DK165464B - Stroemningsmaaler af hvirveltypen - Google Patents

Description

- i -

DK 165464 B

Opfindelsen angår en strømningmåler af hvirvel typen med et strømningsrør, hvor et T-formet hvirvel legeme, som har en stump overflade, som vender mod væskens strømning, er anbragt i et sensorhus på strømningsrøret, og hvor en føler til detektion af de hvirvel inducerede 5 trykfluktuationer er anbragt uden for strømningsrøret og omfatter et piezoelektrisk krystal, som er monteret i et forseglet oliefyldt hulrum, som via fleksible membraner står i forbindelse med strømningsrørets indre.

Det har gennem mange år været kendt, at hvirvler frembringes i en 10 væske, som strømmer forbi en ikke strømlinjet forhindring. Sådanne hvirvler danner en såkaldt von Karman "hvirvelallé", som er en stabil hvirveldannelse bestående af to næsten parallelle rækker af ækvidistante hvirvler, som bevæger sig med strømningen.

I en von Karman hvirvelallé er hvirvlerne i den ene række forskudt 15 i forhold til hvirvlerne i den anden række med omtrent halvdelen af afstanden mellem på hinanden følgende hvirvler 1 den samme række. Afstanden mellem to hvirvler i hver række er næsten konstant over et stort område af strømningshastigheder, således at frekvensen af hvirveldannelsen tilsvarende er proportional med hastigheden af væsken. Ved såle-20 des at måle frekvensen af hvirvel dannelsen er det muligt at måle væskestrømningshastigheden. Apparater til dette formål betegnes hvirvelstrømningsmålere.

Sådanne strømningsmålere er kendt fra fx. US-patentskrift 4.085.

614 (Curran et al).

25 Den piezoelektriske føler vist på fig. 6 i det ovennævnte US-pa- tentskrift er anbragt direkte bag de hvirvelfrembringende overflader på det stumpe legeme, der som sædvanlig strækker sig vinkelret tværs hen over hele diameteren i strømningsrøret. Skønt denne konfiguration har fået en væsentlig kommerciel succes, er den principielt egnet til rela-30 tivt store målere, fx. med strømningsrør på 2" i diameter og derover.

Til strømningsmålere med lille diameter, dvs. såkaldte smårørsmålere med rør på llé" eller mindre i diameter, foretrækkes det klart at anbringe føleren uden for strømningsrøret.

Det er tidligere blevet foreslået at montere i det mindste dele af 35 en hvirvelføler uden for strømningsrøret. På fig. 13 i det ovennævnte - 2 -

DK 165464 B

US-patentskrift er det piezoelektriske krystal fx. anbragt uden for strømningsrøret, og det modtager trykimpulser gennem kapillarrør forbundet til respektive membranforseglede kamre i det indre af det hvir-velfrembringende legeme. Et sådant arrangement har imidlertid vist sig 5 ikke at være helt tilfredsstillende, især fordi kapiHårrorene dæmper trykimpulssignalerne tilstrækkeligt til at forhindre højniveau-ydelse.

US-patentskrift 3.722.273 angiver et andet hvirvelmeter, som har et sensorelement anbragt uden for strømningsrøret. Et termisk "hotwire" sensorelement modtager strømningstryksignaler gennem små ledninger for-10 bundet til modsatte sider af et kammer, som er dannet inde i det hvir-velfrembringende legeme. Andre sensorkonfigurationer af denne generelle type vises på fig. 6 - 18 i US-patentskrift 3.777.563. Sensorarrangementet beskrevet i sidstnævnte patentskrift lider imidlertid af væsentlige praktiske ulemper, hvilket gør dem uacceptable som løsninger på 15 det problem, som ligger til grund for opfindelsen.

Til grund for opfindelsen ligger det problem at tilvejebringe en strømningmåler af hvirveltypen af den indledningsvis angivne art, der kan anvendes i forbindelse med strømningsrør med lille diameter, er enkelt at fremstille og har giver pålidelige målinger over et stort 20 strømningsområde.

Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved, at væggen i strømnings-røret er gennembrudt ved det hvirvelfrembringende element under dannelse af et par ved siden af hinanden anbragte, cirkel segmentformede porte, som står i direkte forbindelse med hver sit trykkammer med tilsva-25 rende tværsnit, der grænser op til hver sin membran, og at differens-trykføleren er anbragt mellem de to porte parallelt med det T-formede hvirvellegeme.

Hvirvlerne, som udsendes fra kanterne af bjælken, frembringer stærke trykimpulser tæt ved impulsportene i strømningsrørets væg. Disse 30 impulser ledes gennem impulsportene og ind i de respektive trykkamre uden væsentlig dæmpning.

En yderligere fordel ved det beskrevne arrangement er, at det eksterne sensorlegeme nemt kan fjernes fra strømningsmåleren ved vedligeholdelse eller udskiftning. Ved at anvende en omledningssløjfe, kan en 35 sådan fjernelse let udføres lokalt. Membranerne er effektivt isoleret - 3 -

DK 165464 B

fra procesvæskens strømning og er således ikke genstand for erosion fra partikler i væsken. Strømningsmåleren, som skal beskrives, kan anvendes til væske-, gas- eller dampmålinger.

Endelig er strømningsmåleren ifølge opfindelsen enkel at fremstil-5 le, idet trykkamrene kan fremstille enten ved en enkelt boring i sensorhuset vinkelret på strømningsrørets længdeakse eller ved en enkel støbeproces, hvor kun en tætningsflade behøver mekanisk efterbehandling.

Med strømningsmåleren ifølge opfindelsen er der tilvejebragt en 10 strømningsmåler med lille diameter, hvormed der kan gennemføres nøjagtige målinger under forskellige forhold, og som ikke desto mindre kan fremstilles under et moderat opbud.

Yderligere udformninger og fordele ved opfindelsen fremgår af det følgende i forbindelse med tegningen. På tegningen viser: 15 fig. 1 en perspektivisk gengivelse af en strømningsmåler fremstillet i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse, fig. 2 et lodret snit langs linien 2 - 2 på fig. 1, 20 fig. 3 et tværsnit langs linien 3 - 3 på fig. 1, fig. 4 en perspektivisk gengivelse af sensorlegemet, fig. 5 et vandret snit langs linien 5 - 5 på fig. 2, fig. 6 et vandret snit langs linien 6 - 6 på fig. 2, fig. 7 en pakning set ovenfra anvendt i strømningsmåleren, 25 fig. 8 et tværsnit af pakningen på fig. 7, og fig. 9 et tværsnit af pakningen på fig. 7, efter at tætningstryk er blevet påført.

En strømningsmåler i overensstemmelse med den foreliggende opfin-30 delse vises i perspektiv på fig. 1. Fig. 2 og 3 viser, at strømningsmåleren principielt består af et strømningsrør 10 med lille diameter, dvs. 25mm i diameter, der støbes i ét med et lodret hvirvelfrembringen-de element 12 og et ydre sensorhus 14. Det hvirvelfrembringende element skal Ikke omtales nærmere, da det allerede er kendt (US-patentskrift 35 4.085.614).

- 4 -

DK 165464 B

Strømning s røret 10 er udstyret med monteringsflanger 20 og 22 for enderne. Flangerne er udformet til fastgørelse med bolte 24 og pakning 26 til tilsvarende flanger 28 og 30, som udgør dele af det væskestrømningssystem, som skal overvåges.

5 Fig. 3 viser, at overvæggen af strømningsrøret 10 er gennembrudt på to steder ved 32, 34 tæt ved den øvre ende af den hvirvelfrembrin-gende bjælke 12 med henblik på at danne to impulsporte med store arealer. Af fig. 6 ses det, at disse åbninger set i tværsnit er segmenter af en cirkel af samme areal, og næsten halvcirkulære. De mod strømmen 10 vendende dele af korderne 36, 38 i segmenterne er anbragt symmetrisk langs med og parallelt med de respektive sideoverflader på halesegmentet 18 (projiceret ned på planen på fig. 6). De øvrige kordedele strækker sig et kort stykke videre langs strømmen forbi enden af halesegmen tet. Segmentkorderne er i denne udformning omtrent 16mm lange, og høj-15 den af hvert segment er omkring 5mm.

På fig. 3 vises det, at impulsportene 32, 34 fastlægger de nedre ender af et tilsvarende par trykkamre 40, 42, som strækker sig i det væsentlige et stykke op (lodret) væk fra strømningsrøret 10 og ind i sensorhuset 14. Disse trykkamre er forseglet foroven. Tværsnitsformen 20 og dimensionerne for disse trykkamre er fortrinsvis, som vist på fig.

5, den samme som formen og dimensionen af impulsportene 32, 34, dvs. i dette tilfælde tilnærmet halvcirkulære segmenter af en cirkel.

Et sensorlegerne 44 er anbragt mellem trykkamrene 40, 42 (se også fig. 4). Dette legeme er i almindelighed rektangulært i form og er ud-25 styret med fleksible metal membraner 46, 48, som hver vender ud mod trykkamrene 40, 42. Disse membraner udgør sidevæggene i en kapsel, som danner et oliefyldt, forseglet hulrum. Et piezoelektrisk krystal (ikke vist) er anbragt inde i dette hulrum for at frembringe elektriske signaler som følge af differenstryksignaler påført på membranerne.

30 Væskestrømningen forbi det lodrette bjælkelignende legeme 12 re sulterer, på kendt måde, i udsendelsen af to i det væsentlige parallelle rækker af ækvidistante, men indbyrdes forskudte sæt af hvirvler, som bevæger sig med væskestrømningen. Disse hvirvler frembringer stærke trykimpulser tæt ved impulsportene 32, 34. Sådanne trykimpulser passe-35 rer gennem portene og ledes direkte ind i de lukkede områder, som fast- - 5 -

DK 165464 B

lægges af trykkamrene 40, 42, hvor de skiftevis tilføres som differens-trykimpulser til de fleksible membraner 46, 48.

Disse differenstrykimpulser ledes til det piezoelektriske krystal 1 sensorlegemet 44, og dette krystal frembringer følgelig tilsvarende 5 elektriske signaler. Disse elektriske signaler opsamles på kendt måde af konventionelle elektroder og kan herefter nyttiggøres.

Signalerne, som frembringes af det piezoelektriske krystal, er forholdsvis intense, især når man tager den lille størrelse af de forskellige strømningsmålerelementer i betragtning. Sådanne intense sig-10 nal er fremkommer af det faktum, at stærke trykimpulser frembringes ved membranen 46, 48. Dette skyldes atter delvist tilvejebringelsen af 1m-pulsporte 32, 34, som har store tværsnitsarealer, og af anvendelsen af tilsvarende tværsnitsarealer til trykkamrene 40, 42. Yderligere forbedringer gennemføres ved udformningens karakteristik med en meget kort 15 afstand mellem impulsportene og membranerne 46, 48. I den foretrukne udformning er afstanden mellem impulsportene og bunden af sensorlegemet 44 omtrent så lille, som den kan være, dvs. tykkelsen af strimlen 52, som udgør strømningsrørets væg, er kun omkring 2,5mm eller lignende.

På fig. 5 ses det, at sensorhuset 14 dannes under støbningen med 20 en fordybning angivet med 53, der stort set er cirkulær i tværsnit, men som omfatter en overlappende rektangulær sektor, i hvilken sensorlegemet 44 fastgøres. Dette sensorlegeme er en komplet enhed, som har alle de nødvendige komponenter til påvisning af differenstrykimpulser og til at frembringe tilsvarende elektriske signalimpulser. En vigtig for-25 del ved strømningsmålerkonstruktionen er, at sensorlegemet let kan fjernes ved vedligeholdelse eller reparation.

Fig. 4 viser, at sensorlegemet tildannes med en langs de to sidekanter og bundkanten rundtgående not 54, som rummer en U-formet pakning 56. Denne pakning sikrer, at de to trykkamre 40, 42 effektivt trykiso-30 leres fra hinanden for at forhindre tab af trykimpulsintensitet ved utætheder omkring kanterne af sensorlegemet.

En rund tætningsplade 58, som er fastgjort til den øvre del af sensorlegemet 44, bærer en aftrappet fitting 60. Et stift rør 62 svejses til denne fitting for at beskytte forbindelseselementerne (ikke 35 vist), som anvendes for at bringe de elektriske signaler ud fra det - 6 -

DK 165464 B

piezoelektriske krystal til koaksial kablet 50. En cirkulær pakning 70 (fig. 3) er anbragt mellem den runde plade 58 og den øvre tætningsflade 72 på sensorhuset 14. En rektangulær monteringsplade 74 boltes på oversiden af den runde plade 58 for at tilføre trykkraft på pladen 58 og 5 dens pakning 70 mod tætningsfladen 72 for at sikre korrekt tætning for procesvæsken ved den øvre ende af trykkamrene 40, 42. Pladen 74 bærer ligeledes en monteringsstuds 76 til fastgørelse af elektronikkomponenter til strømningsmåleren (ikke vist).

Pakningen 70 konstrueres fortrinsvis som vist på fig. 7 og 8 med 10 henblik på at sikre højeffektiv tætning. Denne pakning er fremstillet af metal, dvs. rustfrit stål, og er savtakket på over- og undersiderne med særskilte cirkulære V-formede riller 78, fortrinsvis omkring 0,30mm til 0,45mm i dybden med en fortrukket dybde på 0,38mm. Bredden af rillerne mellem de ydre spidser kan være omkring 0,31mm til 0.56mm. Over-15 og undersiderne af pakningen (dvs. V-rillerne) er dækket med en meget tynd belægning 80 af teflon, dvs. i en tykkelse, som er mindre end 20% af rilledybden, og fortrinsvis til en tykkelse på omkring 0,03mm til 0,05mm i den her viste udformning.

Når tætningskraft påføres ved monteringen af pladen 74, trykkes de 20 skarpkantede, spidse toppe af V-rillerne 78 mod den tilstødende metaloverflade. Ved at påføre tilstrækkelig kraft vil toppene af V-rillerne i nogen udstrækning blive sammentrykket som illustreret ved 82 på fig.

9. Fx. kan den oprindelige rilledybde på 0,38mm reduceres til fx. 0,030mm eller endda mindre.

25 Med en sådan sammentrykning vil teflonbelægningen 80 blive omfordelt noget til de øvrige dele af V-rillerne. Hvis der er en radial skavank i den tilstødende overflade, fx. en radial ridse eller et værktøjsmærke 84, kan teflonet på den spidse rilletop strække sig ind i en sådan defekt (som vist ved 86) for at komme i kontakt med den tilstø-30 dende metaldel. En sådan tætning af radiale revner eller ridser vil effektivt forhindre utæthed af procesvæskén fra trykkamrene 40, 42 til det ydre.

Metallet til pakningen kan udvælges selektivt til at passe sammen med procesvæsken. Multiple foldninger (fem i det viste eksempel) ti 1 -35 vejebringer multiple isolationsbarrierer for at forøge tætningen. Te- - 7 -

DK 165464 B

flonformstof foretrækkes, fordi det er modstandsdygtigt overfor næsten alle kemikalier og opløsningsmidler. Pakninger i overensstemmelse med den anførte er blevet fundet egnet til effektiv tætning ikke blot ved stuetemperatur, men også efter temperaturbevægelser mellem lO'C - 205°C 5 ved 15,8 MPa, en afprøvning, som resulterer i fejl ved konventionelle pakninger.

Denne pakningskonstruktion er særligt fordelagtig ved, at form-stofbelægningen (fortrinsvis teflon) er i stand til at forsegle overfladeskavanker, som er fremkommet af værktøjsmærker eller forkert be-10 handling, når pakningen installeres for første gang, eller når den erstattes. De V-formede foldninger forårsager ingen beskadigelse af den tætnende overflade på tilstødende dele, efter at tætningstrykket er påført.

Under målinger på visse procesvæsker er det vigtigt at sikre sig, 15 at procesvæsken kun kommer i kontakt med metal, som er resistent overfor korrosion og lignende. Til dette formål kan der anvendes fx. HASTELLOY®.

Med en strømningsmåler ifølge opfindelsen tilvejebringes nøjagtige strømningsmålinger med en i det væsentlige lineær udgangskarakteristik.

20 Et sensorlegeme af én størrelse kan let anvendes sammen med et stort spektrum af rørstørrelser, fx. til strømningsrør på enten 25mm eller 38mm i diameter uden at ændre sensorlegernets størrelse. Impulsportene med stort areal tæt ved sensorlegerne-membranerne sikrer intense trykimpulser og tilvejebringer hurtig selvrensning for det tilfælde, at luft-25 bobler eller lignende bliver siddende i portene eller de tilstødende trykkamre. Signalerne, som frembringes af sensorelementerne, er passende intense, hvilket muliggør anvendelsen af konventionel elektroteknik til udvikling af det endelige måleudgangssignal.

30

Claims (11)

1. Strømningmåler af hvirveltypen med et strømningsrør (10), hvor et T-formet hvirvellegeme (12), som har en stump overflade (16), som vender mod væskens strømning, er anbragt i et sensorhus (14) på strømningsrøret (10), og hvor en føler (44) til detektion af de hvirvelindu- 5 cerede trykfluktuationer er anbragt uden for strømningsrøret (10) og omfatter et piezoelektrisk krystal, som er monteret i et forseglet oliefyldt hulrum, som via fleksible membraner (46, 48) står i forbindelse med strømningsrørets (10) indre, kendetegnet ved, at væggen i strømningsrøret er gennembrudt ved det T-formede hvirvel legeme 10 (12) under dannelse af et par ved siden af hinanden anbragte, cirkel-segmentformede porte (32, 34), som står i direkte forbindelse med hver sit trykkammer (40, 42) med tilsvarende tværsnit, der grænser op til hver sin membran (46, 48), og at differenstrykføleren (44) er anbragt mellem de to porte (32, 34) parallelt med det T-formede hvirvellegeme 15 (12).

2. Strømningsmåler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at akserne for trykkamrene (40, 42) i disses længderetning er indbyrdes parallelle og vinkelrette på strømningsretningen gennem strømningsrøret (10).

3. Strømningsmåler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at·de kordeparallelle sider af de cirkel segmentformede trykkamre (40, 42) fastlægges af modstående sider af differenstrykføleren (44).

4. Strømningsmåler ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at differenstrykføleren (44) er demonterbar som en 25 enhed.

5. Strømningsmåler ifølge krav 4, kendetegnet ved, at differenstrykføleren (44) har rektangulær form og dannes med en kontinuerlig rille (54) langs de to sidekanter og bundkanten, og at en pakning (56) er anbragt i rillen (54).

6. Strømningsmåler ifølge krav 5, kendetegnet ved, at en tætningsplade (58) er fastgjort på overkanten af differenstrykføleren (44), hvor den med en cirkulær pakning (70) ligger an mod en tætningsflade (72) på sensorhuset (14). - 9 - DK 165464 B

7. Strømningsmåler ifølge krav 6, kendetegnet ved, at pakningen (70) er ringformet og savtakket på over- og undersiden med V-formede riller (78).

8. Strømningsmåler ifølge krav 6 eller 7, kendetegnet ved, 5 at V-rilierne (78) har en dybde på mellem 0,30mm og 0,45mm.

9. Strømningsmåler ifølge krav 6 eller 7, kendetegnet ved, at pakningen (70) er fremstillet af metal, og at et tyndt plastisk materiale (80) dækker over- og undersiden af pakningen (70).

10. Strømningsmåler Ifølge krav 8, kendetegnet ved, at det 10 plastiske materiale (80) er et formstof med en tykkelse, som ikke er større end 20% af dybden af V-rilierne (78).

11. Strømningsmåler ifølge krav 10, kendetegnet ved, at formstoffet er teflon. 15