DK171056B1 - Strømningsmåler til væsker - Google Patents

Description

i DK 171056 B1

Denne opfindelse angår strømningsmålere og strømningsfølere af den type, som udnytter en fluidumoscillator, der er indrettet således, at svingningens frekvens er indikativ for den strømningshastighed, der 5 skal måles eller indikeres.

En sådan strømningsmåler er beskrevet i GB-A-1 593 680, i hvilken fluidummet strømmer gennem en dyse på centerlinien for et kammer, som er delt af en splitter på sin centerlinie, og hvor et C-formet organ 10 deler hver halvdel af det delte kammer i en ydre passage og et centralt område. Hvis strålen fra dysen passerer på den ene side af splitteren, som vender mod dysen, vil den strømme ind i den ydre passage, som udgør en tilbageføringssløjfe på den side af kammeret med 15 henblik på at komme i en tværgående retning over dysens munding, således at fluidum, som udgår fra dysen, mod den anden side af splitteren, således at fluidumstrømmen skifter til kammerets anden halvdel. Skiftets frekvens er en funktion af strømningshastigheden. Trans-20 ducere i tilbagekoblingskanalerne afføler trykket og strømningsperturbationerne med henblik på at give en indikering af den volumetriske strømningshastighed. Alle hidtil beskrevne komponenter ligger i et fælles plan, men afgange fra hvert af de centrale områder for-25 løber ud af planet til en fælles afgang fra apparatet.

I GB-A-l 593 680 er kammeret delt af en tilnærmelsesvis v-formet splitter med en skarp top. Splitte-rens top og toppene på den væg, som deler tilbageførings- og udgangskanalerne er alle i samme afstand fra 30 dysen. Afgangskanalerne er adskilt fra splitteren ved hjælp af tilbageføringskanaler. Dette er vigtigt, fordi når strålen afviger fra apparatets centerlinie er tilbageføringskanalen den første kanal, som den kommer ind i. Hvis tilbageføringskanalen er adskilt fra splitteren 35 af udgangskanalen, vil hovedstrømningsvariationen fra dysen først påvirke afgangen, og apparatet vil være 2 DK 171056 B1 mindre følsomt end hvis tilbageføringskanalen er defineret af splittersidevæggen. En anden parameter, som påvirker følsomheden, er længden af tilbageføringskanalen, og her er den lang, fordi den skal forløbe om-5 kring afgangskanalen.

Det har vist sig, at de relative positioner af splitterens ender og toppene, som adskiller tilbageføringen og udgangskanalerne, er vigtige. Ifølge opfindelsen er der tilvejebragt en fluidumstrømningsmåler 10 som angivet i krav l. Afstanden mellem splitteren og toppene mellem afgangen og tilbageføringskanalerne målt langs instrumentets centerlinie fra dysens munding er fortrinsvis mellem 1 og 4 gange dysens bredde. Det har vist sig, at dette sidstnævnte område giver den største 15 følsomhed ved de laveste Reynoldstal tillige med en re-aktionsensartethed for forskellige Reynoldstal. Afstanden fra toppene mellem afgangskanalen og tilbageføringskanalen målt langs instrumentets centerlinie fra dysens munding er fortrinsvis mellem 5,6 og 12,0 gange 20 dysens bredde.

US-A- 3 605 778 beskriver en fluidumoscillator, hvori udgangskanalerne befinder sig nærmere splitteren end tilbageføringskanalerne. I en udførelsesform er enden af splitteren placeret længere bort fra dysens ud-25 munding end toppene mellem tilbageføringskanalerne og udgangskanalerne. US-A- 4 182 172 beskriver også en splitter, der er placeret længere bort fra dysen end toppene mellem tilbageføringskanaler og udgangskanaler, i et apparat, hvor udgangene befinder sig ved splitte-30 ren.

Et valgfrit træk ved opfindelsen er at føre tilbageføringskanalerne ud af det fælles plan som nævnt i det foranstående og tilbage til dette plan igen. Dette gør det muligt, at afgangskanalerne kan forblive i det 35 fælles plan under passagen fra indersiden til ydersiden af tilbageføringssløjfen, og at de kan samles til en 3 DK 171056 B1 enkelt afgangskanal på den anden side af splitteren, mens de endnu er i dette plan. Med denne opstilling kan tilbageføringskanalerne forløbe på hver sin side af en differenstryktransducer, hvis udgang vil give en indi-5 kation af frekvensen af variationen af strømningerne.

En anden dimension, som påvirker følsomheden, er længden af tilbageføringskanalerne, idet det gælder, at jo kortere de er desto større er følsomheden, og ved at rette kanalerne ud af det fælles plan bliver det mu-10 ligt at gøre dem kortere end kanaler, som skal forløbe rundt om afgangskanalerne i det fælles plan. Denne opstilling letter også udtagning af luft fra tilbageføringskanalerne .

Det har vist sig ved betydelige eksperimenter, 15 at der dannes en hvirvel i rummet foran splitteren. Retningen af denne hvirvel ændres når fluidummet skifter retning under bevægelsen mellem splitterens sider.

Et andet muligt træk ved den foreliggende opfindelse fremmer dannelsen og stabiliteten af denne hvirvel ved 20 tilvejebringelse af en reces i splitterens tud. Forskellige recesformer kan benyttes; den bedste form har vist sig at være en let krummet reces, som går over i let krummede grænser ind i resten af splitteren. Recessens dybde er fortrinsvis af samme størrelsesorden som 25 halvdelen af dysens bredde.

Eksempler på opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere med henvisning til tegningen, hvor fig. 1 er et snit i en strømningsmåler i planet for hovedparten af komponenterne, 30 fig. 2 et snit langs strømningsmålerens center linie, fig. 3 en fluidumstrømning i strømningsmålerens to tilstande, fig. 4 ved (a)-(e) overgangen mellem de to i 35 fig. 3 viste tilstande, fig. 5 en alternativ udformning af en del af det 4 DK 171056 B1 i fig. 1 viste apparat, figurerne 6a og 6b alternative udformninger af dysen i den i fig. 1 viste strømningsmåler, fig. 7 et perspektivisk billede af en detektor i 5 den i fig. l viste strømningsmåler, fig. 8 et lignende snit som det i fig. 1 viste i en alternativ strømningsmåler, fig. 9 et snit langs centerlinien i den i fig. 8 viste strømningsmåler, og 10 fig. 10 forskellige betydende parametre for apparatet.

I figurerne 1-4 omfatter strømningsmåleren en jævn dækselplade 11 og en bundplade 12, og der er udformet fluidumstrømningspassager i det øverste over-15 fladeområde af bundpladen 12 sammen med tilgangs- og afgangspassager 13 og 14, som strækker sig gennem hele bundpladen 12's dybde.

Strømningsmåleren er symmetrisk om centerlinien 15, på hvilken der findes en tilgang 21, en dyse 22 20 og en delesplitter 23, som er udformet med en reces 24 i den ende, der vender mod dysen, mens splitterens sidevægge krummer blødt ind i recessen, som selv er blødt krummet. Recessens dybde er tilnærmelsesvis lig med halvdelen af dysens bredde. Mellem dysen 22 og 25 splitteren 23 er områderne på begge sider af centerlinien 15 delt af en C-formet væg 27 i en ydre passage, som danner en tilbageføringskanal 28, og et indre område 29, som fører til afgangspassagen 14, der strækker sig gennem bundpladens dybde til en af-30 gang 31, som er fælles for strømningsmålerens to si der. Spidsen 53 af hver C-formede væg, som grænser op til splitteren, er beliggende foran splitteren og i udadgående afstand fra den, og de andre overflader på de C-formede vægge danner således effektive forlængelser 35 af recesvæggene. Tilbageføringskanalerne 28 forløber rundt om afgangspassagerne 14 til deres egne afgange 5 DK 171056 B1 19, som er rettet på tværs af strålen fra dysen 22.

Fluidum strømmer gennem hele bundpladens dybde i tilgangspassagen 13 rundt om en bøjning 19 til et første kammer 21 i det øvre overfladeområde. Tilste-5 deværelsen af bøjningen 19 bidrager til at udglatte forstyrrelser i strømningen opstrøms for måleren og er inkluderet omend der ikke er noget i vejen for at hindre tilgangspassagerne i at ligge fuldstændigt i det samme plan som de fleste af de andre komponenter.

10 Fluidummet strømmer langs strømningsmålerens centerlinie fra kammeret 21 gennem dysen 22 og deles af splitteren 23. Når fluidummet fra dysen 22 passerer fortrinsvis på den ene side af splitteren 23, dannes der en hvirvel 25 i den ene retning i recessen 15 24 og det udvidede område, som er defineret af de op til hinanden grænsende ender af de C-formede vægge 27, og der opbygges et tryk fortrinsvis ved afgangen 19 på den tilsvarende tilbageføringskanal 28, som søger at presse fluidum, som udgår fra dysen, mod splitterens 20 anden side og ændrer strømningsmålerens tilstand. Tilstandede oscillerer, og svingningsfrekvensen er et mål for strømningshastigheden. Manometerrør fører fra tilbageføringskanalerne eller tryktransducerne (se fig. 7) i tilbageføringskanalerne, og de kan kalibreres til at 25 indikere fluidumstrømningen ud fra den målte frekvens. Den foreliggende udformning har vist sig at give et lineært forhold mellem trykvariationsfrekvensen og fluidumstrømningen selv ved lave strømningshastigheder. Som følge af brugen af transducere på denne måde undgås 30 problemer hidrørende fra gasbobler eller urenheder i manometerrørene, hvilket nødvendiggør udtagning eller rensning. Tryktransducerne kan erstattes af strømningstransducere, og en strømningstransducer kan i stedet være beliggende i recessen 24 til registrering af 35 vendingen af hvirvlerne 25. En strømningstransducer kan udnytte transporttiden eller dopplereffekten for strøm- 6 DK 171056 B1 ningen på en ultrasonisk stråle, eller den kan måle den varme der tabes til eller afgives fra det strømmende fluidum.

Hvirvelfunktionen skal nu forklares.

5 Først betragtes tilfældet med en konventionel konveks "næse"-del på splitteren. Når strålen forskydes over fra den ene side af strømningspassagen til den anden frembringes der et forøget tryk ved næsen. Dette tryk når et maksimum ved næsedelens centerlinie.

10 Størsteparten af fluidummet skal derfor rettes mod et forholdsvis højt stagnationstryk ved dette punkt. Til skiftning af strålen på tværs af passagen er den energi, der kræves i tilbageføringsimpulsen, forholdsvis høj .

15 Hvis man nu betragter en splitter med en næse med reces, kan der gøres følgende iagttagelser.

"Stagnationspunktet" for strømning, som rammer en hvirvel 25, findes ikke på centerlinien.

Cirkulationen af strømningen omkring hvirvlen 20 skal frembringe en "Magnuseffekt"-kraft, som søger at bevæge hvirvlen (25) i en retning, som vil få den til at blokere den tidligere aktive tilbageføringspassage. Hvirvlen er blevet observeret under bevægelse på denne måde ved strømningshastigheder så lave som 2 liter/ti-25 me, svarende til et Reynoldstal på 50.·

Fig. 4A-4E viser overgangen fra fluidumstrømning, som fortrinsvis passerer på den ene side af splitteren 23 til en strømning, som passerer den anden side af splitteren. I fig. 4 danner fluidumstrøm-30 ninger fortrinsvis til venstre for splitteren 23 en hvirvelbevægelse i urviserretningen i recessen 24. Fluidumstrømning omkring den venstre tilbageføringskanal 28 tilvejebringer et forøget tryk på dens udgang som vist i fig. 4B, således at fluidumstrømning 35 fra dysen presses mod højre, hvilket kan ses i fig. 4C, hvilket vender hvirvlen som vist i fig. 4D og får flui- 7 DK 171056 B1 dummet til fortrinsvis at strømme ind i den højre tilbageføringskanal som vist i fig. 4E.

Enderne af de C-formede vægge ved recessen er vist som skarpe fremspring i figurerne 1-4. Fig. 5 vi-5 ser en alternativ opstilling, hvor en tap 39 (vinkelret på det fælles plan) danner toppen, som efter et lille mellemrum 38 efterfølges af en stump endedel 37, som udgør resten af fremspringet, og dette har vist sig at fungere tilfredsstillende. Tappene 39 10 tjener til at definere forlængelserne af recesvæggene på samme måde som de faste C-formede vægge i figurerne 1-4.

Figurerne 6A og 6B viser alternative dyser; fig. 6A er kvadrantformet på sin tilgangsside. Til-15 gangskammeret i det øverste overfladeområde af bundpladen 12 har parallelle sider op til dysen, og dysens bredde er tilnærmelsesvis en fjerdedel af bredden af tilgangspassagen, og dysen er udformet med tilgangsflader, som er kvadranter af en cirkel 34, sådan som 20 det er vist detaljeret i fig. 6A.

Fig. 6B viser en dyse, som har en ved sin begyndelse tilspidsende del 51, som fører over i en del 52 med parallelle sider. Strømningsmålere med disse dyseformer har vist sig at medføre en forbedret line-25 aritet mellem trykvariationer og fluidumstrømning ved lave strømningshastigheder.

Fig. 7 viser en tryktransducer i form af en strimmel piezoelektrisk materiale 32 på splitterens væg nær dennes toppunkt, hvilket piezoelektriske mate-30 riale ved hjælp af kabler 33 er forbundet med detekterings- og indikeringssystemet, idet kablerne overfører spændingsvariationer i det piezoelektriske materiale, som forårsages af trykvariationer i fluidumstrømningen, til detekterings- og indikeringssystemet.

35 Signalet fra det piezoelektriske materiale 32 passerer gennem en analog/digitalomsætter til en impulstæl- DK 171056 B1 θ ler og derefter til strømningshastighedsindikatoren, hvilke komponenter alle fødes fra en ekstern effektkilde og fortrinsvis er udformet som et integreret kredsløb. I en alternativ opstilling føres signalet fra 5 det piezoelektriske materiale 32 gennem en forstærker til en elektromagnetisk impulstæller og -indikator og derfra til et energilager, som leverer effekt til forstærkeren om nødvendigt.

I den alternative udførelsesform, som er vist i 10 figurerne 8 og 9, har strømningsmåleren en tilgang 21 og en afgang 31A på midteraksen, og de fleste af komponenterne findes i et aksiale plan. Medianplanet er vinkelret på figuren, og aksialplanet er i figurens plan og forløber på tværs af medianplanet. Kun tilbage-15 koblingskanalerne 28A forløber ud af aksialplanet (dvs. de har en udstrækning vinkelret på aksialplanet), hvilke tilbageføringskanaler optager fluidumstrømning fra begge sider af splitteren 23 ud af aksialplanet og tilbage til aksialplanet i dysens område, idet til-20 bageføringskanalerne 28A's afgange forløber på tværs af dysen 22 som i den tidligere beskrevne udførelsesform. Denne opstilling gør det muligt for de to tilba-geføringskanler 28A at forløbe indbyrdes parallelt ved 35 i et plan, som er forskudt for aksialplanet, 25 og de er delt af en differenstryktransducer 36, som direkte registrerer differenstrykket mellem kanalerne. Endvidere muliggør forskydningen af tilbageføringskanalerne 28A ud af aksialplanet, at afgangspassagerne 14A kan holdes i aksialplanet, og at tilbageførings-30 kanalerne 28A kan være kortere end kanaler, som forløber omkring afgangspassagerne, hvilket forøger svingningsfrekvensen ved en given strømningshastighed, udførelsesformen i fig. 8 foretrækkes frem for den i figurerne 1-4 viste.

35 Fig. 10 viser forskellige af apparatets para metre; a er den aksiale afstand fra dysen til recessens

Claims (10)

1. Fluidumstrømningsmåler omfattende et kammer, som har en centerlinie (15), en tilgangsdyse (22), som er rettet langs centerlinien for det fluidum, hvis strømning skal måles, en splitter (23), som er beliggende på centerlinien og har en ende (24), som vender 20 mod dysen, hvor hver af kammerets sider på hver side af et medianplan, som inkluderer centerlinien, er delt i en tilbageføringskanal (28) og en afgangskanal (29,14) med en mellemliggende top (53), hvilken splitter (23) delvis definerer en tilbageføringskanal (28), som for-25 løber fra splitterens ende (24) til en beliggenhed (19) ved siden af dysens munding, kendetegnet ved, at afstanden (a) fra dysens (22) munding til enden (24) af splitteren (23) er større end afstanden (c) fra dysens munding til hver top (53): 30

2. Måler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at forskellen mellem afstandene er større end dysens bredde (d).

3. Måler ifølge krav 2, kendetegnet ved, at forskellen mellem afstandene (a-c) ikke er 35 større end fire gange dysens bredde (d).

4. Måler ifølge et eller flere af kravene 1-3, DK 171056 B1 kendetegnet ved, at tilbageføringskanalerne forløber i en retning, som er vinkelret på et andet plan gennem centerlinien på tværs af medianplanet.

5. Måler ifølge krav 4, kendetegnet 5 ved, at afgangskanalerne kun forløber langs det andet plan.

6. Måler ifølge et eller flere af kravene 1-5, kendetegnet ved en reces (24) ved den ende af splitteren, som vender mod dysen. 10

7. Måler ifølge krav 6, kendetegnet ved, at recessen har en blødt krummet væg.

8. Måler ifølge krav 7, kendetegnet ved, at recessens væg over en blød krumning går over i splitterens sider. 15

9. Måler ifølge krav 8, kendetegnet ved, at recessens dybde er lig med halvdelen af dysens bredde.

10. Måler ifølge et eller flere af kravene 1-9, kendetegnet ved, at hver af de nævnte toppe 20 har en tap (39), som er beliggende i afstand fra den resterende del (37) af væggen.