DE3836488A1 - Karmanwirbel-durchflussmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Karmanwirbel-Durchflußmesser, der die Frequenz von Karmanwirbeln bestimmt, die stromabwärts eines prismenförmigen Teils gebildet werden, welches in den Strom eines Fluids eingeführt ist, um die Flußrate des Fluids zu messen.

Es wurde bereits ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem die Abschwächung einer in ein Fluid emittierten Ultraschallwelle mit einem ein Signal aussendenden Sensor und einem ein Signal empfangenden Sensor gemessen wird, um die Variation des Wirbeldrucks eines Karmanwirbel-Durchflußmessers dieser Art zu bestimmen.

Bei dem Verfahren treten jedoch die folgenden Schwierigkeiten auf: das Verfahren ist kostenaufwendig, da es zwei Sensoren verwendet, die teuer sind. Weiterhin wird bei dem Verfahren die außerordentlich geringe Schalldruckänderung der Ultraschallwelle auf analoge Weise festgestellt, und daher kann der Nachweis durch Rauschen beeinträchtigt werden. Um diese Schwierigkeit auszuschalten, ist eine unvermeidlich kompliziert aufgebaute Schaltung erforderlich.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Karmanwirbel-Durchflußmessers, der einen einfachen Aufbau aufweist und bei welchem die voranstehend beschriebenen Schwierigkeiten ausgeschaltet sind.

Diese und weitere Vorteile der Erfindung wurden durch Bereitstellung eines Karmanwirbel-Durchflußmessers zur Bestimmung einer Flußrate aus der Frequenz von Wirbeln erzielt, die durch eine in einen Fluidstrom eingefügte Karmanwirbel-Erzeugungseinheit gebildet werden, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung die in der Nähe beider Seiten der Karmanwirbel- Erzeugungseinheit auftretende Druckvariation des Fluids an ein mechanisches Schwingungsglied angelegt wird, dessen Resonanzfrequenz sich mit der Dichte des Fluids ändert, um eine Karmanwirbelfrequenz aus der Frequenzmodulationskomponente der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingungsgliedes zu bestimmen.

Das Wesen, das Prinzip und der Einsatz der Erfindung wird weiter nachstehend anhand der folgenden eingehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlich, woraus auch weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Karmanwirbel-Durchflußmessers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in Fig. 1 mit einer Darstellung einer Wirbelerzeugungseinheit;

Fig. 3 eine vertikale Schnittansicht eines in Fig. 1 dargestellten Detektors;

Fig. 4 ein Blockschaltbild mit einer Darstellung der elektrischen Schaltung des Detektors gemäß Fig. 3;

Fig. 5A bis 5C erläuternde Diagramme zur Beschreibung des Arbeitsprinzips der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 5A ein erläuterndes Diagramm eines Schwingungssystems ist und Fig. 5B und 5C äquivalente Schaltungsdiagramme des in Fig. 5A dargestellten Schwingungssystems sind;

Fig. 6 ein erläuterndes Diagramm zur Beschreibung des Ausgangssignals des Detektors;

Fig. 7 eine Schnittansicht mit einer Darstellung eines Karmanwirbel-Durchflußmessers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Schnittansicht mit einer Darstellung eines Karmanwirbel-Durchflußmessers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in Fig. 8 mit einer Darstellung einer Wirbelerzeugungseinheit;

Fig. 10 eine vertikale Schnittansicht eines in Fig. 8 dargestellten Detektors;

Fig. 11 ein Blockschaltbild mit einer Darstellung der elektrischen Schaltung des Detektors gemäß Fig. 10;

Fig. 12A bis 12C erläuternde Diagramme zur Beschreibung des Arbeitsprinzips der Erfindung, wobei Fig. 12A ein erläuterndes Diagramm eines Schwingungssystems darstellt und Fig. 12B und 12C äquivalente Schaltungsdiagramme des in Fig. 12A gezeigten Schwingungssystems; und

Fig. 13 ein erläuterndes Diagramm zur Beschreibung des Ausgangssignals des Detektors.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug auf Fig. 1 bis 5 beschrieben.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Rohr, 4 eine Wirbelerzeugunseinheit zur Erzeugung einer Karmanwirbelstraße, und 3 einen Detektor. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, weist die Wirbelerzeugungseinheit 4 ein stromaufwärts angeordnetes prismenförmiges Element 41 auf, das einen gleichschenklig- dreieckigen Querschnitt aufweist, und ein stromabwärts angeordnetes prismenförmiges Element 42 mit einem gleichschenklig- trapezförmigen Querschnitt. Die beiden prismenförmigen Elemente 41 und 42 werden so in den Fluidstrom in dem Rohr eingeführt, daß sie senkrecht zum Fluidstrom liegen und um einen vorher festlegbaren Abstand voneinander beabstandet sind. Das stromabwärts angeordnete prismenförmige Element 42 ist mit Schlitzen 5 a und 5 b auf beiden Seiten seines einen Endabschnitts versehen, die miteinander in Verbindung stehen. Die Schlitze werden verwendet, um die Druckänderung eines gebildeten Wirbels dem Detektor 3 zuzuführen.

In Fig. 3 und 4 bezeichnet die Bezugsziffer 8 einen mit einem Boden versehenen zylindrischen Schwinger mit einem Boden 8 a, mit dessen Innenoberfläche ein Piezooszillator 9 fest verbunden ist, sowie mit einem Flansch 8 b an der Öffnung. Der Schwinger 8 ist aus einer dünnen Metallplatte von etwa 0,1 mm Dicke hergestellt. Der Piezooszillator 9 ist aus einem scheibenförmigen Piezosubstrat 9 a von 0,1 bis 0,2 mm Dicke hergestellt sowie mit einer ersten Elektrode 9 b, die auf einer Oberfläche des Substrats 9 a hergestellt wird, und einer zweiten beziehungsweise dritten Elektrode 9 c, 9 d, die auf der anderen Oberfläche des Substrats 9 a hergestellt werden, versehen. Die eine Oberfläche des Substrats 9 a, auf der die erste Elektrode 9 b gebildet wird, ist in Berührung mit der inneren Oberfläche des Bodens 8 a des Schwingers 8 gehalten, so daß die erste Elektrode 9 b elektrisch mit dem Schwinger 8 verbunden ist. Der Schwinger 8 und der Piezooszillator 9 bilden eine Schwingungsplatte 10.

Weiterhin bezeichnet in Fig. 3 die Bezugsziffer 11 einen mit einem Boden versehenen zylindrischen Behälter. Die Innenwand des offenen oberen Endabschnitts des Behälters 11 ist mit einem Innengewinde versehen, wie bei 11 a angedeutet ist. Ein Ende eines Zylinders 12 ist so an der Außenoberfläche des Bodens 11 b des Behälters 11 so festgelegt, daß der Zylinder 12 koaxial zum Behälter 11 angeordnet ist. Ein kreisförmiges Durchgangsloch 11 c mit einem Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des Zylinders 12 ist im Boden 11 b des Behälters 11 so ausgebildet, daß es mit dem Inneren des Zylinders 12 und den Druckeinlaßöffnungen 5 a und 5 b in Verbindung steht. In Fig. 3 bezeichnet die Bezugsziffer 13 ein mit einem Boden versehenes zylindrisches Gehäuse, dessen Außenwand mit einem Außengewinde versehen ist, wie bei 13 a angedeutet ist. Das Gehäuse 13 ist in den Behälter 11 eingeschraubt, so daß der Flansch 8 b des Schwingers 8 zwischen dem Gehäuse 13 und dem Behälter 11 gehalten wird, wodurch der Schwinger 8 fest in dem Raum gehalten wird, der durch das Gehäuse 13 und dem Behälter 11 ausgebildet wird. Weiterhin bezeichnet in Fig. 3 die Bezugsziffer 14 einen ersten Raum, der durch die Schwingungsplatte 10 und den Behälter 11 ausgebildet wird, und die Bezugsziffer 15 einen durch die Schwingungsplatte 10 und das Gehäuse 13 ausgebildeten Raum. Durchgangslöcher 16 und 16 sind im Boden 13 b des Gehäuses 13 ausgebildet. Eine Platte 18 für eine gedruckte Schaltung, die eine Nachweisschaltung 17 bildet, ist fest mit der Innenoberfläche des Bodens 13 b des Gehäuses 13 verbunden. Der erste Raum 14 und der zweite Raum 15 sind voneinander fluiddicht durch die Schwingungsplatte 10 getrennt.

Der Detektor 3 umfaßt weiterhin Zuführungsleitungen 19 a, die sich von der Nachweisschaltung 17 durch das Durchgangsloch 16 zu einer äußeren Schaltung außerhalb des zweiten Raums 15 erstrecken, eine Zuführungsleitung 19 b, die zwischen den Schwinger 8 und die Nachweisschaltung 17 geschaltet ist, und Zuführungsleitungen 19 c und 19 d, die die Nachweisschaltung 17 und die Elektroden 9 c und 9 d des Piezooszillators 9 verbinden.

Die Anordnung und Betriebsweise der Nachweisschaltung 17 wird unter Bezug auf Fig. 4 erläutert.

In Fig. 4 bezeichnet die Bezugsziffer 21 einen Verstärker, dessen Ausgangsspannung durch die Elektrode 9 c an das Piezosubstrat 9 a angelegt wird, und weiterhin die Bezugsziffer 22 eine Rückkopplungsschaltung zur Bestimmung einer Spannung, die durch das Piezosubstrat 9 a durch die Elektrode 9 d erzeugt wird, und um diese auf den Verstärker 21 zurückzukoppeln. Die Schwingungsplatte 10 ist ausgebildet wie voranstehend beschrieben, und das Piezosubstrat 9 a wird radial in Schwingungen versetzt (expandiert und zieht sich zusammen), wenn über die Elektroden 9 b und 9 c eine Wechselspannung angelegt wird. Wenn das Piezosubstrat 9 a auf diese Weise schwingt, wird daher der Boden 8 a des Schwingers 8 in Axialrichtung des Schwingers 8 in Schwingungen versetzt. Demzufolge wird eine der Belastung des Piezosubstrats 9 a entsprechende Wechselspannung über den Elektroden 9 d und 9 b erzeugt und auf den Verstärker 21 durch die Rückkopplungsschaltung 22 zurückgekoppelt. Dies führt dazu, daß die Schwingungsplatte 10 eine Schwingung bei ihrer natürlichen Frequenz F aufrechterhält, sie schwingt daher in einem selbsterregten Zustand.

Die Nachweisschaltung 17 umfaßt weiterhin eine Impedanzwandlerschaltung 23, die die Ausgangswechselspannung 21 a des Verstärkers 21 mit einer Frequenz gleich der natürlichen Frequenz F empfängt, um einen Signalverarbeitungsvorgang (der nachstehend beschrieben wird) zu erleichtern, der für die Spannung durchgeführt wird, und umfaßt eine Signalformungsschaltung 24, die eine Signalformung des Ausgangssignals der Wandlerschaltung 23 durchführt, um ein Impulszugsignal 24 a mit der Frequenz F auszugeben. Wie aus der voranstehenden Beschreibung deutlich wird, besteht die Nachweisschaltung 17 aus dem Verstärker 21, der Rückkopplungsschaltung 22, der Impedanzwandlerschaltung 23, der Signalformungsschaltung 24 und der Platte 18 mit der gedruckten Schaltung, die diese Schaltungen trägt.

Weiterhin bezeichnet in Fig. 4 die Bezugsziffer 25 eine Signalwandlerschaltung. Von einem Signal, das der mittleren Frequenz F des Impulszuges entspricht, der das voranstehend beschriebene Signal 24 a bildet, und einem Modulationsfrequenzsignal 25 a infolge einer Karmanwirbelstraße wird das Modulationsfrequenzsignal durch die Signalwandlerschaltung ausgegeben.

Wenn der in Fig. 3 dargestellte Detektor 3 mit der Wirbelerzeugungseinheit 4 in dem Rohr 1 angeordnet ist, wie in Fig. 1 dargestellt ist, fließt das Fluid 2 in den Raum 14 durch die Druckeinlaßöffnungen 5 a und 5 b und das Durchgangsloch 11 c ein sowie in den Raum 15 durch ein Durchgangsloch 43, das in dem Rohr 1 und den Durchgangslöchern 16 gebildet ist. Wenn in diesem Zustand die Schwingungsplatte 10 auf die voranstehend beschriebene Weise frei schwingt, so schwingt die Schwingungsplatte bei der Resonanzfrequenz eines Schwingungssystems, welches den ersten Raum 14, den Teil des Durchgangsloches 11 c, das Innere des Zylinders 12 und die Schwingungsplatte 10 umfaßt.

Das Resonanzausgangsignal ist erheblich größer als das Karmanwirbelerzeugungsausgangssignal. Wenn das Fluid in dem Rohr 1 fließt, so tritt eine Karmanwirbel-Druckänderung in der Nähe beider Seiten der Wirbelerzeugungseinheit auf, und die voranstehend angegebene Resonanzfrequenz wird synchron zur Änderung moduliert. Andererseits wurde experimentell festgestellt, daß der Karmanwirbeldruck gegenüber dem mittleren Druck in dem Rohr 1 steigt und fällt. Daher ergibt sich ein derartiges von der Signalformungsschaltung 24 ausgegebenes Impulssignal 24 a, daß die Resonanzfrequenz der Schwingungsplatte 10, basierend auf der mittleren Dichte des Fluids in dem Rohr 1, mit der Karmanwirbel-Erzeugungsfrequenz moduliert wird, basierend auf der Volumenflußrate des Fluids. Daher kann die Volumenflußrate des in dem Rohr 1 fließenden Fluids aus der Modulationsfrequenz des Impulszugsignals mit dem Wirbel bestimmt werden. Dies wird anhand von Fig. 6 deutlicher, in der die Bezugsziffer 25 a die aus dem Impulszugsignal 24 a durch die Signalwandlerschaltung 25 herausgezogene Komponente der Karmanwirbel-Modulationsfrequenz bezeichnet, die also die Karmanwirbelfrequenz (Volumenflußrate) darstellt.

In Fig. 4 bezeichnet die Bezugsziffer 27 einen Frequenznachweisabschnitt, der den Schwinger 9, die Nachweisschaltung 17 und die Signalwandlerschaltung 25 umfaßt, zur Bestimmung der Modulationsfrequenz Fk des Schwingungssystems 40.

Die Schwingung der Schwingungsplatte 10 wird unter Bezug auf Fig. 5A bis 5C beschrieben.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, liegt die Seitenwand 8 c des Schwingers 8 mit einem extrem kleinen Spalt gegenüber der Innenwand des Behälters 11. Der Raum 15 weist ein erheblich größeres Volumen auf als der Raum 14, so daß selbst dann, wenn die Schwingungsplatte 10 wie voranstehend beschrieben schwingt, der Druck in dem Raum 15 im wesentlichen unverändert bleibt. Die Summe der Öffnungsflächen der Durchgangslöcher 16 ist beträchtlich groß. Die natürliche Frequenz des Raums 15 ist erheblich geringer als die des Schwingungssystems 40 aus der Schwingungsplatte 10, dem Raum 14, dem Durchgangsloch 11 c und dem Innenraum des Zylinders 12. Daher können zur Vereinfachung der Beschreibung die wesentlichen Teile in Fig. 3 als die in Fig. 5A dargestellten Teile angesehen werden. In Fig. 5A bezeichnet die Bezugsziffer Mm die Masse der Schwingungsplatte 10, S die Fläche des Bodens 8 a des Schwingers 8, Cm die Federung entsprechend der Federkonstanten Km der Schwingungsplatte 10, Cm = 1/Km, Ma die Masse des in dem Zylinder 12 untersuchten Fluids 2, und Ca die akustische Kapazität in dem Raum 14. Die akustische Kapazität Ca ergibt sich aus der folgenden Gleichung (I):

Ca = W/(X ² p) (1)

wobei W das Volumen des Raums 14 ist, X die akustische Geschwindigkeit in dem Fluid 2, und p die Dichte des Fluids 2.

In Fig. 5A ist das Schwingungssystem so ausgelegt, daß die Höhe h des Raums 14 und die Schnittfläche S ₁ des Innenraums des Zylinders 12 beide außerordentlich klein sind, und sowohl die Masse des Fluids in dem Raum 14 und die akustische Kapazität in dem Innenraum des Zylinders 12 vernachlässigt werden können. Wenn daher das akustische Schwingungssystem in ein mechanisches Schwingungssystem umgewandelt wird, kann das in Fig. 5A gezeigte Schwingungssystem durch eine in Fig. 5B dargestellte elektrische Äquivalenzschaltung dargestellt werden. In Fig. 5B sind MaO und CaO die Masse und die akustische Federung, die durch die folgende Gleichung (2) gegeben sind:

Wenn in Fig. 5B die folgende Gleichung (3) gilt, in welcher ω die Winkelfrequenz einer Schwingung ist, dann kann die Schaltung gemäß Fig. 5B in die in Fig. 5C dargestellte Schaltung umgewandelt werden. Wenn die Resonanzfrequenz der in Fig. 5C gezeigten Schaltung durch F gegeben ist, dann gilt die folgende Gleichung (4):

Aus den Gleichungen (2), (3) und (4) erhält man den folgenden Ausdruck (5):

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, schwingt die Schwingungsplatte mit der Frequenz F, wenn die wesentlichen in Fig. 1 dargestellten Teile so ausgelegt sind, daß die in Fig. 5C dargestellte Äquivalenzschaltung gebildet wird, und die Frequenz F des Impulszuges, der das Ausgangssignal 24 a der in Fig. 4 gezeigten Signalformungsschaltung bildet, entspricht der Masse Ma des untersuchten Fluids 2.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich darin von der ersten, in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform, daß ein Nachweisabschnitt 44 und eine Wirbelerzeugungseinheit 45 getrennt voneinander vorgesehen sind. Daher können der Detektor 44 und die Wirbelerzeugungseinheit einzeln ausgetauscht werden, wenn sich dies als erforderlich erweist, und daher kann die Wartung des Karmanwirbel-Durchflußmessers mit äußerst geringem Kostenaufwand durchgeführt werden. Der Detektor 44 kann erhalten werden, indem das stromabwärts angeordnete prismenförmige Element 42 von dem in Fig. 3 gezeigten Detektor 3 entfernt wird.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug auf die Fig. 8 bis 12 beschrieben.

In Fig. 8 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Rohr, 4 eine Wirbelerzeugungseinheit zur Erzeugung einer Karmanwirbel- Straße, und 3 einen Detektor. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, weist die Wirbelerzeugungseinheit 4 ein stromaufwärts angeordnetes prismenförmiges Element 41 auf, das einen gleichschenklig- dreieckigen Querschnitt aufweist, sowie ein stromabwärts angeordnetes prismenförmiges Element 42 mit einem gleichschenklig-trapezförmigen Querschnitt. Die beiden prismenförmigen Elemente 41 und 42 werden so in den Strom des Fluids im Rohr 1 eingeführt, daß sie senkrecht zum Fluidstrom liegen und voneinander um einen vorher festlegbaren Abstand beabstandet sind. Das stromabwärts angeordnete prismenförmige Element 42 weist Schlitze 5 a und 5 b auf beiden Seiten seines einen Endabschnitts auf, die miteinander in Verbindung stehen. Die Schlitze werden eingesetzt, um die Druckvariation eines gebildeten Wirbels auf den Detektor 3 zu übertragen.

In Fig. 10 und 11 bezeichnet die Bezugsziffer 8 einen zylindrischen, mit einem Boden versehenen Schwinger, der einen Boden 8 a aufweist, an dessen Innenoberfläche ein Piezooszillator 9 fest angebracht ist, und mit einem Flansch 8 b an der Öffnung. Der Schwinger 8 ist aus einer dünnen Metallplatte von etwa 0,1 mm Dicke hergestellt. Der Piezooszillator 9 besteht aus einem scheibenförmigen Piezosubstrat 9 a von 0,1 bis 0,2 mm Dicke, einer auf einer Oberfläche des Substrats 9 a gebildeten ersten Elektrode 9 b, und einer zweiten beziehungsweise dritten Elektrode 9 c, 9 d, die auf der anderen Oberfläche des Substrats 9 a gebildet sind. Die eine Oberfläche des Substrats 9 a, auf welchem die erste Elektrode 9 b gebildet ist, ist in Berührung mit der Innenoberfläche des Bodens 8 a des Schwingers 8 gehalten, so daß die erste Elektrode 9 b elektrisch mit dem Schwinger 8 verbunden ist. Der Schwinger 8 und der Piezooszillator 9 bilden eine Schwingungsplatte 10.

Weiterhin bezeichnet in Fig. 10 die Bezugsziffer 11 einen mit einem Boden versehenen zylindrischen Behälter. Die Innenwand des offenen oberen Endabschnitts des Behälters 11 ist, wie bei 11 a angedeutet ist, mit einem Innengewinde versehen. Ein Ende eines Zylinders 12 ist fest an der Außenoberfläche des Bodens 11 b des Behälters 11 derart befestigt, daß der Zylinder 12 koaxial zum Behälter 11 angeordnet ist. Ein kreisförmiges Durchgangsloch 11 c mit einem Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des Zylinders 12 ist in dem Boden 11 b des Behälters 11 derart ausgebildet, daß es mit dem Inneren des Zylinders 12 und den Druckeinlaßöffnungen 5 a und 5 b in Verbindung steht. In Fig. 10 bezeichnet die Bezugsziffer 13 ein mit einem Boden versehenes zylindrisches Gehäuse, dessen Außenwand mit einem Außengewinde versehen ist, wie bei 13 a angedeutet ist. Das Gehäuse 13 ist in den Behälter 11 eingeschraubt, so daß der Flansch 8 b des Schwingers 8 zwischen dem Gehäuse 13 und dem Behälter 11 gehaltert ist, wodurch der Schwinger fest in dem Raum gehaltert ist, der durch das Gehäuse 13 und den Behälter 11 ausgebildet wird. Weiterhin bezeichnet in Fig. 10 die Bezugsziffer 14 einen ersten Raum, der durch die Schwingungsplatte 10 und den Behälter 11 gebildet wird, und die Bezugsziffer 15 einen zweiten Raum, der durch die Schwingungsplatte 10 und das Gehäuse 13 gebildet wird. Durchgangslöcher 16 und 16 sind im Boden 13 b des Gehäuses 13 ausgebildet.

Eine Platte 18 mit einer gedruckte Schaltung, die eine Nachweisschaltung 17 bildet, ist fest mit der Innenoberfläche des Bodens 13 b des Gehäuses 13 verbunden. Der erste Raum 14 und der zweite Raum 15 sind voneinander fluiddicht durch die Schwingungsplatte 10 getrennt.

Der Detektor 3 weist weiterhin Zuführungsleitungen 19 b auf, welche sich von der Nachweisschaltung 17 durch das Durchgangsloch 16 zu einer äußeren Schaltung erstrecken, eine Zuführungsleitung 19 b, die zwischen den Schwinger 8 und die Nachweisschaltung geschaltet ist, und Zuführungsleitungen 19 c und 19 d, die den Detektor 17 und die Elektroden 9 c und 9 d des Piezooszillators 9 verbinden.

Die Anordnung und Betriebsweise der Nachweisschaltung 17 wird nachstehend unter Bezug auf Fig. 11 erläutert.

In Fig. 11 bezeichnet die Bezugsziffer 21 einen Verstärker, dessen Ausgangsspannung durch die Elektrode 9 c an das Piezosubstrat 9 a angelegt wird, und die Bezugsziffer 22 bezeichnet eine Rückkopplungsschaltung zur Bestimmung einer Spannung, die von dem Piezosubstrat 9 a durch die Elektrode 9 d erzeugt wird, und zur Rückkopplung dieser Spannung an den Verstärker 21. Das Piezosubstrat 9 a wird radial in Schwingungen versetzt (expandiert und zieht sich zusammen), wenn über die Elektroden 9 b und 9 c eine Wechselspannung angelegt wird. Wenn das Piezosubstrat 9 a auf diese Weise schwingt, wird daher der Boden 8 a des Schwingers 8 in Axialrichtung des Schwingers 8 in Schwingungen versetzt. Dies führt dazu, daß eine der Belastung des Piezosubstrats 9 a entsprechende Wechselspannung über den Elektroden 9 d und 9 c erzeugt und durch die Rückkopplungsschaltung 22 auf den Verstärker 21 rückgekoppelt wird. Daher wird die Schwingungsplatte 10 auf einer Schwingung bei ihrer natürlichen Frequenz F gehalten, schwingt also frei.

Die Nachweisschaltung 17 weist weiterhin eine Impedanzwandlerschaltung 23 auf, die die Ausgangswechselspannung 21 a des Verstärkers 21 empfängt, deren Frequenz gleich der natürlichen Frequenz F ist, um eine (nachstehend beschriebene) Signalverarbeitung zu erleichtern, die bezüglich der Spannung ausgeführt wird, und weist weiterhin eine Signalformungsschaltung 24 auf, in welcher das Ausgangssignal der Impedanzwandlerschaltung 23 an die Signalformungsschaltung 24 einer Behandlung unterzogen wird, um einen Impulssignalzug 24 a mit der Frequenz F auszugeben. Wie aus der voranstehenden Beschreibung deutlich wird, besteht die Nachweisschaltung 17 aus dem Verstärker 21, der Rückkopplungsschaltung 22, der Impedanzwandlerschaltung 23, der Signalformungsschaltung 24 und der Platte 18 mit gedruckten Schaltungen, die diese Schaltungen trägt.

Weiterhin bezeichnet in Fig. 11 die Bezugsziffer 25 eine Signalwandlerschaltung, die das Signal 24 a empfängt und ein Signal 25 b an einen Arithmetikabschnitt 26 anlegt, wobei das Signal 25 b der mittleren Frequenz F des das Signal 24 a bildenden Impulszuges und einem Modulationsfrequenzsignal 25 a in Folge einer Karmanwirbelstraße entspricht. Nach Empfang der Ausgangssignale 25 a und 25 b führt der Arithmetikabschnitt 26 eine arithmetische Bearbeitung gemäß einer (nachstehend beschriebenen) Gleichung durch, um ein Massenflußratensignal 26 a auszugeben.

Wenn der Detektor 3 mit der in Fig. 10 dargestellten Wirbelerzeugungseinheit 4 gemäß Fig. 8 in dem Rohr 1 angeordnet ist, fließt das Fluid 2 in den Raum 14 durch die Druckeinlaßöffnungen 5 a und 5 b und das Durchgangsloch 11 c, und in den Raum 15 durch ein Durchgangsloch 43, welches in dem Rohr 1 und dem Durchgangsloch 16 ausgebildet ist. Wenn in diesem Zustand die Schwingungsplatte 10 auf die voranstehend beschriebene Weise frei schwingt, so schwingt die Schwingungsplatte mit der Resonanzfrequenz eines Schwingungssystems, welches den ersten Raum 14, den Teil des Durchgangsloches 11 c, das Innere des Zylinders 12 und die Schwingungsplatte 10 umfaßt.

Die Resonanzfrequenz ist erheblich höher als die Karmanwirbelerzeugungsfrequenz. Wenn das Fluid 2 in dem Rohr 1 strömt, so tritt eine Karmanwirbel-Druckschwingung nahe beiden Seiten der Wirbelerzeugungseinheit auf, und die Resonanzfrequenz wird synchron mit der Schwingung moduliert. Andererseits wurde experimentell herausgefunden, daß der Karmanwirbeldruck gegenüber dem durchschnittlichen Druck in dem Rohr 1 steigt und fällt. Daher ist das von der Signalformungsschaltung 24 ausgegebene Impulszugsignal 24 a so beschaffen, daß die Resonanzfrequenz der Schwingungsplatte 10 basierend auf der durchschnittlichen Dichte des Fluids in dem Rohr 1 mit der Karmanwirbel-Erzeugungsfrequenz basierend auf der Volumenflußrate des Fluids moduliert wird. Dies bedeutet, daß die Dichte des Fluids aus der durchschnittlichen Frequenz F des Impulssignalzuges 24 a bestimmt werden kann, während die Volumenflußrate des in dem Rohr 1 strömenden Fluids aus der Wirbelmodulationsfrequenz Fk bestimmt werden kann. Dies wird aus Fig. 13 noch deutlicher: In Fig. 13 bezeichnet die Bezugsziffer 25 b eine Komponente, die durch die Signalwandlerschaltung 25 aus dem Impulssignalzug 24 a herausgezogen wird und dem Durchschnittswert der Resonanzfrequenz F des Impulssignalzuges 24 a entspricht, und daher die Dichte des Fluids darstellt, und die Bezugsziffer 25 a bezeichnet die Komponente der Karmanwirbelmodulationsfrequenz, die auf ähnliche Weise von dem Impulssignalzug 24 a durch die Signalwandlerschaltung 25 extrahiert wird und daher die Karmanwirbelfrequenz Fk (Volumenflußrate) darstellt.

Wieder zurückgehend auf Fig. 11 bezeichnet die Bezugsziffer 27 einen Frequenznachweisabschnitt, der den Schwinger 9 umfaßt sowie die Nachweisschaltung 17 und die Signalwandlerschaltung 25, um die Resonanzfrequenz F und die Modulationsfrequenz Fk des Schwingungssystems 40 zu bestimmen.

Der Betrieb der Schwingungsplatte 10 wird unter Bezug auf Fig. 12A bis 12C beschrieben.

Wie in Fig. 10 gezeigt ist, liegt die Seitenwand 8 c des Schwingers 8 über einen äußerst kleinen Spalt der Innenwand des Behälters 11 gegenüber. Das Volumen des Raums 15 ist erheblich größer als das des Raums 14, so daß selbst bei einer Schwingung der Schwingungsplatte 10 wie voranstehend beschrieben der Druck in dem Raum 15 in wesentlichen unverändert bleibt. Die Summe der Öffnungsflächen der Durchgangslöcher 16 ist erheblich groß. Die natürliche Frequenz des Raums 15 ist erheblich geringer als die des Schwingungssystems 40, das aus der Schwingungsplatte 10, dem Raum 14, dem Durchgangsloch 11 c und dem Innenraum des Zylinders 12 besteht. Daher können zur Vereinfachung der Beschreibung die wesentlichen Teile in Fig. 10 als die in Fig. 12A dargestellten Teile angesehen werden. In Fig. 12A bezeichnet die Bezugsziffer Mm die Masse der Schwingungsplatte 10, S die Fläche des Bodens 8 a des Schwingers 8, Cm die Federung entsprechend der Federkonstanten Km der Schwingungsplatte 10, Cm = 1/Km, Ma die Masse des in dem Zylinder 12 untersuchten Fluids 2, und Ca die akustische Kapazität in dem Raum 14. Die akustische Kapazität ergibt sich aus der folgenden Gleichung (6):

Ca = W/(X ² · p) (6)

wobei W das Volumen des Raums 14 ist, X die akustische Geschwindigkeit in dem Fluid 2, und p die Dichte des Fluids 2.

In Fig. 12A ist das Schwingungssystem so ausgelegt, daß die Höhe h des Raums 14 und die Querschnittsfläche S ₁ des Innenraums des Zylinders 12 beide außerordentlich klein sind, und sowohl die Masse des Fluids in dem Raum 14 und die akustische Kapazität im Innenraum des Zylinders 12 vernachlässigt werden können. Daher kann bei einer Wandlung des akustischen Schwingungssystems in ein mechanisches Schwingungssystem das in Fig. 12A dargestellte Schwingungssystem durch eine in Fig. 12B dargestellte elektrische Äquivalenzschaltung dargestellt werden. In Fig. 12B sind MaO und CaO die Masse beziehungsweise die akustische Federung, die durch die folgende Gleichung (7) gegeben werden:

Wenn in Fig. 12B die folgende Gleichung (8) gilt, bei welcher die Winkelfrequenz einer Schwingung ist, dann kann die Schaltung gemäß Fig. 12B in die in Fig. 12C dargestellte Schaltung umgewandelt werden. Wenn die Resonanzfrequenz der in Fig. 12C gezeigten Schaltung durch F gegeben ist, dann gilt die folgende Gleichung (9):

Aus den Gleichungen (7), (8) und (9) erhält man den folgenden Ausdruck (10):

Wie aus Gleichung (9) hervorgeht, schwingt die Schwingungsplatte in Resonanz mit der Frequenz F, wenn die wesentlichen in Fig. 10 dargestellten Teile so ausgelegt sind, daß die in Fig. 12C dargestellte Äquivalenzschaltung gebildet wird, und die Frequenz F des Impulszuges, der das Ausgangssignal 24 a der Signalformungsschaltung gemäß Fig. 11 bildet, entspricht der Masse Ma des untersuchten Fluids 2 im Innenraum des Zylinders 12. Demzufolge kann die Dichte des Fluids 2 aus der Frequenz F bestimmt werden.

Die Arithmetikschaltung 26 in Fig. 11 ist so ausgelegt, daß sie das Signal 26 a für die Massenflußrate (= Dichte × Volumenflußrate) ausgibt, welches das Produkt aus der durch Berechnung gemäß Gleichung (9) erhaltenen Dichte und der Karmanwirbelfrequenz ist. Daher kann die Messung einer Massenflußrate mit der einfachen Schaltung durchgeführt werden, die nur einen Sensor aufweist. Wie aus Gleichung (9) hervorgeht, wird die Wirkung der Variation der Masse Ma mit der Variation der Dichte des Fluids 2 auf die Frequenz F erhöht um (S/S ₁)², da der Detektor so ausgelegt ist, daß er die Bedingung S/S ₁ » 1 erfüllt. In diesem Zusammenhang gilt (S/S ₁)² » 1. Wenn daher der Nachweis in Fig. 10 so ausgelegt ist, daß er die in Fig. 12C dargestellte Schaltung bildet, so kann der in Fig. 10 und 11 gezeigte Detektor 3 mit hoher Genauigkeit das Fluid 2 messen, etwa ein Gas, welches eine geringe Dichte aufweist und komprimierbar ist.

Wie aus Gleichung (9) hervorgeht, ist der in Fig. 10 und 11 gezeigte Detektor 3 so ausgelegt, daß MaO/Mm ein Maximum ist, um die Meßempfindlichkeit zu vergrößern. Daher erhält man aus dem Ausdruck (10) den folgenden Ausdruck (11):

Ca = /Cm « 1 (11)

Wenn daher der Ausdruck (11) gilt, gilt ebenfalls das voranstehend beschriebene Prinzip. Dies bedeutet, daß bei dem voranstehend beschriebenen Detektor der Schwinger 8 und die Teile des Behälters 11 und des Gehäuses 13, die den Schwinger 8 haltern, so ausgebildet sind, wie voranstehend beschrieben, so daß die Schwingungsplatte 10 eine hohe Federung Cm aufweist, und daß die Höhe h des Raums 15 minimalisiert wird, so daß die akustische Federung CaO des Raums 14 erheblich kleiner ist als die Federung Cm der Schwingungsplatte 10, und MaO/Mm maximiert ist. Daher gelten die Ausdrücke (8) bis (11). Daher kann der Detektor 3 durch die äquivalente Schaltung gemäß Fig. 12C repräsentiert werden, und die Frequenz des Impulszuges, der das in Fig. 11 dargestellte Signal 24 a bildet, ist gleich dem Wert F gemäß Gleichung (9), und es gilt S/S ₁ » 1.

Daher kann mit dem Detektor ein Fluid wie etwa ein Gas, welches eine niedrige Dichte aufweist, mit hoher Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit gemessen werden. Weiterhin kann die Wirkung der Schwingungsänderung der Schwingungsplatte 10 mit der Temperaturänderung des untersuchten Fluids 2 auf die Meßgenauigkeit minimalisiert werden, und dies führt dazu, daß das Fluid 2 über einen weiten Temperaturbereich gemessen werden kann. Wie aus der voranstehenden Beschreibung deutlich wird, wird bei dem Karmanwirbel-Durchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung die Druckvariation, die nahe beiden Seiten der Karmanwirbelerzeugungseinheit erzeugt wird, die in den Fluidstrom eingeführt ist, an die Schwingungsplatte mit dem akustischen Schwingungssystem angelegt, welches den Hohlraum und den Zylinder umfaßt, so daß die Volumenflußrate des Fluids aus der Modulation der Resonanzfrequenz der Schwingungsplatte bestimmt wird, die zur Druckschwingung des Karmanwirbel beiträgt. Daher weist das Karmanwirbel-Durchflußmeßgerät einen einfachen Aufbau und niedrige Herstellungskosten auf.

Weiterhin kann mit dem erfindungsgemäßen Karmanwirbel-Durchflußmesser die Dichte des Fluids aus der Resonanzfrequenz der Schwingungsplatte bestimmt werden, die zur Änderung der Masse des Fluids in dem Zylinder beiträgt, mit dem Ergebnis, daß die Massenflußrate (Dichte × Volumenflußrate) unter Verwendung der Dichte und der Volumenflußrate des Fluids bestimmt werden kann.

Weiterhin ist bei dem Karmanwirbel-Durchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung die akustische Federung des Hohlraums so ausgelegt, daß sie kleiner ist als die Federung der Schwingungsplatte, so daß die Wirkung des untersuchten Fluids, welche die Masse des Schwingungssystems einschließlich der Schwingungsplatte während der Schwingung der Schwingungsplatte vergrößert, durch die Wirkung des Hohlraums und des Zylinders wirksamer gemacht wird. Daher kann der Karmanwirbel- Durchflußmesser gemäß der Erfindung selbst Gas mit hoher Genauigkeit messen, und zwar über einen weiten Temperaturbereich für die Messung.

Claims (5)

1. Karmanwirbel-Durchflußmesser zur Bestimmung einer Flußrate eines Fluids aus der Frequenz von Wirbeln, dadurch gekennzeichnet, daß eine Karmanwirbel-Erzeugungseinrichtung vorgesehen ist, die in einen Fluidstrom eingeführt wird, um an ihren beiden Seiten Wirbel zu erzeugen, eine mechanische Schwingungseinrichtung vorgesehen ist, die eine Resonanzfrequenz aufweist, die sich entsprechend der Dichte des Fluids ändert, um die Druckvariation des Fluids infolge der Wirbel zu empfangen und eine Frequenzmodulationskomponente der Resonanzfrequenzmodulationskomponente der Resonanzfrequenz zu erzeugen, die mit der Frequenz der Wirbel moduliert ist, und ein Detektor vorgesehen ist, um die Frequenz der Wirbel aus der Frequenzmodulationskomponente der Resonanzfrequenz der mechanischen Schwingungseinrichtung zu bestimmen.

2. Karmanwirbel-Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine Einrichtung zur Bestimmung einer Dichte des Fluids aus der mittleren Frequenz der Resonanzfrequenz umfaßt sowie eine Einrichtung zur Berechnung einer Massenflußrate des Fluids aus der Dichte des Fluids und der Frequenz des Wirbels.

3. Karmanwirbel-Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schwingungseinrichtung eine Schwingungsplatte umfaßt, die mit der Resonanzfrequenz schwingt, und ein akustisches Schwingungssystem, das auf zumindest einer Seite der Schwingungsplatte vorgesehen ist, wobei das akustische Schwingungssystem einen Hohlraum und einen Zylinder aufweist.

4. Karmanwirbel-Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schwingungseinrichtung eine Schwingungsplatte umfaßt, die bei der Resonanzfrequenz schwingt, und ein akustisches Schwingungssystem, das auf zumindest einer Seite der Schwingungsplatte bereitgestellt ist und einen Hohlraum und einen Zylinder aufweist.

5. Karmanwirbel-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Karmanwirbelerzeugungseinrichtung mit einer Druckeinlaßöffnung versehen ist, durch welche die Druckschwingung des Fluids der mechanischen Schwingungseinrichtung zugeführt wird.