DE3940065A1 - Von karman'sches wirbel-stroemungsmessgeraet - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft ein von Karman′sches Wirbel- Strömungsmeßgerät, welches eine Erzeugungsfrequenz von von Karman′schen Wirbelstraßen mit einer Ultraschallwelle mißt, um eine Strömungsgeschwindigkeit oder einen Strömungsdurchsatz eines Strömungsmittels zu messen, das in eine Leitung strömt.

Herkömmlicherweise ist ein vom Karman′schen Wirbel-Strö­ mungsmeßgerät der erwähnten Art beispielsweise in der japani­ schen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 48-17 010, der japa­ nischen Patentveröffentlichung Nr. 55-11 206 oder der japani­ schen Patentveröffentlichung Nr. 56-34 046 offenbart. Diese Einrichtungen sind jeweils so ausgebildet, daß eine Ultra­ schallwelle, die von einem Ultraschallwellensender erzeugt wird, von einem Empfänger empfangen wird.

Es wird übrigens in der japanischen Patentveröffentli­ chung Nr. 56-34 046 vorgeschlagen, einen Sender und einen Emp­ fänger an solchen Stellen an einer Leitung anzuordnen, die versetzt sind und etwas stromaufwärts gerichtet sind, wobei man berücksichtigt, daß eine Ultraschallwelle, die vom Sender ausgeht und sich quer zu einem Strömungsmittel ausbreitet, das in der Leitung strömt, infolge der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels stromabwärts abgelenkt wird.

Da die herkömmlichen von Karman′schen Wirbel-Strömungs­ meßgeräte einen solchen Aufbau aufweisen, wie er oben be­ schrieben wurde, kann, wenn der Empfänger beispielsweise in einer Lage angeordnet ist, in welcher er eine Ultraschallwelle mit höchster Empfindlichkeit empfangen kann, die sich durch eine Strömung dorthin fortpflanzt, wenn die Strömungsgeschwin­ digkeit des Strömungsmittels, das in der Leitung strömt, ver­ hältnismäßig niedrig ist, dann, wenn die Strömung des Strö­ mungsmittels schnell wird, eine Ultraschallwelle, die von der Strömung abgelenkt wird, nicht mit einer hohen Empfindlichkeit empfangen werden.

Es ist deshalb übliche Praxis, daß die Ausgangsleistung einer Schallwelle des Senders erhöht wird oder daß die Anbrin­ gungsstelle des Empfängers so geändert wird, daß der Empfang der Ultraschallwelle erleichtert wird.

Wenn allerdings die erste Methode angewandt wird, also in anderen Worten eine Spannung am Sender angelegt wird, die hö­ her ist als ein Nennwert, um die Ausgangsleistung einer Ultra­ schallwelle zu erhöhen, dann wird der Sender manchmal unter einer Verschlechterung in seiner Charakteristik oder unter ei­ nem Ausfall leiden. Da ferner die Speisespannung (Ausgangs­ spannung einer Batterie) normalerweise in einem solchen Fall verhältnismäßig niedrig ist, wenn ein von Karman′sches Wirbel­ strömungsmeßgerät angewandt wird, um die Ansaugluftmenge eines Motors für ein Kraftfahrzeug zu messen, liegt hier die Gege­ benheit vor, daß die am Sender angelegte Spannung nicht ohne weiteres auf einen höheren Wert als die Stromversorgungsspan­ nung angehoben werden kann. Es liegt ansonsten jedoch noch eine andere Gegebenheit vor, die darin liegt, dann, wenn auf die zweite Methode übergegangen wird, wenn also in anderen Worten der Empfänger in einer Lage angeordnet wird, in welcher seine Empfangsempfindlichkeit am höchsten ist, wenn die Strö­ mungsgeschwindigkeit hoch ist, dann, wenn die Strömungsge­ schwindigkeit wieder niedrig wird, die Empfangsempfindlichkeit verschlechtert wird.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben be­ schriebenen Probleme auszuräumen, und es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein von Karman′sches Wirbel-Strö­ mungsmeßgerät vorzusehen, welches die zu erzeugende Ultra­ schallwelle intensivieren kann, ohne daß man eine übermäßig hohe Spannung am Sender anlegt und selbst dann, wenn die Stromversorgungsspannung selbst niedrig ist. Es ist auch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Strömungsmeßgerät vorzusehen, welches eine Ultraschallwelle von einem Sender un­ geachtet der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels mit hoher Empfindlichkeit empfangen kann.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfin­ dung weist ein von Karman′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät eine wirbelerzeugende Säule auf, die in einer Leitung angeordnet ist, in welcher das zu messende Strömungsmittel strömt, und zwar senkrecht zur Strömung des Strömungsmittels, eine Anzahl von Ultraschallwellensendern, die an einer Wand der Leitung stromabwärts von der wirbelerzeugenden Säule zum gleichzeiti­ gen Erzeugen von Schallwellen angeordnet sind, und einen Ul­ traschallwellenempfänger, der an einem Wandabschnitt der Lei­ tung gegenüber den Sendern vorgesehen ist. Da mehrere Ultra­ schallwellensender Ultraschallwellen mit gleicher Frequenz gleichzeitig zum Empfänger senden, können die Ultraschallwel­ len, die zum Empfänger gesendet werden sollen, zu einer kombi­ nierten, intensiven Ultraschallwelle intensiviert werden, ohne daß man eine übermäßig hohe Spannung an den Sendern anlegt, wobei das Strömungsmeßgerät die Messung von von Karman′schen Wirbelstraßen sogar in einer Strömung mit hoher Geschwindig­ keit bewirken kann, wobei das Strömungsmeßgerät einen breiten dynamischen Bereich und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist ein von Karman′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät eine wirbelerzeugende Säule auf, die in einer Leitung ange­ ordnet ist, in welcher das zu messende Strömungsmittel strömt, und zwar senkrecht zur Strömung des Strömungsmittels, einen ersten Ultraschallwellensender, der an einer Wand der Leitung stromabwärts von der wirbelerzeugenden Säule angeordnet ist, einen zweiten Ultraschallwellensender, der an der Wand der Leitung ein wenig stromabwärts vom ersten Sender vorgesehen ist, einen Ultraschallwellenempfänger, der an der Wand der Leitung gegenüber dem zweiten Sender vorgesehen ist, und eine Umschalteinrichtung, um durch Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Ultraschallwellensender den wirksamen Ultra­ schallwellensender in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Strömungsmittels in der Leitung zu wählen. Da der Sender auf der stromabwärts gelegenen Seite durch die Umschalteinrichtung dann aktiviert wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels niedrig ist, während der Sender auf der stromaufwärts gelegenen Seite dann aktiviert wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit höher wird als eine vorbestimmte Strömungsgeschwindigkeit, kann eine Ultraschallwelle, die von einem Sender gesendet wird, mit hoher Empfindlichkeit von einem Empfänger empfangen werden, und dementsprechend kann eine Ultraschallwelle, die von einem Sender erzeugt wird, mit einer hohen Empfindlichkeit vom Empfänger ungeachtet der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels in der Leitung empfangen werden, und dementsprechend ist das von Karman′sche Wirbel-Strömungsmeßgerät in hohem Grade zuverlässig.

Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorzüge der Er­ findung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den bei­ gefügten Ansprüchen ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen herangezogen werden, die ein be­ vorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielsweise zeigen.

In der Zeichnung ist:

Fig. 1 ein Horizontalschnitt durch ein von Karman′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Vertikalschnitt längs Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 ein Horizontalschnitt durch ein anderes Ausfüh­ rungsbeispiel, und

Fig. 4 eine Ansicht des Aufbaus eines gesamten von Kar­ man′schen Wirbel-Strömungsmeßgerätes gemäß einem anderen Aus­ führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichungen beschrieben. Fig. 1 ist ein Horizontalschnitt durch ein von Karman′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel in Übereinstimmung mit dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, und Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt, der längs Linie II-II in Fig. 1 vorgenommen wurde. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Leitung, welche als ein­ teiliges Stück durch Kunststoff-Formen geformt ist und in wel­ chem die zu messende Strömung strömt, und ein schallschlucken­ des Material 2 zum Absorbieren einer Ultraschallwelle ist an einer Innenfläche einer Wand der Leitung 1 ausgebildet. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Gleichrichter, der an einem stromaufwärts gelegenen Abschnitt der Leitung 1 angeordnet ist, um Strömungsmittel gleichzurichten und in die Leitung 1 einzuleiten, das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine wirbelerzeu­ gende Säule, die senkrecht zur Strömung des Strömungsmittels in der Leitung 1 angeordnet ist, und das Bezugszeichen 5 eine von Karman′sche Wirbelstraße, die durch die wirbelerzeugende Säule 4 erzeugt wurde. Die Bezugszeichen 6 a und 6 b bezeichnen zwei Ultraschallwellensender, die stromabwärts von der Säule 4 angeordnet sind, die senkrecht zur Strömung des Strömungsmit­ tels angeordnet ist und eine von Karman′sche Wirbelstaße er­ zeugt, und die Ultraschallwellensender 6 a und 6 b sind in Auf­ nahmelöchern 7 a und 7 b aufgenommen, die in der Wand der Lei­ tung 1 ausgebildet sind. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Ultraschallwellenempfänger, der mit gleichem Abstand den Sen­ dern 6 a und 6 b gegenüberliegt, um von den Sendern Ultraschall­ wellen zu empfangen, und der Ultraschallwellenempfänger 8 ist in einem Aufnahmeloch 9 aufgenommen, der in der Wand der Lei­ tung 1 ausgebildet ist. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Deckel für die Aufnahmelöcher 7 a und 7 b, und das Bezugszeichen 11 bedeutet einen Deckel für das Aufnahmeloch 9. Das Bezugs­ zeichen 12 bezeichnet eine oszillierende Schalteinrichtung zum gleichzeitigen Antreiben der Sender 6 a und 6 b und das Bezugs­ zeichen 13 bezeichnet eine Aufnahmeschaltung zum Verstärken eines gleichgerichteten Signals des Empfängers 8 und zum Er­ mitteln einer Erzeugungsfrequenz von Karman′scher Wirbelstra­ ßen.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise beschrieben. Um eine Erzeugungsfrequenz von Karman′scher Wirbelstraßen 5 festzu­ stellen, die in einer Strömungsmittelströmung in der Leitung 1 erzeugt wurden, werden Ultraschallwellen gleichzeitig von den Sendern 6 a und 6 b in die von Karmman′schen Wirbelstraßen hin­ ein erzeugt. Diese Ultraschallwellen breiten sich quer zur Strömung aus, während sie von den von Karman′schen Wirbel­ straßen moduliert werden, und werden somit vom Empfänger 8 empfangen. Solche Ultraschallwellen von den Sendern 6 a und 6 b breiten sich mit einer gewissen Ausdehnung aus, und wenn die Geschwindigkeit der Strömung niedrig ist, dann werden die Ul­ traschallwellen von der Strömung nur wenig abgelenkt, aber wenn die Strömung eine hohe Geschwindigkeit erhält, dann wer­ den die Ultraschallwellen von den von Karman′schen Wirbel­ straßen stromabwärts abgelenkt und gleichzeitig im Übermaß mo­ duliert, die entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit inten­ siviert sind. Wenn ein solcher Zustand erreicht wird, dann wird in dem Fall, in dem die empfangenen Ultraschallwellen schwach sind, der Empfang schwierig. Bei dem obigen erfin­ dungsgemäßen Aufbau wird, weil die Ultraschallwellen gleich­ zeitig von den beiden Sendern 6 a und 6 b übertragen werden, eine intensive Ultraschallwelle erhalten, und dementsprechend ist der Empfang einer Ultraschallwelle selbst dann noch leicht, wenn die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt, und die stabilisierte Messung von Karman′scher Wirbelstraßen kann be­ wirkt werden.

Fig. 3 zeigt einen Horizontalschnitt durch ein von Kar­ man′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät gemäß einem ersten Ge­ sichtspunkt der vorliegenden Erfindung, bei welchem die Lage des Empfängers 8 stromabwärts von den Sendern 6 a und 6 b ange­ ordnet ist. Bei dem von Karman′schen Wirbel-Strömungsmeßgerät wird, da der Empfänger 8 um einen Abstand stromabwärts von den Sendern 6 a und 6 b angeordnet ist, wobei in Betracht gezogen wurde, daß eine Ultraschallwelle, die sich quer zur Strömung in der Leitung 1 fortpflanzt, infolge der Strömungsgeschwin­ digkeit des Strömungsmittels stromabwärts abgelenkt wird, die Messung von Karman′scher Wirbelstraßen in einer Strömung mit höherer Strömungsgeschwindigkeit als beim vorangehenden Aus­ führungsbeispiel ermöglicht.

Fig. 4 zeigt die Ansicht des Aufbaus eines gesamten von Karman′schen Wirbel-Strömungsmeßgeräts in Übereinstimmung mit dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1′ eine Leitung, in wel­ cher ein zu messendes Strömungsmittel strömt, 4′ eine wirbel­ erzeugende Säule, die im wesentlichen senkrecht zum Strö­ mungsmittel angeordnet ist, das in der Leitung 1′ strömt, 6 a′ einen ersten Ultraschallwellensender, der an einer Wand der Leitung 1′ vorgesehen ist, um eine Schallwelle in die von Karman′schen Wirbelstraßen hinein zu erzeugen, die stromab­ wärts von der wirbelerzeugenden Säule 4′ erzeugt werden, 6 b′ einen zweiten Ultraschallwellensender, der an einem Wandab­ schnitt der Leitung stromabwärts vom ersten Ultraschallwel­ lensender angeordnet ist, und 8′ einen Ultraschallwellen­ empfänger, der an der Wand der Leitung 1 gegenüber dem Sender 6 b′ angeordnet ist. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Ein­ richtung mit einer Meßschaltung, welche von einem Oszillator 15 gebildet ist, um einem ersten und zweiten Ultraschallwel­ lensender 6 a′ und 6 b′, einem Phasenschieber 16, einem Phasen­ vergleicher 17, einem Bandpaßfilter 18, einem Tiefpaßfilter 19 und Verstärkern 20 und 21. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet ei­ nen Ausgangsanschluß der Meßschaltungseinrichtung 14, und ein Wirbelsignalausgang wird vom Ausgangsanschluß 22 her erhalten. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet eine Umschalteinrichtung für die beiden Ultraschallwellensender 6 a′ und 6 b′, und die Um­ schalteinrichtung 23 kann den wirksamen Ultraschallwellensen­ der so umschalten, daß, wenn die Frequenz des Wirbelsignal­ ausganges des Ausgangsanschlusses 22 niedrig ist, der zweite Schallwellensender 6 b′ stromabwärts vom Oszillator 15 erregt werden kann, wenn aber die Frequenz des Wirbelsignalausgangs höher wird als ein bestimmter Wert, dann der erste Ultra­ schallwellensender 6 a′ stromaufwärts vom Oszillator 15 erregt werden kann.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der vorliegenden Er­ findung beschrieben. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels, das in der Leitung 1′ strömt, niedrig ist, dann wird der zweite Ultraschallwellensender 6 b′ von der Um­ schalteinrichtung 23 wirksam gemacht, und eine Ultraschallwel­ le, die vom Sender 6 b′ erzeugt wird, breitet sich im Strö­ mungsmittel aus, während sie von der Strömungsgeschwindigkeit nur gering abgelenkt wird, und wird somit vom Empfänger 8′ auf der gegenüberliegenden Seite empfangen. Wenn jedoch die Strö­ mungsgeschwindigkeit hoch wird, dann wird eine Ultraschallwel­ le, die sich im Strömungsmittel ausbreitet, so abgelenkt, daß es schwierig wird, die Ultraschallwelle vom Empfänger 8′ zu empfangen. Deshalb wird der erste Ultraschallwellensender 6 a′ auf der stromaufwärts gelegenen Seite, der so angeordnet ist, daß man berücksichtigt hat, daß eine Ultraschallwelle abge­ lenkt wird, wirksam gemacht, um dem Empfang vom Empfänger 8′ zu ermöglichen. Da insbesondere die Erzeugungsfrequenz der von Karman′schen Wirbelstraßen, die stromabwärts von der wirbel­ erzeugenden Säule 4′ erzeugt werden, proportional zur Strö­ mungsgeschwindigkeit des zu messenden Strömungsmittels zu­ nimmt, wird, wenn die Frequenz des Strömungsausgangssignals (die Erzeugungsfrequenz von Karman′scher Wirbelstraßen), die vom Ausgangsanschluß 22 erzeugt wird, höher wird als ein be­ stimmter Wert, wird der wirksame Ultraschallwellensender vom zweiten Ultraschallwellensender 6 b′ auf den ersten Ultra­ schallwellensender 6 a′ durch die Umschalteinrichtung 23 umge­ schaltet.

Dementsprechend kann eine Ultraschallwelle, die von einem Sender erzeugt wird, mit einer hohen Empfindlichkeit vom Emp­ fänger ungeachtet der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungs­ mittels in der Leitung empfangen werden, und dementsprechend ist das von Karman′sche Wirbel-Strömungsmeßgerät in hohem Gra­ de zuverlässig.

Claims (7)

1. Von Karman′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät, gekennzeichnet durch eine wirbelerzeugende Säule (4), die in einer Leitung (1), in der das zu messende Strömungsmittel strömt, senkrecht zur Strömung des Strömungsmittels angeordnet ist, eine Anzahl von Ultraschallsendern (6 a, 6 b), die an einer Wand der Leitung (1) stromabwärts von der wirbelerzeugenden Säule (4) in Aus­ richtungen senkrecht zur Strömung des Strömungsmittels vor­ gesehen sind, und einen Ultraschallwellenempfänger (8), der an einem Abschnitt der Wand der Leitung (1) vorgesehen ist, der den Sendern (6 a, 6 b) gegenüberliegt.

2. Von Karman′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsender (6 a′,6 b′) nebeneinanderliegend an der Wand der Leitug (1) an einer hori­ zontalen Schnittfläche dieser angeordnet sind und mit einer OszillatorSchaltungseinrichtung (15) verbunden sind, die vor­ gesehen ist, um die Ultraschallwellensender (6 a′, 6 b′) zu ver­ anlassen, gleichzeitig Ultraschallwellen zum Ultraschallwel­ lenempfänger (8′) zu erzeugen, und daß der Empfänger (8′) mit einer Empfangsschaltungseinrichtung (17, 18, 20, 21) verbunden ist, die vorgesehen ist, um die Erzeugungsfrequenz von Kar­ man′scher Wirbelstraßen zu ermitteln, die von der wirbelerzeu­ genden Säule (4′) erzeugt werden.

3. Von Karman′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwellen­ empfänger (8′) an einer Stelle vorgesehen ist, die um einen bestimmten Abstand (1) stromabwärts von den Ultraschallwellen­ sendern (6 a′, 6 b′) angeordnet ist.

4. Von Karman′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen­ sender (6 a′, 6 b′) in Reihenanordnung stromaufwärts und strom­ abwärts in axialer Richtung der Leitung (1) vorgesehen sind und mit einer Umschalteinrichtung (23) verbunden sind, die vorgesehen ist, um die Ultraschallwellensender (6 a′, 6 b′) wechselweise wirksam zu machen.

5. Von Karman′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwellen­ empfänger (8′) dem stromabwärts gelegenen Ultraschallwellen­ sender (6 b′) gegenüberliegend vorgesehen ist.

6. Von Karman′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen­ sender (6 a′, 6 b′) automatisch wechselweise wirksam gemacht werden, wenn die Erzeugungsfrequenz von Karman′scher Wirbel­ straßen des Strömungsmittels höher wird als ein bestimmter Wert.

7. Von Karman′sches Wirbel-Strömungsmeßgerät nach jedem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strö­ mungsmittel Gas ist.