DE7733396U1

DE7733396U1 - Fluidischer stroemungsmesser

Info

Publication number: DE7733396U1
Application number: DE19777733396
Authority: DE
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-11-02
Filing date: 1977-10-29
Publication date: 1978-03-23
Also published as: DE2748616A1; IT1087803B; JPS6220488B2; FR2369545A1; JPS5377558A; FR2369545B1; GB1593680A

Description

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Fluidischer Strömungsmesser

Die Erfindung betrifft Durchflußmesser und Durchflußsensoren, die einen Fluidoszillator verwenden, dessen Oszillationsfrequenz die zu messende oder anzuzeigende Durchflußleistung (flow rate) kennzeichnet.

Bei Anwendungen von Durchflußmessern, bei denen eine lange Lebensdauer, geringe Abnutzung und Unempfindlichkeit gegen belastende Umgebungseinflüsse, wie z.B. übergroße Vibrationen, besonders wichtig sind, wurden Anstrengungen unternommen, zuverlässige und genaue Durchflußmesser ohne bewegliche Teile zu entwickeln. Es wurden derartige Durchflußmesser vorgeschlagen, die Fluidverstärker mit Gegenkopplungsverbindungen aufweisen, die veranlassen, daß der Verstärker bei einer Frequenz oszilliert, die die Durchflußleistung kennzeichnet.

Bei derartigen Durchflußmessern ohne bewegliche Teile wurden bisher Fluidverstärker vom digitalen oder bistabilen Typ eingesetzt, die auf der Grundlage einer Strahlwechselwirkung und Wandanhaftungs-prinzipien arbeiten. Bei diesen Verstärkern schmiegt sich ein zwischen zwei Seitenwände gerichteter Leistungsstrahl mit positiver Rückkopplung oder Mitkopplung aufgrund von Grenzschichteffekten einer Wand an,

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bis er durch einen Steuerstrahl, der mit dem Leistungsstrahl wechselwirkt, auf die andere Seitenwand gezwungen wird. Durch Verwendung zweier Pluidempfanger und zweier Steuerstrahle auf einander entgegengesetzten Seiten des Leistungsstrahls und durch Verbindung der Empfänger und der Steuerstrahle durch Gegenkopplungsverbindungen wird eine diskontinuierliche Oszillation nach Art eines Flipflops erhalten. Wird der Leistungsstrahl mit dem Kreis mit der zu messenden (' » Fluidströmung verbunden, so verändert sich die Oszillationsfrequenz mit der Durchflußleistung und ist ein Ergebnis der Wechselwirkung der positiven und negativen Rückkopplungskräfte, die auf den Leistungsstrahl ausgeübt werden. Durchflußmesser, die derartige bistabile digitale Verstärker einsetzen, sind zum Beispiel in den US-Patenten 3 238 960, 3 640 133 und 3 855 859 gezeigt.

Ein Problem bei bekannten Durchflußmessern ohne bewegliche Teile besteht in einem begrenzten Betriebsbereich, so daß die Verwendung derartiger Durchflußmesser bei vielen Anwendungen ausgeschlossen ist. Der Grund hierfür besceht darin, daß der Wandanschmiegeffekt, von dem der Fluidverstärker zur Verwirklichung des positiven Rückkopplungseffekts oder Mitkopplungseffekts abhängt, nur unter der Bedingung einer turbulenten Strömung arbeitet. Wird dieser Sachverhalt als Reynoldszahl ausgedrückt, die in der Fluiddynamik benutzt wird, um unter anderem einen Übergangspunkt zwischen turbulenter und laminarer Strömung anzuzeigen, so besitzen diese Durchflußmesser keinen nützlichen linearen Ausgang bei Durchflußleistungen, die unter Werten liegen, für welche die Reynoldszahl, die die Strömungsbedingung kennzeichnet, kleiner als ungefähr 2000 ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen strömungsmesser oder Durchfluß sens or vom Fluidoszillatortyp zu schaffen, der sowohl unter laminaren als auch turbulenten Strömungs-

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bedingungen arbeitet und daher einen größeren verwendbaren Betriebsbereich besitzt als dies bisher möglich war.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, einen Durchflußmesser oder Durchflußsensor vom Fluidoszillatortyp zu schaffen, der - ausgedrückt als Reynoldszahl - eine kleinere Betriebsgrenze besitzt, die in der Größenordnung von 400 oder weniger liegt und daher um einen Faktor von mindestens 5 : 1 kleiner C~) ist als dies bisher möglich war.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, einen Durchflußmesser oder Durchflußsensor vom Fluidoszillatortyp zu schaffen, der eine verbesserte Linearität und damit größere Genauigkeit über einen erweiterten Strömungsbereich besitzt.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, einen Durchflußmesser vom Fluidoszillatortyp zu schaffen, bei dem das Verstärkerelement eine proportionale und keine bistabile Eingangs/Ausgangscharakteristik aufweist, so daß mehrfach Verstärkerstufen einsetzbar sind, um den verwendbaren Durchflußmeß-

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Der in dem erfindungsgemäßen Strömungsmesser verwendete Fluidverstärker besitzt eine Düse zur Beschleunigung eines Fluidstrahls, die in eine Wechselwirkungskammer strömt, wooei ein Teil des Strahls durch ein Paar einander entgegengesetzt angeordneter Fluidempfänger in differentiell variablen Mengen empfangen wird, die von der Stellung des Strahls abhängen. Die seitliche Stellung des Strahls wird durch einander entgegengesetzte Drucke gesteuert, die in Seitenrichtung durch Steueröffnungen auf den Strahl ausgeübt werden, wobei die Steueröffnungen über negative Rückkopplungsleitungen mit den Empfängern verbunden sind, so daß der Strahl oszilliert. Die Seitenwände der Wechselwirkungskammer zwischen den Steueröffnungen oder -auslassen und den Empfängern sind vom Strahi

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beabstandet und belüftet, so daß die Grenzschichteffekte, die danach trachten, den Strahl an den Seitenwänden festzuhalten, eliminiert sind. Die seitliche Ablenkung des Strahls spricht daher nur auf den Differenzdruck an, der von den Steueröffnungen auf den Strahl ausgeübt wird. Da der Fluidoszillator unabhängig von Grenzschichteffekten ist, arbeitet er gleichermaßen gut für turbulente und laminare Strömungsbedingungen, so daß der Strömungsbereich erweitert ist. Um die Linearität des Durchflußmessers über den erweiterten Strömungsbereich aufrecht zu erhalten, werden bestimmte, unten näher beschriebene Verstärkeranordnungen verwendet, durch die die Phasenverschiebung, d.h. Zeitverzögerung des Rückkopplungssignals in den Rückkopplungsleitungen für verschiedene Strömungsleitungen und Strahlgeschwindigkeiten im wesentlichen konstant bleibt. Die Oszillationsperiode wird daher primär durch die Zeit bestimmt, die erforderlich ist, damit sich das Fluid zwischen der Düse und dem Empfänger bewegt, wobei diese Zeit Strahltransportverzögerung oder Transitzeit genannt wird, die unmittelbar zur zu messenden Durchflußleistung oder Strömungsrate proportional ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

In den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Durchflußmessers, wobei die Deckplatte entfernt ist, um den Aufbau der Strömungsdurchgänge zu zeigen;

Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt längs der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1, gesehen in Richtung der Pfeile;

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Fig. 3 eine Frontansicht im Schnitt des Durchflußmessers längs der Schnittlinie 3-3 der Fig. 1, gesehen in Richtung der Pfeile;

Fig. 4 ein schematisches Verbindungsdiagramm, das angibt, wie das Strömungssignal erzeugt und angezeigt wird;

Fig. 5 eine graphische Darstellung einer Betriebscharakteristik des Fluidverstärkers, der einen Teil des Durchflußmessers darstellt und in mehreren Ausführungsformen anwendbar ist;

Fig. 6 ein Vektordiagramm, das bei der Erläuterung einer Betriebscharakteristik des Durchflußmessers nützlich ist und für verschiedene Ausführungsformen verwendbar ist;

Fig. 7 ein schematisches Leitungsdiagramm, das angibt, wie eine Vielzahl von Fluidverstärkern in Serie in Stufen verbindbar ist, um den Betriebsbereich des Durchflußmessers zu erhöhen, wobei diese Anordnung in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung anwendbar ist;

Fig. 8 und 9 eine graphische Darstellung, um Betriebscharakteristiken des Durchflußmessers zu erläutern, wobei diese Darstellung für verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anwendbar ist;

Fig. 10 eine der Fig. 1 entsprechende ähnliche Ansicht, die gegenüber Fig. 1 eine Abwandlung aufweist und eine zweite Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 11 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht, die auf die Ausführungsform der Fig. 10 anwendbar ist;

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Fig. 12 eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht, die die Ausführungsform nach Fig. 10 betrifft;

Fig. 13 eine vergrößerte Teilansicht des Durchflußmessers der Fig. 10, die .Einzelheiten der Strömungsöffnung zeigt; und

Fig . 14 eine Schnittansicht längs der Linie T-T der Fig. in Richtung der Pfeile.

Der erfindungsgemäße Durchflußmesser besitzt keine beweglichen Teile, er besitzt einen Fluidvenstärker mit Gegenkopplungsverbindungen, die bewirken, daß der Fluidverstärker als ein Fluidoszillator arbeitet.

Die Oszillationsfrequenz ist proportional zur Durchflußleistung durch den Oszillator, die gleich oder proportional der zu messenden und anzuzeigenden Durchflußleistung ist. Der Aufbau des Durchflußmessers ist in den Fig. 1, 2 und 3 der Zeichnung dargestellt, auf die nun Bezug genommen wird.

Der Durchflußmesser enthält ein Gehäuse mit ein Gewinde aufweisende Einlaß- und Auslaßverbindungen 11 und 12, die mit einer Fluidleitung (nicht dargestellt) verbindbar sind, welche ein Fluid, entweder eine Flüssigkeit oder ein gasförmiges Fluid,führt, dessen volumetrische Durchflußleistung gemessen werden soll.

Das Gehäuse besitzt innere Fluidströmungsgänge, die in irgendeiner geeigneten, noch zu beschreibenden Weise ausgebildet sind und das zu messende Fluid zwischen den Einlaß- und Auslaßverbindungen führen. In der dargestellten Ausbildungsform werden diese Fluidgänge innerhalb und durch zwei benachbarte

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Schichten oder Platten 13 und 14 ausgebildet, die zwischen oberen und unteren Deckplatten 15 und 16 in Stellung gehalten werden. Die Anordnung wird in geeigneter Weise, z.B. durch Schrauben oder Nieten (nicht dargestellt) zusammengehalten. In der Praxis können die Platten 13 und 14 bequemerweise aus einem Stapel relativ dünner Schichten aus geeignetem Material, wie z.B. Edelstahl, bestehen^ die durch einen Diffusionsverbindungsprozeß (auch Diffusionsbcu^ingprozeß) zusammengehalten werden.

Wie sich am besten aus Fig. 1 ergibt, bei der die Deckplatte 15 entfernt ist, besitzt die Platte 13 einen ausgenommenen

eine
Teil, der/Füllkammer 17 bildet, die im unteren Bereich mit der Einlaßverbindung 11 in Verbindung steht und am oberen Bereich einen konvergierenden Teil aufweist, der eine Fluidbeschleunigungsdüse 18 darstellt. Der mittlere Teil der Platte 13 besitzt eine vergrößerte Öffnung 19, die am Boden durch die Platte 14, und oben durch die Platte 15 geschlossen ist, wenn sich der Durchflußmesser in zusammengesetzter Stellung befindet. Innerhalb der Öffnung 19 sind symmetrisch aufeinander gegenüberliegende Seiten einer Mittellinie durch die Düse 18 zwei C-förmige Elemente 20 und 21 angeordnet. Diese sind durch Nieten oder Einsätze, die sich durch die Öffnungen 22 hindurch in die Platte 14 erstrecken, richtig positioniert. Die inneren Wände der Elemente 20 und 21, die einander gegenüberliegen, bilden einen Raum 23, der als Wechselwirkungskammer bezeichnet wird, in die ein Fluidstrahl aus der Düse 18 durch die Sodenöffnung zwischen den Elementen eintritt. Die oberen Außenwände der Elemente 20 und 21 bilden zusammen mit einem zentral angeordneten Ansatz 24, der an der Platte 13 sitzt, entgegengesetzt angeordnete, divergierende Durchgänge oder Fluidempfanger 25 und 26, die von der Kammer 23 herkommen. Die äußeren Seitenwände der Elemente

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20 und 21 bilden zusammen mit den Seitenwänden der Öffnung 19 in der Platte 13 ein Paar negativer Rückkopplungsleitungen 27 und 28. Die unteren Außenwände der Elemente 20 und 21 sind zusammen mit der Bodenwand der Öffnung 19 in der Platte 13 derart ausgebildet, daß sie konvergierende Gänge 29 und bilden, die in Fluidöffnungen enden, die als Steueröffnungen 31 und 32 bezeichnet sind. Diese Öffnungen oder Auslässe sind an gegenüberliegenden Seiten und in engem Abstand von der Basis des Strahls angeordnet, der aus der Düse 18 austritt, und sie liegen bezüglich der Wechselwirkungskammer stromaufwärts .

Das in die Wechselwirkungskammer 23 eintretende Fluid verläßt die Kammer durch Auslaßöffnungen 33 und 34, die an einander entgegengesetzten Seiten des Fluidstrahls liegen. Die Auslaßöffnungen sind über Gänge 36 und 37 mit einer Auslaßkammer 35 verbunden, wobei die Gänge 36 und 37 durch Nuten gebildet sind, die in den Boden der Platte 14 eingeschnitten sind, vgl. insbesondere Fig. 3. Das Fluid strömt von der Auslaßkammer 35 durch die Auslaßkupplung 12 aus.

Bei der Betrachtung der Fluidströmungsbedingungen im Durchflußmesser wird angenommen, daß der zu messende Durchfluß durch die Einlaßverbindung 11 in den Durchflußmesser eintritt, durch die Kammer 17 und die Düse 18 strömt und einen Strahl erzeugt, der in die Wechselwirkungskammer 23 eintritt, wobei die zentrale Achse des Strahls mit dem Ansatz 24 fluchtet. Gleiche Teile der Strömung gelangen in die Empfänger 25 und 26, durchlaufen die Rückkopplungsleitungen 27 und 28 und die konvergierenden Leitungen 29 und 30 und schließen sich dem Strahl wieder an, nachdem sie durch die Steueröffnungen 31 und 32 ausgetreten sind. Unter der Annahme eines stationären Zustandes sind in diesem Zustand die seitlichen Drucke, die

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von den Steueröffnungen auf den Strahl ausgeübt werden, einander gleich. Wird der Strahl nach links abgelenkt, tritt mehr Fluid in den Empfänger 25 als :Ln den Empfänger 25 ein, und es tritt mehr Fluid aus der Öffnung 31 als aus der Öffnung 32 aus. Der durch die Öffnung 31 ausgeübte Druck auf den Strahl ist daher größer als der über die Öffnung 32 ausgeübte Druck, und der Strahl wird folglich nach rechts abgelenkt. Befindet sich der Strahl rechts von der mittleren Stellung, tritt mehr Fluid in den Empfänger 26 als in den Empfänger ein, so daß durch die Öffnung 32 ein größerer Druck auf den Strahl als durch die Öffnung 31 ausgeübt wird, wodurch der Strahl wieder in die linke Stellung bewegt wird. Auf diese Weise oszilliert der Strahl in seitlicher Richtung, und die Oszillationsfrequenz ist eine Funktion der Durchflußleistung durch den Durchflußmesser, und dies stellt den Zustand dar, der gewünschtermaßen gemessen werden soll.

Die Oszillation des Strahls erzeugt Druck und Strömungsstörungen in den Rückkopplungsleitungen 27 und 28, die durch irgendeinen geeigneten Wandler (transducer) abgefühlt und als ein Maß der volumetrischen Durchflußleistung angezeigt werden können. Der Wandler kann z.B. als piezoelektrischer Wandler, Thermistor, Heißdraht- oder Reluktanzwandler ausgebildet sein, und Messungen können entweder in einem Rückkopplungsgang oder in beiden Rückkopplungsgangen durchgeführt werden.

Ein Thermistorsensor, bei dem zwei Thermistoren vorgesehen sind, deren Ausgangssignale als Differenz aufsummiert werden, wird bevorzugt, um eine erhöhte Verstärkung, eine höhere Zuverlässigkeit und verringerte Empfindlichkeit bezüglich Änderungen von Gleichs-tromversorgungsströmen zu erhalten. Wie sich am besten aus Fig. 3 erkennen läßt, sind zwei Thermistoren 38 und 39 bekannter Bauart angeordnet und erstrecken sich durch die Deckplatte 15 derart, daß die tempe-

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raburempfindlichen unteren Enden sich in den Rückkopplungsgängen 27 und 28 befinden. Wie in dem Schaltbild nach Fig. ersichtlich ist, fließt Gleichstrom durch zwei, die Widerstände 40 und 41 enthaltende Zweige zu den Heizelementen der Thermistoren 38 und 39. Diese Heizelemente werden durch periodische Änderungen der Druck- und Strömungszustände in den Rückkopplungsgängen 27 und 28 differentiell gekühlt, und die resultierendenWiderstandsänderungen erzeugen eine Wechselspannung an den Verbindungspunkten 42 und 43. Nachdem das Vechselstromsignal durch die Gleichstromtrennkondensatoren 44 und 45 gelaufen ist, wird es im Verstärker 46 verstärkt. In einem analogen Auslesesystem wird das Wechselstromsignal dann einem Frequenz/Analogwandler 47 zugeführt und dann an einer geeigneten Durchflußar.zeigeeinrichtung 48 ausgelesen. Wenn ein Zählersystem zur Anzeige der Durchflußleistung verwendet wird, kann das Wechselstromsignal beschnitten werden, so daß es eine Rechteckspannung bildet, die dann einem Impulszähler zugeführt wird, wo die Impulse periodisch in bekannter Weise summiert werden.

Wie schon erwähnt, wurden bei bekannten Durchflußmessern, die keine beweglichen Teile besitzen, bistabile Fluidverstärker verwendet, bei denen die Strahloszillation das Ergebnis einer komplexen Wechselwirkung einer positiven Rückkopplung, die durch Grenzschicht- und Wandanschmiegeeffekte hervorgerufen wird, und einer negativen Rückkopplung ist, die dadurch verwirklicht wird, daß Steuerstrahle seitlich auf den Fluidstrahl auftreffen. Das Ergebnis ist eine diskontinuierliche Strahloszillation nach Art eines Flipflops, wobei diese Oszillation nur bei Turbulenzströmungszuständen im Durchflußmesser vorhanden ist, wodurch der Strömungsbetriebsbereich stark begrenzt ist. Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung werden Grenzschicht- und Wandanhaftungsäffekte eliminiert, und der Strahl wird nur durch die Di fferenzdruckausübung von den

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Steueröffnungen 31 und 32 abgelenkt. Dies wird durch den Oszillatoraufbau verwirklicht, bei dem die Seitenwände der Wechselwirkungskammer weit vom Fluidstrahl beabstandet sind und durch Fluidmitführung keinen reduzierten Druck auf einer Seite des Strahls hervorrufen können, der den Strahl veranlaßt, sich an einer dem Strahl benachbarten Seitenwand festzulegen. Zusätzlich zum Abstand der Seitenwände läßt sieh erkennen, daß die Auslaßöffnungen 33 und 34 auf entgegengesetzten Seiten von der Strahlmittellinie, um die

die gekrümmten Innenflächen der Elemente 20 und 21 angeord- ° zu verhindern,

net sind, dabei behilflich sind,/daß sich ein Differenzdruck aufbaut, der den Wandanschmiegeffekt hervorrufen würde, welcher das Eintreten des Fluidstrahls in die Empfänger und 26 beeinflußt. Die seitliche Position aas Strahls wird ausschließlich durch den Differenzdruck gesteuert, der auf den Strahl durch die Steuerauslässe 31 und 32 ausgeübt wird, und dieser Effekt tritt sowohl beim Zustand einer laminaren als auch einer turbulenten Strömung ein, wodurch der Betriebsbereich des Durchflußmessers erweitert ist. Darüberhinaus ist dem Fluidverstärker eine proportionale, d.h. analog arbeitende Kennlinie, die von einer bistabilen, d.h. digitalen Kennlinie verschieden ist, wodurch sich Vorteile aus Gründen ergeben, die noch erläutert werden. Die proportionale Verstärkerkennlinie ist in Fig. 5 dargestellt, die den proportionalen Zusammenhang zwischen dem Eingangsdifferenzdruck Pc₁- PCp > der durch die Steueröffnungen 31 und 32 auf den Strahl ausgeübt wird und dem resultierenden Ausgangsdiff&renzdruck Po₁ - Po₂ zeigt, der in den Empfängern 25 und 26 auftritt, wobei der Proportionalitätsfaktor eine Funktion der Verstärkung des Verstärkers ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Linearität der Durchfluß/Frequenzbetriebskennlinie des Durchflußmessers über den erweiterten Durchflußbereich durch ein zu-

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sätzliches bauliches Merkmal erhöht, das nun beschrieben und erläutert wird. Es sei bemerkt, daß die Steueröffnungen 31 und 32 eng vom Strahl beabstandet sind, der aus der Düse 18 austritt. Ferner ist die Fläche der Steueröffnungen relativ klein gewählt, so daß die Strömung durch die Steueröffnungen relativ klein ist und in der Praxis in der Größenordnung von etwa 10% der gesamten Strömung durch die Düse ist. Bei diesem Aufbau wird der Strahl in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz abgelenkt. Es hat sich durch Erfahrung gezeigt, daß der Eingangs- und Ausgangsfluidströmungswiderstand durch das Fluidrückkopplungsnetzwerk bei diesem Aufbau im Verhältnis zur Strahlgeschwindigkeit variiert. In einer noch zu erläuternden Weise hat dies eine konstante Phasenverschiebung, d.h. Zeitverzögerung im Rückkopplungssignal zur Folge, die durch die Impedanzen der Rückkopplungsleitungen bewirkt wird. Wird der geschlossene Rückkopplungskreis betrachtet, so ist die Phasenverschiebung und die resultierende Oszillationsfrequenz dann vollständig durch die Fluidtransportverzögerung im Strahl festgelegt, die proportional zur zu messenden Strömungsgeschwindigkeit ist. Dies hat ein stärker fast lineares Instrument zur Folge.

Die vorstehende Verbesserung des Betriebs läßt sich bei Betrachtung der entsprechenden mathematischen Verknüpfungen leichter verstehen.

Die Oszillatorausgangsfrequenz kann auf der Grundlage der definierten Phasenverzögerungen definiert werden

f =

2(Tv+Ta)

f = Ausgangsfrequenz des Oszillators, T = Strahltransportverzögerung (Transitzeit) Ta = akustische Transportverzögerung

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Pf = Phäsennacheilung des Rückkopplungsnetzwerks.

Für Unterschall-Strahlgeschwindigkeiten, die bei einem typischen, Durchflußmesser vorhanden sind, ist die akustische TransQortverzögerung Ta klein und in der Größenordnung von 10"^ Sekunden und kann vernachlässigt werden. Aus der obigen Gleichung läßt sich daher entnehmen, daß die Frequenz f direkt mit der Strahlgeschwindigkeit veränderlich ist, wenn die Phaser-nacheilung des Rückkopplungsnetzwerks konstantjgehalten werden kann. Dies ergibt sich daher, daß die Strahltransportverzögerung (Transitzeit) diejenige Zeit ist, die ein Fluidteilchen benötigt, um von der Düse zum Fluidempfanger zu laufen, und diese Größe ist eine Funktion der Strahlgeschwindigkeit.

Die Phasenverschiebung des Rückkopplungsnetzwerks $_f wird durch das Induktivitäts/Widerstandsverhältnis festgelegt und ist bestimmt als:

(2) 0_f = Tan"¹ 2TTfL

Ri+Ro

wobei

L = Fluidinduktivität der Rückkopplungsschleife Ri = Verstärkereingangswiderstand Ro = Verstärkerausgangswiderstand

Aus der vorstehenden Gleichung (3) läßt sich entnehmen, daß das Verhältnis fL/(Ri+Ro) konstant bleiben muß, da andernfalls der Phasenwinkel 0_f sich ändert. Dies läßt sich ebenfalls graphisch unter Bezugnahme auf das Vektordiagramm der Fig. 6 erkennen, in dem der Vektor OA¹ den Widerstand in der Rückkopplungsschleife darstellt, der durch die Widerstände Ri + Ro bei einer Frequenz f^ hervorgerufen wird, und der Vektor A¹B¹ stellt die Größe ^L dar und gibt die induktive Reaktanz oder Inertanz bei der gleichen Frequenz f.. wieder. Der Phasenverzögerungsinkel 0_f liegt zwischen dem

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Vektor OA¹ und dem resultierenden Vektor 0B^f. Bei der Frequenz fp, die gleich der doppelten Frequenz f,. ist, ist der die Größe f pL darstellende Vektor ApBp doppelt so groß ■wie der Vektor A-jB.. Sofern die Größe R^ + Rp mit der Frequenz variiert, wie das bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, so ist der die Größe Ri'+Ro¹ kennzeichnende Vektor OA₂ bei der Frequenz f₂ ebenfalls doppelt so lang wie OA¹, und der Phasenwinkel 0^ der Rückkopplungsschleife ändert sich nicht. Sofern sich jedoch die Größe Ri + Ro mit der Frequenz nicht ändert, so wird die resultierende Impedanz durch OX gegeben, und der Phasenwinkel erhöht sich auf den Wert 0_f'.

Unter Bezugnahme auf die vorausgegangene Erklärung sei bemerkt, daß proportionale Fluidverstärker als Momentwechselwirkungstyp bekannt sind, die von dem Differenzdrucktyp verschieden sind und relativ große Steuerauslässe und Steuerstrahlströmungen verwenden, wobei die Steuerauslässe oder Steueröffnungen vom Leistungsstrahl zurückgesetzt sind, so daß sich ein Steuerstrahl entwickelt, der auf dem Haupt- oder Leistungsstrahl auftrifft und diesen auslenkt. Bei dieser Bauart von Fluidverstärkern variieren die Verstärkereingargs- und Ausgangswiderstände Ri und Ro nicht proportional mit der Strahlgeschwindigkeit, und diese Eigenschaft macht Durchflußmesser, die einen derartigen Verstärker verwenden, nichtlinear und damit weniger genau.

Die Verbesserung bezüglich dss Bereichs des Durchflußmessers, die mit der vorliegenden Erfindung erzielbar sind, bei der ein proportionaler Fluidverstärker und kein bistabiler Wandstrahlverstärker bekannter Art verwendet wird, läßt sich aus folgenden Betrachtungen erkennen. Die obere Grenze des Bereichs des Durchflußmessers ist durch den maximal zulässigen j Druckabfall längs des Durchflußmessers bestimmt. Üblicherweise

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ist diese Grüße für eine "bestimmte Anwendung angegeben und stellt einen kleinen Prozentsatz des Systemdrucks dar. Für einen gegebenen maximalen Druckabfall besteht eine minimale Reynoldszahl, bei der die Verstärkung des Verstärkers auf einen Punkt abfällt, an dem der Verstärker nicht länger oszilliert. Bei Durchflußmessern bekannter Art, die Wand-Anschmiegungsverstärker verwenden, beträgt diese minimale Reynoldszahl 2000, die den Übergangspunkt von turbulenter zur laminarer Strömung darstellt. Bei DurchflußiLessern, die erfindungsgemäß einen proportionalen Verstärker benutzen, setzt der Verstärker die Oszillationen bis hinunter zu Reynoldszahlen im Bereich von 200 bis 400 fort. Die hieraus resultierende Verbesserung der Betriebseigenschaften läßt sich durch folgende Gleichung zeigen, die den maximal längs des Durchflußmessers gestatteten Druckabfall mit der minimalen Betriebs-Reynoldszahl und anderen Parametern, wie z.B. Strömungsbereich, Viskosität und Dichte verknüpft.

(3)

Pmax

/ Qtnax
j Qroin

[y^Remin]

3 2 2p Qmin

4 3 g

wobei Pmax Qmax Qmin

Re
S

min

maximaler Druckabfall längs des Durchflußmessers

maximaler Durchfluß oder Geschwindigkeit durch den Durchflußmesser minimaler Durchfluß oder Geschwindigkeit durch den DurchfluBinesser minimale Betriebs-Reynoldszahl

Gravi tat i onskonsvante absolute Viskosität des Fluids Fluiddichte

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till Il

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Wie aus der vorstehenden Gleichung ersichtlich, ändert sich der maximale Druckabfall mit der vierten Potenz der minimalen Betriebs-Reynoldszahl. Wird eine Verbesserung von 5 : 1 in der minimalen Reynoldszahl angenommen, so benötigt der Durchflußmesser der vorliegenden Erfindung nur den 0,0016-fachen Druckabfall eines Durchflußmessers, der einen Wand-Anschmiegungsverstärker benutzt. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Strömungsbereich, die minimale Strömung und Viskosität des Fluids gleich sind. Ferner kann bei einem gleichen Druckabfall der erfindungsgemäße Durchflußmesser eine Fluidviskosität verarbeiten, die 5 mal größer als bei einem Durchflußmesser mit Wand-Anschmiegungsverstärker ist.

Testdaten haben für Durchflußmesser des oben angegebenen Fluidoszillatortyps gezeigt, daß die folgende Beziehung zwischen dem Druckabfall längs des Strömungsfühlelements und der Oszillationsfrequenz besteht: *

(4) Δ ρ = Kf^{2 ;}

wobei

ΔΡ = Druckabfall längs des Fühlelements .'

f = Oszillationsfrequenz ^f

K = eine Konstante. I

1 Das Volumen durch den Durchflußmesser kann definiert werden |

(5) Q = A C_D \/_2&_

V ρ

(ΔΡ)

wobei

Q = volumetrischer Durchfluß

A = Fläche der Düse oder der Öffnung

C_D = Koeffizient der Entladung

g = Gravitationsbeschleunigung

ρ = Dichte des Fluids

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ΔΈ>

Druckabfall längs des Fühlelements

Wird Gleichung (4) in (5) eingesetzt, so ergibt sich für die Verknüpfung zwischen Durchfluß und Frequenz des Durchflußmessers folgender Ausdruck:

C_DA

Um eine lineare Beziehung zwischen Durchfluß und Fluidoszillationsfrequenz zu erhalten, muß der Entladekoeffizient C_Q über den Betriebsbereich des Durchflußmessers konstantjgehalten werden, wie sich aus Gleichung (6) erkennen läßt. In der Praxis ist es sehr schwierig, dies zu erreichen, da der Druckabfall 4P aus folgenden zwei Komponenten aufgebaut ist:

(1) dem Druckabfall aufgrund der Umwandlung von Druckgefälle in Geschwindigkeitsgefälle mittels der Fluidbeschleunigungseinrichtung, und

(2) dem Druckabfall aufgrund von Reibungsverlusten, die von den durch die Reynoldszahl gekennzeichneten Strömungsbedingungen herrühren, d.h. von der laminaren und der turbulenten Strömung.

In der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform des Durchflußmessers ist eine Düse 18 als Fluidbeschleunigungseinrichtung verwendet. Beim Betrieb unter laminaren Strömungsbedingungen, insbesondere am unteren Ende des Bereichs, wie durch Reynoldszahlen im Bereich zwischen 200 bis 400 gekennzeichnet ist, nehmen die Reibungsverluste einen relativ größeren Anteil des Druckabfalls ΔP ein, und dies zeigt sich als ein Abfall des Entladekoeffizienten CL., wie in Kurve A der Fig. 9 dargestellt ist. Dies bewirkt eine Nichtlinearität in der Frequenz/Durchflußausgangskennlinie, die ohne Verwendung von äußeren Kompensationsmitteln linear sein

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soll, wenn diese Kennlinie in logaritlimischem Maßstab dargestellt ist, vgl. Kurve B in Fig. 8. Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird durch Verwendung einer scharfkantigen Öffnung 18 eine lineare Ausgangskennlinie des Durchflußmessers ohne äußere Kompensation sowie eine Unempfindlichkeit gegenüber Viskositätsänderungen des gemessenen Fluids erzielt; auf die scharfkantige Öffnung 18 wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 10 bis 14 näher eingegangen. Die Fig. 10 bis 12 stimmen ansonsten mit den Fig. 1 bis 3 überein.

Wie am besten aus den Fig. 13 und 14 erkennbar ist, besitzt die Fluidbeschleunigungseinrichtung des Durchflußmessers die Form einer scharfkantigen Öffnung 18, die sich über das stromabseitige Ende der Kammer 17 erstreckt. Die Öffnung ist nichtkreisförmig und besitzt in der dargestellten Form eine rechteckförmige zweidimensionale Gestalt. Zwei parallele Seiten der Öffnung 49 und 50 mit einer mit der Größe X bezeichneten Höhe sind durch gegenüber angeordnete Ansätze 51 und 52 der Platte 13 gebildet. Diese Ansätze erstrecken sich einwärts in Richtung auf die Strahlachse und besitzen abgeschrägte Endteile 53 und 54, die scharfe Kanten bilden und durch die Breite der Öffnung, die durch die Größe Y bezeichnet ist, voneinander beabstandet sind. Die oberen und unteren Teile 56 und 57 der Öffnung sind eben und werden durch den Deckel 15 und die Platte 14 gebildet, die an die oberen und unteren Teile der Ansätze 51 und 52 angrenzen.

Es hat sich durch Experiment herausgestellt, daß durch Veränderung des Kantenverhältnisses der Öffnung, d.h. des Höhen-Breitenverhältnisses X/Y der Entlade- oder Abgabekoeffizient der Öffnung eingestellt werden kann. Es hat sich ferner gezeigt, daß bei Wahl eines Kantenverhältnisses im

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Bereich zwischen 1,5 und 2,0 ein Abgabekoeffizient erhältlich ist, der im wesentlichen über den gesamten Betriebsbereich eines geschilderten Burchflußmessers mit dem erweiterten Betriebsbereich konstant bleibt. Ferner bleibt der Abgabekoeffizient für laminare und turbulente Strömungsbedingungen konstant, die durch eine Reynoldszahl im Bereich zwischen 200 bis 50000 festgelegt sind. Diese konstante Abgabekoeffizient-Charakteristik ist in Kurve C der Fig. 9 dargestellt und stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber der Kurve A für eine Düse dar. Da der Abgabekoeffizient der Öffnung konstant bleibt, wird eine lineare Ausgangskurve zwischen Durchflußleistung und Frequenz erhalten, vgl. Kurve B der Fig. 8, so daß zur genauen Durchflu^Ranzeige mittels des Durchflußmeseers 48 keine äußeren Kompensationsraittel erforderlich sind.

Versuche mit einem gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung aufgebauten Durchflußmesser zeigten, daß bei einem Hydraulikfluid und bei Wasser die Datenpv-Jikte dieser beiden Fluide über den gesamten Betriebsbereich des Durchflußmessers einschließlich von turbulenten als auch laminaren Strömungsbedingungen sehr eng auf der selben linearen Ausgangskurve B zusammenfielen. Da die kinematische Viskosität dieser beiden Fluide um einen Faktor von etwa 20 verschieden war, ist dadurch die Unempfindlichkeit des Durchflußmessers bezüglich Temperatur und sich ergebenden Viskositätsänderungen des gemessenen Fluids klar gezeigt . ß_a ^₆ Steigung der Kurve B den Wert 1 besitzt, wohingegen sich bei Verwendung einer Düse der Wert 1,05 ergibt, ist auch die verbesserte Linearität des Durchflußmessers über seinen Betriebsbereich gezeigt.

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In Fig. 7 ist eine abgewandelte Anordnung dargestellt, mittels der der Bereich des Durchflußmessers durch Verwendung einer Vielzahl von Fluidverstärkereinheiten erweitert wird, die eine Stufenanordnung "bilden und in Serie liegen. In Form eines Beispiels sind schematisch drei Fluidverstärker 49, 50 und 51 gezeigt, die alle in ihrem Aufbau dem Verstärker gemäß den Fig. 1 bis 3 oder 10 bis 14 ähnlich sein können. Jeder Verstärker besitzt eine Einlaßverbindung 52, die zur Düse führt, und einen Auslaß 53, der von den Auslaßöffnungen herkommt, jeder Verstärker besitzt ferner zwei Verstärkereingangsanschlüsse 54 und 55, die zu den Steueröffnungen führen und zwei Ausgangsanschlüsse 56 und 57, die von den Fluidempfängern herkommen. Der Durchflußmesser besitzt einen Fluideinlaßanschluß 58, der mit den Einlassen 52, 52' und 52" der drei Verstärkerstufen in Verbindung steht, und einen Auslaßanschluß 59s der mit den drei Verstärkerauslaßan^chlüssen 53» 53' und 53" in Verbindung steht, so daß das Fluid, dessin Durchflußleistung gemessen werden soll, durch alle drei Verstärkerstufen strömt. Es sei Demerkt, daß die Verstärkerausgangsanschlüsse 56 und 57 für den Verstärker 49 mit den Verstärkereingangsanschlüssen 54· und 55' des Verstärkers 50 verbunden sind. Gleichermaßen sind die Ausgangsanschlüsse 56' und 57' des Verstärkers 50 mit den Eingangsanschlüssen 54" und 55" des Verstärkers 51 verbunden, so daß alle drei Verstärkerstufen in Serie geschaltet sind. Vorgesehen sind ferner Rückkopplungsleitungen 60 und 61, welche die Ausgangsanschlüsse 56" und 57" der dritten Verstärkerstufe 51 mit den Verstärkereingangsanschlüssen 54 und 55 der ersten Verstärkerstufe 59 verbinden. Auf diese Weise wird bewirkt, daß das System bei einer Frequenz oszilliert, die die Durchflußleistung durch die Leitungen 58 und 59 angibt. Thermistoren 62 und 63 in den Rückkopplungsleitungen sind mit einer Durchflußanzeigeeinrichtung 64 verbunden, um die Durchflußleistung anzuzeigen, wie zuvor in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. Aufgrund der durch die Stufenanordnung er-

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zielten Erhöhung der Verstärkung oszilliert der Durchflußmesser bei einer kleineren Stxänungsgeschwindigkeit als dis "bei einer Stufe möglich wäre. Auf diese ¥eise ist der Durchflußbereich erweitert. Die Verstärkung hängt dabei von der Zahl der verwendeten Verstärkerstufen ab.

Um die unerwünschte Phasennacheilung im RückkopplunQssignal auf ein Minimum zu reduzieren, sollen die Verbindungen in , dem Fluidverstärker, und bei Fig, 7 zwischen den Verstärkerstufen, so kurz wie möglich sein. Eine Möglichkeit, dies zu verwirklichen, besteht darin, einen oder mehrere Verstärker in einer Reihe gestapelter und benachbart angeordneter Schichten auszubilden, die geeignet ausgeschnitten und gestaltet sind, um die gewünschten Zwischenverbindungsströmungsdurchgänge und Leitungen zu bilden.

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Claims

I · · » ■ * 3 1 G 77 33 596.1 4423-52-EE-O191OA/O249 Neue Schutzansprüehe

1. Fluidiseher Durchflußmesser mit Einlaß- und Auslaßgängen, die an eine Fluidleitung anschließbar sind, deren Fluiddurehfluß zu messen ist, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (10) mit Wandteilen, die eine Strahlwechselwirkungskammer (23) bilden, eine FluxdbeschIeunigungseinrichtung (18), die mit dem Einlaßgang (11) verbunden und derart ausgebildet ist, daß sie einen Fluidstrahl erzeugt und durch die Weehselwirkungskammer (23) leitet,

Auslaßleitungen (33₃ 3^₃ 36₃ 37), die von der Weehselwirkungskammer (23) zum Auslaßgang (12) führen,

zwei Fluidempfänger (25, 26), die in der Weehselwirkungskammer g
% (2 3) auf gegenüberliegenden Seiten des Strahls angeordnet sind,

j! und in Abhängigkeit von der seitlichen Ablenkung des Strahls

] a;<s seiner mittleren Stellung differentiell variable Fluid-

\ mengen vom Strahl aufnehmen,

Steueröffnung (31, 32) auf gegenüberliegenden Seiten des

j Strahls stromaufwärts von der Strahlwechselwirkungskammer (23),

die den Strahl seitlich ablenken und von der Basis des Fluid-

j Strahls eng beabstandet angeordnet sind, derart, daß sie den

j Strahl mittels· der auf gegenüberliegenden Strahlseiten vor-

j handenen Druckdifferenz seitlich ablenken, wobei die Fläche

\ der Steueröffnungen (31» 32) derart ausgewählt ist, daß ein

kleiner Prozentsatz des durch die Weehselwirkungskammer (23)

?; fließenden Fluidstrahls durch die Steueröffnungen (3I₃ 32) hin-

' durchtritt, wodurch der Eingangs- und Ausgangsfluidströmungswx-

derstand proportional zur Fluidgeschwindigkeit variiert, ferner durch Rückkopplungsleitungen (27, 28), die die Empfänger (25, 26) mit den Steueröffnungen (3I₃ 32) verbinden, um durch Anlegen eines Differenzdruck-Rückkopplungssignalsan den Strahl letzteren zum Oszilieren zu bringen,

einen Teil der Weehselwirkungskammer (23) bildende Mittel, die Druckdifferenzen auf gegenüberliegenden Seiten des Strahls in der Weehselwirkungskammer (23) aufgrund von Fluidmitführung und dadurch eine seitliche Strahlablenkung in der Wechselwir-

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kungskammer (23) und das Anhaften des Strahls an die Kammerwand verhindern und

Abtastmittel (38, 39) zum Abtasten der Strahloszillationsfrequenz _s um die Durchflußleistung oder Durchflußrate durch
die Fluidleitung anzuzeigen.

2. Durchflußmesser nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet j daß die Fluidbesohleunigungseinrichtung (18) eine scharfkantige Öffnung ist, die einen vorgegebenen Ausgangskoeffizienten aufweist derart, daß der
Durchflußmesser eine im wesentlichen lineare Durchfluß/Frequenzkennlinie besitzt.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (18) eine nichtkreisförmige Gestalt besitzt.

k. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die öffnung (18) mindestens zwei Paare von parallelen Seiten mit scharfen Kanten (¹^S₁ 50) an zwei der parallelen Seiten aufweist.

p. Durchflußinesser nach Anspruch ¹J, dadurch gekennzeichnet , daß die Öffnung (18) eine rechteckförmige Gestalt mit scharfen Kanten (49, 50) an zwei Seiten besitzt.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Länge der Öffnungszeiten (*19, 50) mit scharfen Kanten zur Länge der
Öffnungszeiten, die eben ausgebildet sind, derart ausgewählt ist, daß sich sowohl im turbulenten als auch im laminaren Strömungsbereich für verschiedene Strömungsbedingungen ein konstanter Ausgangskoeffizient ergibt.

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7. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Seitenverhältnis der öffnung (18) im Bereich zwischen 1,5 und 2,0 liegt.

8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßleitungen (33, 3^, 36, 37) derart angeordnet sind, daß sie die Ausbildung einer Druckdifferenz in der Wechselwirkungskammer (23) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Strahls verhindern.

9. Durchflußmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Auslaßleitungen (33* 3¹J₅ 36, 37) zwei öffnungen (33j 3*0 in der Wechselwirkungskammer auf gegenüberliegenden Seiten des Strahls aufweisen, und daß jede öffnung (33, 3*0 zwischen dem Strahl und einer Seitenwand der Kammer (23) angeordnet ist.

10. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnungen (31, 32) sehr nahe an dem Strahl angeordnet sind derart,-daß die Strömungsimpedanz des Strahls mit der Strahlgeschwindigkeit variiert.

11. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Wechselwirkungskammer (23) genügend weit von der Strahlachse weggekrümmt sind derart, daß eine Wandanhaftung verhindert ist.

12. Durchflußmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Auslaßleitungen (33, 3^, 36, 37) zwischen dem Strahl und der gekrümmten Seitenwand (20, 21) der Kammer (23) angeordnet sind.

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