DE69314593T2

DE69314593T2 - Durchflussmesser mit einem fluidischen Oscillator

Info

Publication number: DE69314593T2
Application number: DE69314593T
Authority: DE
Inventors: Philippe Hocquet; Bao Huang
Original assignee: Schlumberger SA
Current assignee: Itron France SAS
Priority date: 1992-04-29
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2013-04-28
Also published as: EP0592657A1; UA27778C2; DE69314593D1; RU2128824C1; CZ284313B6; FR2690717B1; CZ290693A3; KR100278975B1; CA2110804A1; WO1993022626A1; JP3276373B2; KR940701532A; EP0592657B1; JPH06507981A; FR2690717A1; PL171222B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen fluidischen Oszillator und einen Durchflußmesser für ein strömendes flüssiges oder gasförmiges Fluid.
Die meisten derzeit vorhandenen Durchflußmesser oder Durchflußzähler enthalten bewegliche mechanische Elemente. Dies ist insbesondere bei Durchflußmessern mit Turbine oder Membran der Fall. Im Vergleich dazu besitzen die fluidischen Oszillatoren keinerlei bewegliches Teil, welches mit der Zeit verschleißen könnte, so daß diese Oszillatoren nicht nachkalibriert werden müssen.
Diese Oszillatoren können geringe Abmessungen und eine sehr einfache Architektur besitzen. Ihre Zuverlässigkeit ist daher sehr gut. Darüber hinaus liefern sie ein Frequenzsignal, das leicht in ein digitales Signal umgesetzt werden kann. Dieses Merkmal ist besonders vorteilhaft beim Lesen von entfernten Zählern
Die meisten Anstrengungen zur Entwicklung dieser Durchflußmesser sind auf die Wirbel-Durchflußmesser, die häufig Durchflußmesser mit Vortex-Effekt genannt werden, und auf die Durchflußmesser mit Coanda-Effekt gerichtet.
Das Funktionsprinzip der Durchflußmesser mit Vortex-Effekt beruht auf der wohlbekannten Tatsache, daß das Vorhandensein eines Hindernisses in einer Leitung, in der ein Fluid strömt, Anlaß zu einem periodischen Austreten von Wirbeln gibt. Das Meßprinzip besteht darin, die Frequenz der Loslösung der Wirbel zu erfassen, die für ein Hindernis mit gegebener Geometrie zur Strömungsgeschwindigkeit proportional ist.
Die Frequenz der Wirbel wird in verschiedenen Weisen gemessen, was ermöglicht, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit und daher den Durchsatz zu erhalten. Die Durchflußmesser mit Vortex- Effekt sind im allgemeinen sehr rauschempfindlich und stark von den Zuständen des eingangsseitigen Fluids abhängig. In der Praxis wird eine Strömungsleiteinrichtung verwendet, um das Geschwindigkeitsprofil gleichmäßig zu machen. Ein Durchflußmesser dieses Typs ist beispielsweise in dem Patent US 3.589.185 beschrieben.
Der Coanda-Effekt, der in den Durchflußmessern gleichen Namens verwendet wird, besteht in dem natürlichen Bestreben eines Fluidstrahls, den Umrissen einer Wand zu folgen, wenn der Strahl in der Nähe dieser Wand fließt, selbst wenn sich der Umriß dieser Wand von der Abströmachse des Strahls entfernt. Ein fluidischer Oszillator dieses Typs enthält eine Kammer, in die der Fluidstrahl durch eine konvergente Düse abströmt. In der Kammer sind symmetrisch in bezug auf die Abströmachse des Strahls zwei seitliche Wände angeordnet. Der vom Eingang des Oszillators stammende Strahl heftet sich durch den Coanda- Effekt spontan an eine der seitlichen Wände. Ein Teil des Durchsatzes wird dann durch einen seitlichen Kanal der Wand abgelenkt, an die sich der Strahl heftet, mit der Wirkung, daß sich der Strahl von dieser letzteren löst und sich an die gegenüberliegende Wand heftet. Das Phänomen entsteht dann neu und hat eine ständige Schwingung der eintretenden Strömung zur Folge. Leider ist bei diesem Gerätetyp der Meßbereich für den Durchsatz verhältnismäßig begrenzt, ferner ist die Nichtlinearität der Kalibrierungskurve sehr groß. Darüber hinaus kann in diesem Gerätetyp die Schwingung unter bestimmten Bedingungen, die mit äußeren Störungen in Beziehung stehen, zum Stillstand kommen, mit der Folge eines Signalverlusts. Die Dokumente EP-A-0295623 und FR-A-2663416 beschreiben einen solchen fluidischen Oszillator, der in einer Schwingungskammer eine Öffnung für den Eintritt des Strahls in die Kammer und ein Hindernis enthält, das in seinem Stirnabschnitt einen mittigen Hohlraum gegenüber der Öffnung sowie zwei Nebenhohlräume besitzt, die sich beiderseits des mittigen Hohlraums befinden.
Zwischen jedem Nebenhohlraum und der Wand der Schwingungskammer, an die die Eintrittsöffnung angeschlossen ist, ist ein zusätzliches Hindernis, an das sich der Fluidstrahl abwechselnd heftet, angeordnet.
Der an eines der zusätzlichen Hindernisse geheftete Fluidstrahl gibt Anlaß zu einer Rückströmung, die durch den entsprechenden Nebenhohlraum und durch das Hindernis kanalisiert wird.
Ein Teil der Strömung entweicht an einer der Seiten des mit den Hohlräumen versehenen Hindernisses, während der verbleibende Teil zum Fluidstrahl zurückgeschickt wird, nachdem er das zusätzliche Hindernis umrundet hat.
Um den möglichen Meßbereich zu vergrößern, haben Okadayashi u. a. in Patent US 4.610.162 vorgeschlagen, zwei fluidische Oszillatoren zu kombinieren, wovon einer mit niedrigen Durchsätzen und der andere mit hohen Durchsätzen arbeitet.
Wegen der Nachteile, die bei Durchflußmessern mit Vortex-Effekt und mit Coanda-Effekt angetroffen werden, sind Versuche unternommen worden, um andere Typen von fluidischen Oszillatoren zu entwickeln, die gemäß grundlegend anderen Prinzipien arbeiten. Eine Anwendung hiervon findet sich in den Durchflußmessern, die in den Patenten US 4.184.636, 4.244.230 und 4.843.889 beschrieben sind.
Beispielsweise beschreibt das Patent US 4.244.230 einen Durchflußmesser mit fluidischem Oszillator, der in einer Röhrenleitung im Fluiddurchlauf, wovon er einen Teil abgreift, angeordnet ist. Der Oszillator besitzt zwei Elemente, die nebeneinander angeordnet sind und deren einander gegenüber befindliche Wände eine Düse bilden. Ein Hindernis besitzt einen vorderen Hohlraum, der gegenüber der Düse angeordnet ist.
Der Hohlraum weist einen Eingang und einen gemeinsamen Ausgang auf. Der die Düse verlassende Strahl dringt in den Hohlraum ein und trifft auf den Boden des Hohlraums.
Die transversale Schwingung des Strahls im Hohlraum wird von der Bildung zweier Wirbel zu beiden Seiten des Strahls begleitet. Jeder Wirbel ist gegenphasig abwechselnd stark und schwach. Der Strahl verläßt den gemeinsamen Ausgang und wird in den Hauptstrom gelenkt.
Druckaufnehmer ermöglichen die Messung der Frequenz der Schwingungen des Strahls im Hohlraum, die zum Durchsatz proportional ist.
Die Leistungseigenschaften dieses Durchflußmessertyps sind im allgemeinen besser als jene, die mit den herkömmlichen fluidischen Durchflußmessern erhalten werden. Diese Leistungseigenschaften sind jedoch leider insbesondere in bezug auf die Empfindlichkeit und den Meßbereich, jedoch auch in bezug auf die Linearität der Vorrichtung in diesem Bereich noch immer nicht zufriedenstellend.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu beseitigen. Die Erfindung schlägt einen fluidischen Oszillator und einen einen derartigen Oszillator enthaltenden Durchflußmesser vor, der gegenüber den Durchflußmessern des Standes der Technik verbesserte Leistungseigenschaften besitzt.
Gewöhnlich wird die Linearität eines solchen fluidischen Oszillators in bezug auf relative Änderungen des K-Faktors, der gleich dem Verhältnis der Schwingungsfrequenz f des Strahls zum Durchsatz Q ist, geschätzt.
Im allgemeinen werden drei Durchsatzbereiche unterschieden, die nach zunehmenden Durchsätzen angegeben werden: laminarer Bereich, übergangsbereich und turbulenter Bereich.
Aus Fig. 1, die die relative Änderung von K, also AK/K, in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl RE repräsentiert (es wird daran erinnert, daß die Reynolds-Zahl RE, die dem Fachmann wohlbekannt ist, gleich der Fluidgeschwindigkeit auf Höhe der Eingangsöffnung der Schwingungskammer, multipliziert mit der Breite dieser Öffnung und dividiert durch die kinetische Viskosität des Fluids, ist), geht hervor, daß sich die Probleme der Linearität im wesentlichen im linearen Bereich und im Übergangsbereich stellen. Es kann gezeigt werden, daß im laminaren Bereich und bei niedrigem Durchsatz die relative Änderung des K-Faktors plötzlich abfällt. In der Übergangszone am Rand der laminaren Zone weist die Kurve einen Höcker auf.
Die Erfindung betrifft einen fluidischen Oszillator, der in einem erweiterten Bereich linear ist. Es wird angenommen, daß ein solcher Oszillator linear ist, wenn die relativen Änderungen des K-Faktors kleiner als ±1,5 % sind. Wie im folgenden deutlich wird, ermöglicht die Erfindung die Reduzierung der Amplitude des Höckers der relativen Änderung des K-Faktors im Übergangsbereich und daher eine ebensolche Vergrößerung des Bereichs des linearen Betriebs.
Der fluidische Oszillator gemäß der Erfindung ist in bezug auf eine Längssymmetrieebene symmetrisch. Er enthält:
- einen Fluideingang mit einer Eintrittsöffnung, die eine Breite d hat und geeignet ist, einen quer zur Längssymmetrieebene schwingenden zweidimensionalen Fluidstrahl und Wirbel zu beiden Seiten des Strahls zu erzeugen, wobei diese Wirbel gegenphasig und in Beziehung zu der Schwingung des Strahls abwechselnd stark und schwach sind,
- eine an die Fluideintrittsöffnung angeschlossene Schwingungskammer,
- ein Hindernis, das in der Schwingungskammer angeordnet ist und einen Stirnabschnitt hat, in dem ein Haupthohlraum gegenüber der Fluideintrittsöffnung ausgebildet ist, wobei der Stirnabschnitt des Hindernisses und die sich an die Eintrittsöffnung anschließende Wand der Schwingungskammer miteinander zwei völlig hindernisfreie Räume definieren, die zu beiden Seiten des Haupthohlraums liegen, wobei der fluidische Oszillator dadurch gekennzeichnet ist, daß er außerdem Mittel enthält, die geeignet sind, die radiale Ausdehnung dieser Wirbel von dem Abströmverhalten des Strahls abhängig zu machen, wobei diese Mittel wenigstens zwei Nebenhohlräume aufweisen, die in dem Stirnabschnitt des Hindernisses ausgebildet sind, wobei diese Nebenhohlräume symmetrisch in bezug auf die Symmetrieebene zu beiden Seiten des Haupthohlraums angeordnet sind.
In dieser Ausführung bildet sich bei starkem Durchsatz in jedem Nebenhohlraum ein Nebenwirbel. Die Hauptwirbel befinden sich zwischen dem Stirnabschnitt des Hindernisses und der Wand der Schwingungskammer. Ihre radiale Ausdehnung ist durch die radiale Ausdehnung der Nebenwirbel begrenzt.
Folglich wird eine Erhöhung des K-Faktors erhalten.
Im Übergangsbereich und bei Verringerung des Durchsatzes nimmt hingegen die radiale Ausdehnung der Hauptwirbel zum Nachteil jener der in den Nebenhohlräumen sich befindenden Nebenwirbel einen immer größeren Umfang an. Der Grenzfall dieses Betriebsbereichs wird erreicht, wenn die Hauptwirbel während der Periode, in der sie stark sind, die Nebenhohlräume vollständig ausfüllen.
Nun nimmt die Schwingungsfrequenz des Strahls in der Phase, in der die Hauptwirbel stark sind, mehr und mehr ab, je größer die radiale Ausdehnung der Hauptwirbel ist, die am Schwingungsphänomen teilhaben. Folglich wird eine Abnahme des K-Faktors und seiner relativen Änderung und daher im allgemeinen eine Zunahme des linearen Betriebsverhaltens des Oszillators erhalten.
Vorteilhaft besitzt der Haupthohlraum schräge Wände, die im wesentlichen ein V bilden, dessen beide Schenkel sich zur Außenseite des Hohlraums hin erweitern.
Die Wände des Haupthohlraums können in bezug auf die Symmetrieebene einen Öffnungswinkel aufweisen, der in einem Bereich enthalten ist, der von 0º bis 80º geht.
Vorteilhaft weist der Hohlraum einen im wesentlichen parabolischen Boden auf. Wenn der Öffnungswinkel 0º beträgt, ist der Haupthohlraum rechteckig, zweckmäßig weisen jedoch die Wände des Haupthohlraums einen Öffnungswinkel in bezug auf die Symmetrieebene auf, der in einem Bereich enthalten ist, der von 10º bis 45º geht.
Der Abstand, der den Boden des Haupthohlraums von der Eintrittsöffnung trennt, kann in einem Bereich liegen, der von 3 d bis 15 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.
Die gemessene Frequenz bei der Schwingung des Fluidstrahls hängt von diesem Abstand des Bodens des Hohlraums zur Eintrittsöffnung ab. Um eine ausreichend hohe Frequenz zu messen, ist dieser Abstand in einem Bereich enthalten, der von 4 d bis 8 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.
Vorteilhaft besitzt der Haupthohlraum einen Eingang mit einer Breite, die in dem Bereich enthalten ist, der von 2 d bis 10 d geht.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist der Stirnabschnitt des Hindernisses eine Breite auf, die in einem Bereich enthalten ist, der von 5 d bis 30 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.
Der Stirnabschnitt des Hindernisses ist zur Symmetrieebene im wesentlichen senkrecht. Er kann in einem Abstand von der Eintrittsöffnung liegen, der in einem Bereich enthalten ist, der von 1 d bis 10 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform eines fluidischen Oszillators mit einem mit Nebenhohlräumen versehenen Hindernis haben diese letzteren im wesentlichen eine Form, die in einem Viereck mit einer den Eingang des Nebenhohlraums bildenden offenen Seite enthalten ist, wobei diese Form drei Seiten des Vierecks tangiert.
In einer weiteren Ausführungsform hat jeder Nebenhohlraum im wesentlichen eine Form, die in einem Dreieck mit einer den Eingang des Nebenhohlraums bildenden offenen Seite enthalten ist, wobei diese Form zwei Seiten des Dreiecks tangiert.
Gemäß einer besonderen Ausführung hat jeder Nebenhohlraum einen abgestuften Boden.
Gemäß einer besonderen Ausführung besitzt jeder Nebenhohlraum einen Eingang der Breite, die in einem Bereich enthalten ist, der von 1 d bis 10 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.
Vorteilhaft enthält der Fluideingang eine hexaedrische Beruhigungskammer, die an eine Eingangsleitung anschließbar ist, und einen konvergierenden Abschnitt, der sich an eine Seite der Beruhigungskammer anschließt, wobei dieser konvergierende Abschnitt eine rechteckige Eintrittsöffnung der Breite d hat, die an die Schwingungskammer anschließbar ist.
Vorzugsweise weist der Fluideingang außerdem Mittel zur Konditionierung des Fluidstrahls.
Gemäß einer Variante sind die Konditionierungsmittel durch eine in der Symmetrieebene angeordnete Platte gebildet. Gemäß einer weiteren Variante sind diese Konditionierungsmittel durch ein in der Symmetrieebene angeordnetes stromlinienförmiges Hindernis gebildet.
Vorteilhaft haben die Konditionierungsmittel ein Ende, das von der Eintrittsöffnung um einen Abstand entfernt ist, der in einem Bereich enthalten ist, der von 0,5 d bis 4 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem einen Durchflußmesser, der einen fluidischen Oszillator enthält.
Die Merkmale der Erfindung werden deutlicher beim Lesen der folgenden Beschreibung, die anhand eines erläuternden und nicht beschränkenden Beispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung gegeben wird, in der:
Fig. 1, die bereits beschrieben worden ist, die relative Änderung des K-Faktors in Abhängigkeit vom Durchsatz für einen fluidischen Oszillator des Standes der Technik schematisch zeigt;
Fig. 2 einen fluidischen Oszillator gemäß der Erfindung in einer Draufsicht schematisch zeigt;
Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht den Eingang des fluidischen Oszillators gemäß der Erfindung schematisch zeigt;
Fig. 4 in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführungsvariante des Eingangs eines fluidischen Oszillators gemäß der Erfindung schematisch zeigt;
Fig. 5 ein Geschwindigkeitsprofil des Fluidstrahls mit und ohne Hindernis schematisch zeigt;
Fig. 6 in einer Teildraufsicht ein Hindernis schematisch zeigt, das in einem fluidischen Oszillator gemäß der Erfindung angeordnet ist;
Fig. 7 in einer Teildraufsicht eine Ausführungsvariante eines solchen Hindernisses schematisch zeigt;
Fig. 8 in einer Teildraufsicht eine weitere Ausführungsvariante eines solchen Hindernisses schematisch zeigt;
Fig. 9 in einer Teildraufsicht eine weitere Ausführungsvariante eines solchen Hindernisses schematisch zeigt;
Fig. 10 in einer Teildraufsicht eine weitere Ausführungsvariante eines solchen Hindernisses schematisch zeigt;
Fig. 11 in einer Teildraufsicht einen fluidischen Oszillator gemäß der Erfindung im Übergangsbetrieb schematisch zeigt;
Fig. 12 den fluidischen Oszillator nach Fig. 11, jedoch zu einem anderen Zeitpunkt, schematisch zeigt;
Fig. 13 die relative Änderung des K-Faktors in Abhängigkeit vom Durchsatz für einen Oszillator gemäß der Erfindung schematisch zeigt.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht eines fluidischen Oszillators gemäß der Erfindung. Das Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Der Oszillator besitzt eine Längssymmetrieebene P.
Das Fluid dringt in den Oszillator durch einen Eingang E ein, der, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, aus einer Beruhigungskammer 10, die an die Fluideintrittsröhrenleitung 12 angeschlossen ist, und aus einer Düse 14, die in einer rechteckigen Eintrittsöffnung 16 endet, aufgebaut ist.
Die Beruhigungskammer 10 weist eine hexaedrische Form auf, wobei die Oberfläche ihrer Vorderseite (die an die Eintrittsröhrenleitung angeschlossen ist) größer als die Oberfläche ihrer Rückseite (die an die Düse angeschlossen ist) ist. Ihre Rückseite ist vorzugsweise kubisch, wobei die Seite gleich der Höhe des zweidimensionalen Strahls ist. Sie ermöglicht die Umwandlung des die Eintrittsröhrenleitung 12 verlassenden zylindrischen Fluidstrahls in einen Strahl mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt.
Die Düse 14 ermöglicht neben der Beschleunigung des Fluids die Bildung des schwingenden zweidimensionalen Strahls. Hierzu besitzt die Eintrittsöffnung 16 in der Schwingungskammer 8 eine rechteckige Form mit der Länge h und der Breite d, deren Verhältnis die dem Fachmann wohlbekannten Bedingungen der Zweidimensionalität berücksichtigt.
Im allgemeinen muß das Verhältnis h/d in der Größenordnung von 6 liegen oder größer als 6 sein. Die Breite d wird in der folgenden Beschreibung als Bezugseinheit verwendet.
Der Eingang E besitzt außerdem Fluidkonditionierungsmittel. Diese Mittel können durch eine Platte 20 gebildet sein, die in der Symmetrieebene P angeordnet ist. Fig. 4 zeigt schematisch eine Ausführungsvariante dieser Konditionierungsmittel. In dieser Variante sind die Mittel durch ein stromlinienförmiges Hindernis 21, das in der Symmetrieebene P angeordnet ist, gebildet.
Wie aus Fig. 5 hervorgeht, besteht die Konditionierung darin, das Geschwindigkeitsprofil des Strahls, das bei niedrigen Durchsätzen naturgemäß parabolisch ist, im wesentlichen eben zu machen, so daß auch bei starken Durchsätzen dieses Profil eben bleibt. Somit bleiben die Geschwindigkeitsprofile für sämtliche Durchsätze ähnlich.
Das Ende der Platte 20 oder des Hindernisses 21 gegenüber der Eintrittsöffnung 16 ist von der Eintrittsöffnung um einen Abstand entfernt, der in einem Bereich enthalten ist, der von 0,5 d bis 4 d geht, um die erwünschte Wirkung unter den günstigsten Bedingungen zu erhalten.
Dieser Abstand kann beispielsweise gleich 1 d sein. Wie wiederum in Fig. 2 gezeigt ist, dringt der schwingende zweidimensionale Strahl in eine Schwingungskammer 18 ein, die ein Hindernis 22 enthält. Die Kammer und das Hindernis sind in bezug auf die Längssymmetrieebene P symmetrisch. Das Hindernis 22 enthält einen Stirnabschnitt 24, der zur Längssymmetrieebene P im wesentlichen senkrecht ist und in einem Abstand Do von der Eintrittsöffnung 16 angeordnet ist, der in einem Bereich ent halten ist, der von 1 d bis 10 d geht. Beispielsweise kann dieser Abstand gleich 3 d sein. Der Stirnabschnitt 24 des Hindernisses 22 besitzt eine Breite Lo, die in einem Bereich enthalten ist, der von 5 d bis 30 d geht. Beispielsweise kann diese Breite gleich 12 d sein. Die Schwingungskammer 18 besitzt eine größere Breite Lc, auf deren Höhe der Stirnabschnitt des Hindernisses angeordnet ist; Lc kann in einem Bereich enthalten sein, der von 10 d bis 50 d geht. Beispielsweise kann Lc gleich 20 d sein. Die Räume, die sich zwischen dem Hindernis und den Wänden der Kammer befinden, bilden Fluidabströmkanäle C1, C2, die das Fluid zu einer Ausgangsöffnung lenken. Die Breite dieser Kanäle ist im wesentlichen gleich Lc - Lo. Im Hindernis 22 ist gegenüber der Eintrittsöffnung 16 ein Haupthohlraum 26 ausgebildet. Dieser Haupthohlraum 26 weist einen Eingang der Breite Le auf, die in einem Bereich enthalten ist, der von 2 d bis 20 d geht. Beispielsweise kann Le gleich 5 d sein. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform besitzt der Haupthohlraum schräge Wände 28, 30, die im wesentlichen ein V bilden, dessen beide Schenkel sich zur Außenseite des Hohlraums hin erweitern.
Diese Wände 28, 30 weisen einen Öffnungswinkel al in bezug auf die Symmetrieebene P auf 1 der in einem Bereich enthalten ist, der von 0º bis 80º geht. Vorteilhaft ist al in einem Bereich enthalten, der von 10º bis 45º geht. Er kann beispielsweise gleich 45º sein.
In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel schließen sich die Seitenwände 28, 30 des Haupthohlraums 26 in einem im wesentlichen parabolischen Boden 32 zusammen. Der Boden des Haupthohlraums ist gegenüber der Eintrittsöffnung 16 in einem Abstand Df von dieser angeordnet, wobei Df in einem Bereich enthalten ist, der von 3 d bis 15 d geht.
Df kann beispielsweise gleich 6 d sein.
Die Schwingung des zweidimensionalen Strahls in der Schwingungskammer 18 wird von der Bildung von Wirbeln begleitet, die sich zu beiden Seiten des Strahls befinden und gegenphasig und in Beziehung zur Schwingung abwechselnd stark und schwach sind. Diese Wirbel befinden sich hauptsächlich in dem Raum, der sich zwischen dem Stirnabschnitt 24 des Hindernisses 22 und der Wand der Kammer 18 befindet, an den die Eintrittsöffnung 16 angeschlossen ist. Der Strahl, der in die Schwingungskammer 18 eingedrungen ist, trifft auf die Wände und den Boden des Haupthohlraums 26 in einer abwechselnden Überstreichbewegung.
Gemäß der Erfindung enthält der fluidische Oszillator Mittel, die geeignet sind, die radiale Ausdehnung der Wirbel vom Abströmverhalten des Strahls abhängig zu machen. Die Wirbel weisen keinen kreisförmigen Querschnitt auf; außerdem verformen sie sich während der Schwingung des Strahls. Folglich wird unter radialer Ausdehnung der Abstand zwischen der Mitte des betrachteten Wirbels und seinem Umfang verstanden.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Mittel, die geeignet sind, die radiale Ausdehnung der Wirbel vom Abströmverhalten des Strahls abhängig zu machen, durch zwei Nebenhohlräume 34, 36 gebildet, die im Stirnabschnitt 24 des Hindernisses 22 symmetrisch in bezug auf die Symmetrieebene P zu beiden Seiten des Haupthohlraums 26 ausgebildet sind. In Fig. 6 besitzen die Nebenhohlräume 34 und 36 eine Form, die in einem Viereck enthalten ist, wovon eine Seite offen ist, die einen Eingang bildet. Die Form der Nebenhohlräume tangiert daher drei Seiten des Vierecks. Jeder Nebenhohlraum besitzt in seiner durch ein Viereck begrenzten Form eine erste äußere Seitenwand 38, 40, eine zweite innere Seitenwand 42, 44 und einen Boden 46, 48.
Die Neigungen der Seitenwände in bezug auf eine zur Symmetrieebene P parallele Ebene kann große Winkelwerte annehmen, ohne daß die Funktionsweise der Vorrichtung selbst tiefgehend verändert wird. In Fig. 6 ist der Boden der Nebenhohlräume zur Symmetrieebene P senkrecht, er kann jedoch, wie in Fig. 7 gezeigt ist, einen Öffnungswinkel mit dieser Ebene aufweisen, der Werte annehmen kann, die bis zu +450 gehen. Der Eingang jedes Nebenhohlraums besitzt eine Breite Ls, die in einem Bereich enthalten ist, der von 1 d bis 15 d geht. Die Form der Nebenhohlräume kann vom Viereck selbst (mit einer einen Eingang bildenden offenen Seite) zu einer gekrümmten Form übergehen, die nur einen Kontaktpunkt mit jeder der Seiten des Vierecks besitzt.
In einer Ausführungsvariante, die schematisch in Fig. 8 gezeigt ist, ist ersichtlich, daß der Boden 46, 48 des Hohlraums abgestuft sein kann; in diesem Beispiel weisen die Böden 46 und 48 zwei Stufen 46a, 46b und 48a, 48b auf, sie können jedoch eventuell auch mehr Stufen besitzen. Diese Stufen können zur Symmetrieebene P senkrecht sein oder aber mit dieser einen von 90º verschiedenen Öffnungswinkel bilden.
Die Setzstufe, die die Stufen trennt, kann zur Symmetrieebene P parallel sein oder aber einen von 0º verschiedenen Öffnungswinkel bilden. Insbesondere kann die Setzstufe zur äußeren Seitenwand 38, 40 parallel sein.
In Fig. 9 weisen die Nebenhohlräume 34 und 36 eine Form auf, die in einem Dreieck enthalten ist, wovon eine Seite offen ist, um einen Eingang zu bilden. Die Form der Nebenhohlräume ist daher zu zwei der Seiten des Dreiecks tangential. Auch hier kann die Form der Nebenhohlräume vom Dreieck selbst (mit einer einen Eingang bildenden offenen Seite) zu einer Kurvenform übergehen, die nur einen Kontaktpunkt mit jeder der Seiten des Dreiecks besitzt.
In Fig. 10 ist der Boden der Nebenhohlräume abgestuft. Es ist verständlich, daß die Nebenhohlräume außer den obenbeschriebenen Formen äquivalente Geometrien mit unterschiedlichen Grenzformen besitzen können und dennoch dieselbe Funktion erfüllen.
Bei turbulentem Betrieb bildet sich unabhängig von der Position des Auftreffpunkts des Fluidstrahls im Haupthohlraum 26 in jedem Nebenhohlraum 34, 36 ein Nebenwirbel. Diese Nebenwirbel sind ausreichend stark, damit der fluidische Oszillator global in derselben Weise wie ein Oszillator ohne Nebenhohlraum arbeitet. Die folgende Beschreibung betrifft die allgemeine Funktionsweise der Vorrichtung im Übergangsbetrieb; sie wird mit Bezug auf die Fig. 11 und 12 gegeben.
Der Auftreffpunkt des Fluidstrahls P überstreicht den Haupthohlraum 26 zwischen den Extrempunkten I1 und I2. Die Schwingung wird von der Bildung von Hauptwirbeln T1 und T2 begleitet, die sich zwischen dem Stirnabschnitt des Hindernisses 22 und der Wand der Schwingungskammer 18 befinden, die an die Eintrittsöffnung angeschlossen ist. In Fig. 11 erreicht der Auftreffpunkt des Strahls den Punkt 11, wobei der Wirbel T1 dann konzentriert und stark ist, während der Wirbel T2 schwach ist. Der Fluidstrahl entweicht hauptsächlich durch den Kanal C2.
Bei turbulentem Betrieb sind beide Nebenhohlräume 34, 36 mit Nebenwirbeln Ts1 und Ts2, die gegenphasig zu den Hauptwirbeln abwechselnd stark und schwach sind, gefüllt. Je weiter der Durchsatz abnimmt, desto weiter nimmt die Intensität oder die Konzentration dieser Nebenwirbel ab.
Daraus folgt, daß die radiale Ausdehnung des starken Hauptwirbels, im vorliegenden Fall T1 in Fig. 11, zunimmt, so daß er bei abnehmendem Durchsatz allmählich den Nebenhohlraum 34 auf Kosten des Nebenwirbels Ts1 füllt, der in vollständigem Verschwinden endet. Der Nebenwirbel Ts2, der durch das Abströmen des Fluidstrahls erzeugt wird, ist jedoch im Nebenhohlraum 36 stets vorhanden.
In Fig. 12 befindet sich der Auftreffpunkt des Fluidstrahls bei 12; daher weist der Wirbel T2 eine zunehmende radiale Ausdehnung auf, während der Nebenwirbel T52 vollständig verschwindet, wenn der Durchsatz ausreichend abgesenkt ist. Die Hauptwirbel besitzen, wenn sie konzentriert und stark sind, eine radiale Ausdehnung, die im Übergangsverhalten größer als jene ist, die sie bei turbulentem Betrieb besitzen (weil bei diesem letzteren beide Nebenhohlräume durch Nebenwirbel belegt sind und der für die Entwicklung der Hauptwirbel verfügbare Raum geringer ist).
Die Frequenz der Schwingung ist um so geringer, je größer die radiale Ausdehnung der starken Hauptwirbel ist.
Aus Fig. 13, die schematisch die relativen Änderungen des K- Faktors in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, geht hervor, daß die Tatsache, daß die radiale Ausdehnung der Wirbel vom Durchsatzverhalten abhängig gemacht wird, ermöglicht, die Schwingungsfrequenz bei turbulentem Verhalten zu erhöhen und die Schwingungsfrequenz bei Übergangsverhalten zu verringern und daher die Linearität des Oszillators zu verbessern.
Der fluidische Oszillator nach Fig. 2 ermöglicht die Messung des Durchsatzes des durch ihn verlaufenden Fluids kraft zweier Druckaufnehmer 50 und 52, die sich an den Extrempunkten der Überstreichung des Fluidstrahls innerhalb des Haupthohlraums 26 befinden. Diese Druckaufnehmer sind mit bekannten Vorrichtungen verbunden, die die Messung der Schwingungsfrequenz des Strahls ermöglichen. Kraft einer vorhergehenden Eichung steht diese Frequenz mit dem Durchsatz in Beziehung; daher wird in einem erweiterten Meßbereich ein linearer Durchflußmesser erhalten.

Claims

1. Fluidischer Oszillator, der in bezug auf eine Längssymmetrieebene (P) symmetrisch ist und enthält:

- einen Fluideingang (E) mit einer Eintrittsöffnung (16), die eine Breite d hat und geeignet ist, einen quer zur Längssymmetrieebene schwingenden zweidimensionalen Fluidstrahl und Wirbel (T1, T2) zu beiden Seiten des Strahls zu erzeugen, wobei diese Wirbel gegenphasig und in Beziehung zu der Schwingung des Strahls abwechselnd stark und schwach sind,

- eine an die Fluideintrittsöffnung (16) angeschlossene Schwingungskammer (18),

- ein Hindernis (22), das in der Schwingungskammer (18) angeordnet ist und einen Stirnabschnitt (24) hat, in dem ein Haupthohlraum (26) gegenüber der Fluideintrittsöffnung (16) ausgebildet ist, wobei der Stirnabschnitt des Hindernisses und die sich an die Eintrittsöffnung anschließende Wand der Schwingungskammer miteinander zwei völlig hindernisfreie Räume definieren, die zu beiden Seiten des Haupthohlraums liegen, wobei der fluidische Oszillator dadurch gekennzeichnet ist, daß er außerdem Mittel (34, 36) enthält, die geeignet sind, die radiale Ausdehnung dieser Wirbel von dem Abströmverhalten des Strahls abhängig zu machen, wobei diese Mittel wenigstens zwei Nebenhohlräume (34, 36) aufweisen, die in dem Stirnabschnitt (24) des Hindernisses (22) ausgebildet sind, wobei diese Nebenhohlräume symmetrisch in bezug auf die Symmetrieebene (P) zu beiden Seiten des Haupthohlraums (26) angeordnet sind.

2. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupthohlraum (26) schräge Wände (28, 30) besitzt, die im wesentlichen ein V bilden, dessen beide Schenkel sich zur Außenseite des Hohlraums hin erweitern.

3. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (28, 30) des Haupthohlraums in bezug auf die Symmetrieebene (P) einen Öffnungswinkel (al) aufweisen, der in einem Bereich enthalten ist, der von 0º bis 80º geht.

4. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (28, 30) des Haupthohlraums (26) in bezug auf die Symmetrieebene (P) einen Öffnungswinkel (al) aufweisen, der in einem Bereich enthalten ist, der von 100 bis 450 geht.

5. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der Eintrittsöffnung (16) gegenüberliegende Boden (32) des Haupthohlraums (26) in einem Abstand (Df) von der Eintrittsöffnung liegt, der in einem Bereich enthalten ist, der von 3 d bis 15 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.

6. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der der Eintrittsöffnung (16) gegenüberliegende Boden (32) des Haupthohlraums (26) in einem Abstand (Df) von der Eintrittsöffnung liegt, der in einem Bereich enthalten ist, der von 4 d bis 8 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.

7. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupthohlraum (26) einen Eingang der Breite (Le) hat, die in dem Bereich enthalten ist, der von 2 d bis 10 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.

8. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirnabschnitt (24) des Haupthohlraums (22) eine Breite (Lo) hat, die in einem Bereich enthalten ist, der von 5 d bis 30 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.

9. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirnabschnitt (24) des Hindernisses (22) im wesentlichen senkrecht zur Symmetrieebene (P) ist und in einem Abstand (Do) von der Eintrittsöffnung (16) liegt, der in einem Bereich enthalten ist, der von 1 d bis 10 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.

10. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Nebenhohlraum (34, 36) im wesentlichen eine Form hat, die in einem Viereck mit einer den Eingang des Nebenhohlraums bildenden offenen Seite enthalten ist, wobei diese Form drei Seiten des Vierecks tangiert.

11. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Nebenhohlraum (34, 36) im wesentlichen eine Form hat, die in einem Dreieck mit einer den Eingang des Nebenhohlraums bildenden offenen Seite enthalten ist, wobei diese Form zwei Seiten des Dreiecks tangiert.

12. Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Nebenhohlraum (34, 36) einen abgestuften Boden hat.

13. Fluidischer Oszillator nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Nebenhohlraum (34, 36) einen Eingang der Breite (Ls) besitzt, die in einem Bereich enthalten ist, der von 1 d bis 10 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.

14. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluideingang (E) eine hexaedrische Beruhigungskammer (10) hat, die an eine Eingangsleitung (12) anschließbar ist, und einen konvergierenden Abschnitt (14), der sich an eine Seite der Beruhigungskammer (10) anschließt, wobei dieser konvergierende Abschnitt eine rechteckige Eintrittsöffnung (16) der Breite d hat, die an die Schwingungskammer (18) anschließbar ist.

15. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluideingang (E) außerdem Mittel (20, 21) zur Konditionierung des Fluidstrahls aufweist.

16. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Konditionierungsmittel durch eine in der Symmetrieebene (P) angeordnete Platte (20) gebildet sind.

17. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Konditionierungsmittel durch ein in der Symmetrieebene angeordnetes Profilhindernis (21) gebildet sind.

18. Fluidischer Oszillator nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Konditionierungsmittel ein Ende haben, das von der Eintrittsöffnung um einen Abstand entfernt ist, der in einem Bereich enthalten ist, der von 0,5 d bis 4 d geht, wobei d die Breite der Eintrittsöffnung ist.

19. Durchflußmesser, dadurch gekennzeichnet, daß er einen fluidischen Oszillator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 enthält.