfeldes auf der Außenseite abgegriffen werden kann.

Claims (13)

1. Durchflußmesser für strömende Medien mit einem Strömungs­ kanal, in dem ein vom zu messenden Medium umströmter Wir­ belkörper angeordnet ist, der mit einem Aufnehmer zur Erfassung der Frequenz der Ablösewirbel in Verbindung steht, dessen Signalausgang einer Rechnerschaltung aufge­ schaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper (4) im Strömungskanal quer zur Strö­ mungsrichtung (9) hin- und herpendelbar gelagert ist und daß zur Erfassung und Erzeugung des frequenzabhängigen Meßsignals dem Wirbelkörper (4) ein Bewegungssensor zuge­ ordnet ist.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Anschläge (19) zur Begrenzung der Querbewegung des Wirbelkörpers (4) vorgesehen sind.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wirbelkörper (4) über ein Gelenk (5) mit einem Festpunkt verbunden ist.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper (4) starr mit wenigstens einem Haltestab (15) verbunden ist, dessen anderes Ende mit einem Gelenk (5) versehen ist.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Haltestab als Biegefeder (10) ausgebildet ist, die mit ihrem dem Wirbelkörper (4) abge­ wandten Ende starr eingespannt ist.

6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Haltestab (15) biegesteif ausgebildet ist.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Haltestab (10, 15) sich quer zur Strömungsrichtung erstreckt.

8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein, vorzugsweise zwei biege­ steife Haltestäbe (15) vorgesehen sind, die sich in Strö­ mungsrichtung (9) erstrecken und die an einem mit dem Strömungskanal (1) verbindbaren Tragelement (17) angelenkt sind.

9. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Haltestab (15) einen flachen Querschnitt aufweist, dessen große Längsseite sich in Bewegungsrichtung (11) des Wirbelkörpers (4) erstreckt.

10. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk (5) als Schneiden­ gelenk (23, 24) ausgebildet ist.

11. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper (4) mit quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Abreißkanten (12) verse­ hen ist.

12. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungssensor durch einen mit dem Wirbelkörper (4) verbundenen Permanentmag­ neten (6) gebildet wird, dem auf der Außenseite des Strö­ mungskanals (1) eine Induktionsspule (7) zugeordnet ist, die auf die Rechnerschaltung (8) aufgeschaltet ist, wobei die Kanalwandung zumindest in diesem Bereich aus einem magnetisch durchlässigem Material besteht.

13. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper (4) mit seinem Haltestab (15), seinem Tragelement (17) und der Induktions­ spule (7) als Einsteckelement lösbar mit dem Strömungskanal (1) verbunden ist.