DE3906481A1 - Wirbeldurchflussmesser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wirbeldurchflußmesser, der in der Lage ist, sehr kleine Durchflußmengen zu messen und der ein verbessertes Verhalten gegenüber Erschütterungen besitzt.

Es gibt bisher verschiedene Wirbeldurchflußmesser zur Erfassung eines Fluiddruckes, u.a. einen Durchflußmesser, bei dem der Wirbeldruck in zwei Kammern übertragen wird, die durch eine Membrane voneinander getrennt sind und bei denen der Wirbeldruck als Differenzdruck zwischen den Kammern erfaßt wird; vgl. beispielsweise die japanische Patentveröffentlichung Nr. 3725/1979.

Bei einem solchen konventionellen Durchflußmesser muß zur Erfassung eines Wirbeldruckes im Bereich sehr kleiner Durchflußmengen die die Kammern unterteilende Membrane sehr empfindlich sein. Wenn eine derart hochempfindliche Membrane verwendet wird, kann sie auch auf andere Kräfte ansprechen als den Wirbeldruck, beispielsweise auf Erschütterungen, was zu falschen Messungen führt.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, das vorerwähnte Problem zu lösen und einen Wirbeldurchflußmesser zu schaffen, der in der Lage ist, selbst winzige Wirbeldrücke zu messen, und der ausgezeichnete Antivibrationseigenschaften besitzt.

Ein Durchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt: einen ersten Druckkanal zur Übertragung einer in einem Karman-Wirbel im Kanal auftretenden Druckveränderung, durch welchen Kanal das zu messende Fluid strömt, in eine erste und eine vierte Druckkammer, und einen zweiten Druckkanal zur Übertragung der Wirbeldruckänderung in eine zweite und in eine dritte Druckkammer; eine erste bzw. eine zweite Membrane in einem Zwischenwandabschnitt zwischen der ersten und der zweiten Druckkammer bzw. in einem Zwischenwandabschnitt zwischen der dritten und der vierten Druckkammer; eine erste bzw. eine zweite auf der ersten bzw. der zweiten Membrane jeweils angebrachte Brückenschaltung; und eine Differenzverstärkerschaltung zur Verstärkung des Ausgangssignal-Unterschiedes zwischen der ersten und der zweiten Brückenschaltung.

Eine Druckveränderung des Karman-Wirbels, der von einem im Kanal angeordneten Wirbelgenerator stromabwärts erzeugt wird, wird jeweils durch den ersten und den zweiten Druckkanal an die erste und an die vierte Druckkammer sowie an die zweite und an die dritte Druckkammer übertragen, so daß die erste und die zweite Membrane auf den Wirbeldruckunterschied reagieren kann, derart, daß von der Differenzverstärkerschaltung eine Summe der Brückenausgabe als Maß für den Wirbeldruck gebildet wird, und daß der Unterschied zwischen den Ausgaben der Brücken­ und der Differenzverstärkerschaltung als Aussage über andere äußere, auf die Membranen einwirkenden Kräfte erhalten wird.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Wirbeldurchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 stellt einen Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1 dar;

Fig. 3 stellt einen Querschnitt durch einen Wirbeldruckdetektor des Wirbeldruckmesser dar;

Fig. 4 stellt einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 3 dar; und

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild eines Steuerteils des vorliegenden Wirbeldurchflußmessers.

Bei dem in Fig. 2 veranschaulichten Wirbelerzeugungsabschnitt, der als Querschnitt entlang einer Linie II-II in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein Wirbelgenerator 3 senkrecht zu der zu messenden Fluidströmung 1 in einem Kanal 2 angebracht, derart, daß der Karman-Wirbel 4 stromabwärts des Wirbelgenerators 3 erzeugt wird. Der Druck des Karman-Wirbels 4 wird durch Druckableitungsöffnungen 5 und 6 in der Seitenwand des Kanals 2 zu beiden Seiten des Wirbelgenerators stromabwärts erfaßt.

Der in Fig. 1 gezeigte Kanal ist mit dem Wirbeldruckdetektor 8 verbunden, der seinerseits durch die Druckableitungsöffnungen 5 und 6 an den Kanal angeschlossen ist.

Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, besteht der Druckdetektor 8 aus Gehäuseteilen 89 und 90, die unter Bildung eines Gehäuses fest miteinander verbunden sind. Im Gehäuse sind Druckkanalabschnitte 85 und 86 angebracht, welche zum einen mit den Druckableitungsöffnungen 5 und 6 und zum anderen mit den ebenfalls im Gehäuse ausgebildeten Druckkammern 81 bis 84 verbunden sind.

Die Druckkammern 81 und 84 sind an den Druckkanal 85 und die Druckkammern 82 und 83 sind an den Druckkanal 86 angeschlossen. Zwischen den Druckkammern 81 und 82 bzw. zwischen den Druckkammern 83 und 84 sind als Zwischenwände Membranen 89 a und 87 b vorgesehen. Die Membranen 87 a und 87 b werden von einem Halbleiterchip 87 gehalten, das auf einer im Gehäuse gehalterten starren Platte 88 angebracht ist.

Das Bezugszeichen 91 bezieht sich auf Zuleitungen, an die vier Klemmen zweier Halbleiterbrückenschaltungen (in den Fig. 1 bis 2 nicht dargestellt), die auf den Membranen 87 a und 87 b angebracht sind, durch Drähte 92 angeschlossen sind.

Fig. 5 stellt das Blockschaltbild eines Steuerteils des vorliegenden Wirbeldurchflußmessers dar. Gemäß Fig. 5 besteht die erste Brückenschaltung 101 und die zweite Brückenschaltung 102 aus vier piezoelektrischen Widerstandselementen, die jeweils auf den in Fig. 3 dargestellten Membranen 87 a und 87 b angebracht sind.

Die Ausgaben der ersten bzw. der zweiten Brückenschaltung 101 bzw. 102 werden an einen ersten bzw. einen zweiten Differenzverstärker 103 bzw. 104 geliefert. Die Ausgaben der Differenzverstärker 103 und 104 werden weiter an einen dritten Differenzverstärker 105 geleitet.

Die Ausgabe des dritten Differenzverstärkers 105 wird an einen die Wellenform profilierenden Formgeber 106 geliefert, dessen Ausgabe eine Ausgabe des Durchflußmessers darstellt. Die Brückenschaltungen 101 und 102 werden aus einer Energiequelle 107 versorgt.

Im Betrieb werden, wenn das zu messende Fluid durch den Kanal 2 strömt, alternierend zwei einander entgegengesetzte Wirbel in Strömungsrichtung unterhalb des Wirbelgenerators 3 erzeugt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Wirbel werden allgemein als Karman-Wirbelstrecke bezeichnet. Die Erzeugung von Karman-Wirbeln 4 hängt von einer Veränderung des Fluiddruckes ab.

Wenn nun im Bereich der Karman -Wirbel 4 an der Wandoberfläche des Kanals 2 eine entsprechende Druckänderung erzeugt wird, werden auch alternierende Druckänderungen entgegengesetzter Richtung in den Druckableitungsöffnungen 5 und 6 der Wandoberfläche des Kanals 2 hinter dem Wirbelgenerator 3 erzeugt. Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß der Wirbeldruck im allgemeinen negativ ist.

Unter der Annahme eines im Uhrzeigersinne drehenden Wirbels wird ein negativer Druck in der Druckableitungsöffnung 5 erzeugt. Dieser negative Druck wird durch den Druckkanal 85 in die Druckkammers 81 und 84 übertragen. Deshalb werden die Membranen 87 a bzw. 87 b in Richtung zu den Druckkammern 81 bzw. 84 verformt.

Wenn dann ein im Gegenuhrzeigersinn drehender Wirbel erzeugt wird, nimmt die Druckableitungsöffnung 6 negativen Druck auf, der durch den Druckkanal 86 in die Druckkammern 82 und 83 übertragen wird und eine Verformung der Membranen 87 a bzw. 87 b in Richtung der Druckkammer 82 bzw. 83 zur Folge hat.

Es wird angenommen, daß zu diesem Zeitpunkt, wenn die Membranen 87 a und 87 b in Richtung auf die Druckkammern 81 und 83 verformt sind, die Ausgabe des ersten und der zweiten Brückenschaltung 101 und 102 in der Richtung V _B polarisiert sind, wie in Fig. 5 veranschaulicht. Dann ergibt sich, bei im Uhrzeigersinn drehendem Wirbel, als Ausgabe der ersten Brückenkreises 101 die Spannung -v _B , und als Ausgabe der zweiten Brückenschaltung 102 die Spannung +v _B .

Die Ausgabe +V _B bzw. -V _B der ersten bzw. der zweiten Brückenschaltung 101 bzw. 102 wird durch den ersten bzw. zweiten Differenzverstärker 103 bzw. 104 mit vorbestimmten Verstärkungsfaktoren verstärkt und an einen (+)-Eingang und an einen (-) -Eingang des dritten Differenzverstärkers 105 geliefert, aus dessen Ausgabe sich die Spannung 2 V _B ergibt. Diese Ausgabe 2 V _B des Differenzverstärkers 105 bleibt natürlich bei Vertauschen des Anschlusses der Ausgänge der Verstärker 103 und 104 mit den Eingangsklemmen des Verstärkers 105 unverändert.

Es werden also die Ausgangsgrößen der Membranen 87 a und 87 b addiert und somit ist es möglich, sehr kleine Wirbeldrücke zu erfassen.

Als eine andere Form äußeren Druckes als diejenige des Wirbeldruckes, die möglicherweise auf die Membranen 87 a und 87 b einwirken kann, soll ein Druckimpuls betrachtet werden, also eine Druckänderung im Kanal 2 infolge einer Änderung der Durchflußmenge des zu messenden Fluids. Da sich ein solcher Druckimpuls über eine relativ lange Distanz von stromaufwärts nach stromabwärts des Wirbelgenerators 3 ausbreitet, nimmt er im Kanal 2 die Gestalt einer völlig ebenen Wanderwelle an. Dies bedeutet, daß die Druckänderungen in den Druckableitungsöffnungen 5 und 6 nach Zeit und Größe einander gleich sind. Sie werden durch die Druckkanäle 85 bzw. 86 in die Druckkammern 81 bzw. 84 sowie die Druckkammern 82 bzw. 83 übertragen.

Betrachtet man eine der Membranen, etwa die Membrane 87 a, so wird sie nicht verformt, wenn die Drücke und die Druckänderungen in den Druckkammern 81 und 82 die gleichen sind. Daher erzeugt die erste Brückenschaltung 110 und demgemäß der Steuerkreis des Durchflußmessers keine Ausgabe.

Als eine andere von außen einwirkende Kraft soll eine Erschütterung des Wirbeldruckdetektors 8 betrachtet werden. Wenn die Richtung einer solchen Erschütterung senkrecht zu den Membranen 87 a und 87 b verläuft, werden letztere dadurch nicht beeinfluß und somit gibt es keine Ausgabe an den Steuerkreis des Durchflußmessers.

Wenn jedoch die Erschütterung eine Komponente oder mehrere Komponenten aufweist, durch welche die Membranen 87 a und 87 b verformt werden können, wirken die Komponenten auf die Membranen zur gleichen Zeit mit der gleichen Stärke und in der gleichen Richtung ein.

Infolgedessen erzeugen die erste und die zweite Brückenschaltung 101 und 102 die gleiche Ausgabe v _B , die durch den ersten und den zweiten Differenzverstärker 103 und 104 auf den Wert V _B verstärkt und an den dritten Differenzverstärker 105 übertragen wird.

Da die V _B -Ausgaben der Verstärker 103 und 104 an die (+)- und die (-)-Eingangsklemmen des Differenzverstärkers 105 gelegt werden, liefert der letztere keine Ausgabe. Deshalb liefert auch der Steuerkreis des Durchflußmessers keine Ausgabe.

Es sei bemerkt, daß die Membranen 87 a und 87 b bei der Ausführungsform nach Fig. 4 zwar auf einem einzelnen Halbleiterchip 87 angebracht sind, um Identität hinsichtlich der Struktur und der elektrischen Eigenschaften zu erreichen, daß aber die Membranen 87 a und 87 b auch getrennt voneinander erzeugt werden können, solange sie identische mechanische und elektrische Eigenschaften besitzen.

Wie oben dargestellt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung zur Erfassung der in Druckableitungsöffnungen erzeugten Druckschwankung eine Membrane in jeder Zwischenwand zwischen der ersten und der zweiten Druckkammer und zwischen der dritten und der vierten Druckkammer angebracht. Die erste und die zweite Brückenschaltung werden durch Verformungen der Membranen zur Erzeugung von Ausgaben ausgelöst, die in der Phase einander entgegengesetzt sind und eine Höhe mit dem gleichem Absolutwert besitzen. Der erste und der zweite Differentialverstärker verstärken die Ausgaben, und diese werden im Falle der Erfassung eines Karman-Wirbeldruckes addiert oder im Falle äußerer Erschütterungen etc. voneinander subtrahiert. Deshalb ist es möglich, selbst kleinste Wirbeldrücke zu erfassen und zugleich den Einfluß äußerer Druckkräfte auszuschließen.

Claims (2)

1. Wirbeldurchflußmesser mit einem ersten Druckkanal zur Übertragung einer in einem Karman-Wirbel im Kanal auftretenden Druckveränderung, durch welchen Kanal das zu messene Fluid strömt, in eine erste und eine vierte Druckkammer, und einen zweiten Druckkanal zur Übermittlung der Wirbeldruckänderung in eine zweite und in eine dritte Druckkammer; einer ersten bzw. einer zweiten Membrane in einem Zwischenwandabschnitt zwischen der ersten und der zweiten Druckkammer bzw. in einem Zwischenwandabschnitt zwischen der dritten und der vierten Druckkammer; einer ersten und einer zweiten auf der ersten und der zweiten Membrane jeweils angebrachten Brückenschaltung; und einer Differenzverstärkerschaltung zur Verstärkung des Ausgangssignal-Unterschiedes zwischen der ersten und der zweiten Brückenschaltung.

2. Wirbeldurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzverstärkerschaltung einen ersten Differenzverstärker besitzt, dessen Eingänge an die erste Brückenschaltung angeschlossen sind, und einen zweiten Differenzverstärker, dessen Eingänge an die zweite Brückenschaltung angeschlossen sind, und einen dritten Differenzverstärker, dessen Eingänge mit den Ausgängen des ersten und zweiten Differenzverstärkers verbunden sind.