EP1019677A1

EP1019677A1 - Wirbelströmungsaufnehmer

Info

Publication number: EP1019677A1
Application number: EP99944110A
Authority: EP
Inventors: Igor Getman; Sergej Lopatin; Tanja STÖCKLIN; Frank Ohle; Roger Kerrom
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2000-07-19
Also published as: US6352000B1; JP2002522781A; WO2000009973A1; CN1275196A; JP3305704B2; CN1131996C

Abstract

Der piezoelektrische Wirbelsensor (3, 3', 3', 3*) dieses Wirbelströmungsaufnehmers (1) ist in einfacher Weise aus einzelnen Komponenten zusammensetzbar; sein defekt gewordenes Piezoelement (34, 34', 34', 34*, 34+, 34++) kann leicht ausgewechselt werden. Auch kann der Wirbelsensor weitgehend unempfindlich gegenüber von außen einwirkenden Vibrationen gemacht werden. Der Wirbelströmungsaufnehmer (1) dient der Messung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines in einem Meßrohr (2) fließenden Fluids. Entlang eines Durchmessers des Meßrohrs ist ein Kármán'sche Wirbel erzeugender Staukörper (4) angeordnet und an mindestens einer Fixierstelle (41) mit dem Meßrohr verbunden. Der Wirbelsensor spricht auf von den Wirbeln erzeugte Druckschwankungen an und ist entweder stromabwärts vom Staukörper in eine wandseitige Bohrung (22) des Meßrohrs dicht eingesetzt oder ragt in eine durch das Meßrohr in den Staukörper hinein verlaufende Hauptbohrung (46). Eine Membran (33, 33', 33+) überdeckt diese bzw. die Bohrung (22). An der Fluid-zugewandten Oberfläche (331) der Membran ist eine Sensorfahne (31, 31', 31+) bzw. eine Sensorhülse (31', 31*) fixiert. Mit der Fluid-abgewandten Oberfläche (332) der Membran ist das Piezoelement mechanisch gekoppelt.

Description

Wirbelstromungsaufnehmer

Die Erfindung betrifft Wirbelstromungsaufnehmer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines durch ein Meßrohr fließenden Fluids mit einem über einem Durchmesser des Meßrohrs angeordneten Staukörper, der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient.

Bei Betrieb eines derartigen Wirbelströmungsaufnehmers entsteht bekanntlich stromabwärts des Staukörpers eine Kärmän'sche WirbelStraße, deren Druckschwankungen von einem Wirbelsensor in ein elektrisches Signal umgeformt werden, dessen Frequenz proportional zum Volumendurchfluß ist.

In der EP-A 841 545 ist einerseits beschrieben ein Wirbelstromungsaufnehmer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines durch ein Meßrohr fließenden Fluids

- mit einem entlang eines Durchmessers des Meßrohrs angeordneten und an mindestens einer Fixierstelle mit dem Meßrohr verbundenen Staukörper, der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient,

- mit einem auf von den Wirbeln erzeugte Druckschwankungen ansprechenden, kapazitiven Wirbelsensor, der stromabwärts vom Staukörper in eine wandseitige Bohrung des Meßrohrs, diese zu dessen Mantelfläche hin abdichtend, eingesetzt ist, deren Zentrum zusammen mit dem Zentrum der

Fixierstelle auf einer Mantelgerade des Meßrohrs liegt, und der aufweist:

- eine die Bohrung überdeckende Membran mit einer fluid- zugewandten ersten Oberfläche und einer fluid- abgewandten zweiten Oberfläche, — eine an der ersten Oberfläche befestigte, biegesteife, dünne Sensorfahne, die kürzer als der Durchmesser ist, mit ebenen Hauptflächen, die mit der Mantelgerade des Meßrohrs fluchten, und — eine an der zweiten Oberfläche befestigte Elektrodeanordnung.

In der EP-Ä 841 545 ist andererseits beschrieben ein Wirbelstromungsaufnehmer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines durch ein Meßrohr fließenden Fluids

— mit einem entlang eines Durchmessers des Meßrohrs angeordneten und an mindestens einer Fixierstelle mit dem Meßrohr verbundenen Staukörper, der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient und eine in Richtung dieses

Durchmessers sowie durch das Meßrohr hindurch verlaufende Hauptbohrung und mindestens eine die Hauptbohrung mit dem Fluid verbindende Nebenbohrung aufweist,

— mit einem auf von den Wirbeln erzeugte Druckschwankungen ansprechenden kapazitiven Wirbelsensor, der in die

Hauptbohrung, die Mantelfläche des Meßrohrs gegen das Fluid abdichtend, eingesetzt ist und der aufweist:

— eine ein meßrohr-seitiges Ende der Hauptbohrung überdeckende Membran mit einer fluid-zugewandten ersten Oberfläche und einer fluid-abgewandten zweiten Oberfläche,

— eine an der ersten Oberfläche befestigte, biegesteife Sensorhülse und

— eine an der zweiten Oberfläche befestigte Elektrodeanordnung.

Wie die beiden in der EP-A 841 545 beschriebenen Wirbelstromungsaufnehmer zeigen, kann der Wirbelsensor entweder im Staukörper oder getrennt davon in der Bohrung der Wand des Meßrohrs angeordnet werden. Obwohl sich derartige Wirbelstromungsaufnehmer in der Praxis sehr bewährt haben, ist es wünschenswert, anstatt kapazitiver

Sensorelemente Piezoelemente einzusetzen. Der Stand der

Technik kennt bereits die Verwendung von Piezoelementen bei

Wirbelströmungsaufnehmern.

So ist in der US-A 42 48 098 beschrieben ein

Wirbelstromungsaufnehmer zur Messung der

Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines durch ein Meßrohr fließenden Fluids - mit einem entlang eines Durchmessers des Meßrohrs angeordneten und mit dem Meßrohr an zwei Fixierstellen fest verbundenen Staukörper, der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient,

— mit mindestens einem auf von den Wirbeln erzeugte mechanische Spannungen im Staukörper ansprechenden

Piezoelement als Wirbelsensor, der

— entweder in einer im Bereich einer der Fixierstellen vorhandenen Ausnehmung des Staukörpers

— oder in einer nach außerhalb des Meßrohrs sich erstreckenden Verlängerung des Staukörpers vorhandenen Ausnehmung angeordnet ist, wobei

— entweder zwei einzelne Piezoelemente mit jeweils einer Elektrode auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen oder

— ein einziges Piezoelement mit zwei elektrisch getrennten Elektroden auf einer ersten Oberfläche und einer gemeinsamen Elektrode auf einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche vorhanden sind.

Ferner ist in der JP-A 58 - 160 813 beschrieben ein Wirbelstromungsaufnehmer zur Messung der

Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines durch ein Meßrohr fließenden Fluids

— mit einem entlang eines Durchmessers des Meßrohrs angeordneten und mit dem Meßrohr an nur einer Fixierstelle fest verbundenen Staukörper, der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient, - mit einem auf von den Wirbeln erzeugte mechanische Spannungen im Staukörper ansprechenden Wirbelsensor, der

- entweder in einer im Bereich der Fixierstelle vorhandenen Ausnehmung des Staukörpers — oder in einer nach außerhalb des Meßrohrs sich erstreckenden Verlängerung des Staukörpers angeordnet ist, wobei

- entweder zwei einzelne Piezoelemente mit jeweils einer Elektrode auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen oder — ein einziges Piezoelement mit zwei elektrisch getrennten Elektroden auf einer ersten Oberfläche und einer gemeinsamen Elektrode auf einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche vorhanden sind.

Ferner ist in der EP-A 319 424 beschrieben ein Wirbelstromungsaufnehmer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines durch ein Meßrohr fließenden Fluids

- mit einem entlang eines Durchmessers des Meßrohrs angeordneten und mit dem Meßrohr an zwei Fixierstellen fest verbundenen Staukörper, der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient,

- mit einem auf von den Wirbeln erzeugte Druckschwankungen ansprechenden Wirbelsensor aus zwei Piezoelementen, die — auf einer fluid-abgewandten Oberfläche einer an der einen Fixierstelle vorhandenen Membran des Staukörpers angeordnet sind.

Schließlich ist in der US-A 51 97 336 beschrieben ein Wirbelstromungsaufnehmer zur Messung der

- mit einem entlang eines Durchmessers des Meßrohrs angeordneten und mit dem Meßrohr an zwei Fixierstellen fest verbundenen Staukörper, der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient, - mit einem auf von den Wirbeln erzeugte Druckschwankungen ansprechenden Wirbelsensor, der

- stromabwärts nahe beim Staukörper und parallel zu ihm verläuft und an zwei gegenüberliegenden Fixierstellen mit dem Meßrohr fest verbunden und

- auf mit einer nach außerhalb des Meßrohrs sich erstreckenden zylindrischen Verlängerung versehen ist, die ein konzentrisches Piezoelement trägt.

Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die vorbeschriebenen Konstruktionen von

Wirbelströmungsaufnehmern mit Piezoelementen so abzuändern, daß der Wirbelsensor in einfacher Weise aus einzelnen Komponenten zusammensetzbar ist und daher ein defekt gewordenes Piezoelement auch leicht ausgewechselt werden kann. Ferner soll der Wirbelsensor weitgehend unempfindlich gegenüber von außen einwirkenden Vibrationen gemacht werden können.

Zur Lösung dieser Aufgaben besteht eine erste Variante der Erfindung in einem Wirbelstromungsaufnehmer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines durch ein Meßrohr fließenden Fluids

- mit einem auf von den Wirbeln erzeugte Druckschwankungen ansprechenden Wirbelsensor, der stromabwärts vom Staukörper in eine wandseitige Bohrung des Meßrohrs, diese zu dessen Mantelfläche hin abdichtend, eingesetzt ist, wobei das Zentrum der Bohrung zusammen mit dem Zentrum der Fixierstelle auf einer Mantelgerade des Meßrohrs liegt, und der folgende Merkmale aufweist: — eine die Bohrung überdeckende Membran mit einer fluid- zugewandten ersten Oberfläche und einer fluid- abgewandten zweiten Oberfläche,

— eine an der ersten Oberfläche der Membran befestigte, biegesteife, dünne Sensorfahne, die kürzer als der Durchmesser ist, mit ebenen Hauptflächen, die mit der Mantelgerade des Meßrohrs fluchten, und

— ein mit der zweiten Oberfläche der Membran mechanisch gekoppeltes Piezoelement.

Zur Lösung der erwähnten Aufgaben besteht eine zweite Variante der Erfindung in einem Wirbelstromungsaufnehmer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines durch ein Meßrohr fließenden Fluids

— mit einem entlang eines Durchmessers des Meßrohrs angeordneten und an mindestens einer Fixierstelle mit dem Meßrohr verbundenen Staukörper, der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient und eine in Richtung dieses Durchmessers sowie durch das Meßrohr hindurch verlaufende Hauptbohrung und mindestens eine die Hauptbohrung mit dem Fluid verbindende Nebenbohrung aufweist,

— mit einem auf von den Wirbeln erzeugte Druckschwankungen ansprechenden Wirbelsensor, der in die Hauptbohrung, die Mantelfläche des Meßrohrs gegen das Fluid abdichtend, eingesetzt ist und der folgende Merkmale aufweist:

— eine an der ersten Oberfläche der Membran befestigte, biegesteife Sensorhülse und

— ein mit der zweiten Oberfläche der Membran mechanisch gekoppeltes Piezoelement. Nach einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der ersten bzw. zweiten Variante der Erfindung

- ist das Piezoelement an der zweiten Oberfläche der Membran befestigt,

- weist das Piezoelement auf einer membran-zugewandten Fläche eine Grundelektrode und

- auf einer membran-abgewandten Fläche eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, die symmetrisch zu einer Mittelebene der Sensorfahne liegen.

Nach einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der ersten bzw. zweiten Variante der Erfindung

- ist im Zentrum der zweiten Oberfläche der Membran ein erstes Ende eines Biegebalkens fixiert, von dem ein zweites Ende an einer mit der Wand des Meßrohrs starr verbundenen Halterung fixiert ist,

- ist ein erstes Piezoelement längs und auf einer ersten Oberfläche des Biegebalkens aufgeklebt, und

- ist ein zweites Piezoelement längs und auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des

Biegebalkens aufgeklebt.

Nach einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der ersten bzw. zweiten Variante der Erfindung - ist im Zentrum der zweiten Oberfläche der Membran ein erstes Ende eines Biegebalkens fixiert, von dem ein zweites Ende an einer mit der Wand des Meßrohrs starr verbundenen Halterung fixiert ist,

- ist ein erstes Piezoelement längs und auf einer ersten Oberfläche des Biegebalkens mechanisch fixiert, und

- ist ein zweites Piezoelement längs und auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Biegebalkens mechanisch fixiert. Nach einer ersten bevorzugten Weiterbildung der ersten Ausgestaltung der Erfindung

- weist die Membran einen Haltering auf ,

- an dessen einem Ende die Membran fixiert ist und — der dicker als die Membran ist,

- drückt ein auf dem Haltering sich abstützender, mit dem Meßrohr verschraubter und einen Innen-Durchmesser aufweisender Zwischenring die Membran unter Zwischenlage eines Dichtrings gegen die Mantelfläche des Meßrohrs, - ist auf der membran-abgewandten Oberfläche des Piezoelements ein Kontaktierkörper mit einer piezoelement-zugewandten ersten Oberfläche und mit einer piezoelement-abgewandten zweiten Oberfläche angeordnet, der — aus einem Isoliermaterial besteht,

- auf der piezoelement-zugewandten Oberfläche eine die erste Elektrode kontaktierende erste Kontakfläche und eine die zweite Elektrode kontaktierende zweite Kontakfläche aufweist und — auf der piezoelement-abgewandten Oberfläche eine mit der ersten Kontaktfläche elektrisch verbundene dritte Kontaktfläche und eine mit der zweiten Kontaktfläche elektrisch verbundene vierte Kontaktfläche aufweist,

- ist auf dem Kontaktierkörper ein Druckring mit einem Durchmesser angeordnet,

- der etwas kleiner als der Innen-Durchmesser des Zwischenrings ist, und

- drückt eine auf dem Druckring sich abstützende und mit dem Zwischenring verschraubte Spannscheibe den Druckring gegen den Kontaktierkörper, diesen gegen das Piezoelement und dieses gegen die Membran.

Nach einer zweiten bevorzugten Weiterbildung der ersten Ausgestaltung der Erfindung - sind das Piezoelement und der Kontaktierkörper ringförmig mit einer jeweiligen Zentralbohrung ausgebildet und - ist auf der fluid-abgewandten Oberfläche der Membran ein in die Zentralbohrungen ragender Kompensationskörper angeordnet,

- wobei das Flächenträgheitsmoment der Sensorfahne an der fluid-zugewandten Oberfläche der Membran etwa gleich dem Flächenträgheitsmoment des Kompensationskörpers an der fluid-abgewandten Oberfläche der Membran gemacht ist.

Nach einer dritten bevorzugten Weiterbildung der ersten Ausgestaltung der Erfindung

- sind das Piezoelement und der Kontaktierkörper ringförmig mit einer jeweiligen Zentralbohrung ausgebildet und

- ist auf der fluid-abgewandten Oberfläche der Membran ein in die Zentralbohrungen ragender Kompensationskörper angeordnet,

- wobei das Flächenträgheitsmoment der Sensorhülse an der fluid-zugewandten Oberfläche der Membran etwa gleich dem Flächenträgheitsmoment des Kompensationskörpers an der fluid-abgewandten Oberfläche der Membran gemacht ist.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Wirbelsensor des Wirbelströmungsaufnehmers in einfacher Weise aus einzelnen Komponenten zusammengesetzt ist und daher ein defekt gewordenes Piezoelement auch leicht ausgewechselt werden kann. Auch kann der Wirbelsensor weitgehend unempfindlich gegenüber von außen einwirkenden Vibrationen gemacht werden.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren der Zeichnung nicht-maßstäblich dargestellt sind. Gleiche Teile sind in unterschiedlichen Figuren mit denselben

Bezugszeichen bezeichnet. Wenn es die Übersichtlichkeit erfordert, sind jedoch bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren weggelassen. Ferner sind bereits beschriebene Einzelheiten bei der Erläuterung nachfolgender Figuren nicht mehr erwähnt.

Fig. 1 zeigt perspektivisch und teilweise geschnitten sowie in Strömungsrichtung gesehen einen Wirbelstromungsaufnehmer mit in der Wand des Meßrohrs fixiertem Wirbelsensor entsprechend der ersten Variante der Erfindung,

Fig. 2 zeigt gegen die Strömungsrichtung gesehen perspektivisch und teilweise aufgeschnitten den Wirbelstromungsaufnehmer von Fig. 1,

Fig. 3 zeigt im Vertikalschnitt eine erste Ausführungsform eines in der Wand des Meßrohrs fixierten Wirbelsensors entsprechend der ersten Variante der Erfindung,

Fig. 4 zeigt im Vertikalschnitt eine erste Ausführungsform eines in die Hauptbohrung des Staukörpers ragenden Wirbelsensors entsprechend der zweiten Variante der Erfindung,

Fig. 5 zeigt im Vertikalschnitt ein Piezoelement entsprechend den Fig. 3 und 4,

Fig. 6a bis 6c zeigen in Draufsicht, im Vertikalschnitt und in Unteransicht einen Kontaktierkörper entsprechend den Fig. 3 und 4,

Fig. 7 zeigt im Vertikalschnitt eine Weiterbildung des Wirbelsensors nach Fig. 3, Fig. 8 zeigt im Vertikalschnitt eine Weiterbildung des Wirbelsensors nach Fig. 4,

Fig. 9 zeigt schematisch im Vertikalschnitt eine zweite Ausführungsform eines Wirbelsensors entsprechend der ersten Variante der Erfindung,

Fig. 10 zeigt schematisch im Vertikalschnitt eine zweite Ausführungsform eines Wirbelsensors entsprechend der zweiten Variante der Erfindung,

Fig. 11 zeigt schematisch im Vertikalschnitt eine dritte Ausführungsform eines Wirbelsensors entsprechend der ersten Variante der Erfindung, und

Fig. 12 zeigt schematisch im Vertikalschnitt eine dritte Ausführungsform eines Wirbelsensors entsprechend der zweiten Variante der Erfindung.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten und der Übersicht dienenden perspektivischen Ansichten zeigen, einmal in und einmal gegen die Strömungsrichtung gesehen, einen teilweise aufgeschnittenen Wirbelstromungsaufnehmer 1 mit einem in und an einer Wand 21 eines Meßrohrs 2 fixierten piezoelektrischen Wirbelsensor 3.

Vom Wirbelsensor 3 ist in den Fig. 1 und 2 nur ein in das Innere des Meßrohrs 2 durch eine Bohrung 22 in der Wand 21 ragende biegesteife, dünne Sensorfahne 31 mit zwei ebenen Hauptflächen sowie eine Gehäusekappe 32 zu sehen; von den beiden Hauptflächen ist in Fig. 1 nur die Hauptfläche 311 sichtbar.

Die Gehäusekappe 32 umfaßt einen einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden ersten Teil 321, der an und/oder auf einer Mantelfläche 23 des Meßrohrs 2, z.B. durch Verschrauben, fixiert ist; dies ist der Übersichtlichkeit halber in den Fig. 1 bis 6 nicht dargestellt. Die Mantelfläche 23 kann zur Fixierung der Gehäusekappe 32 und zur Aufnahme des Wirbelsensors 3 so bearbeitet sein, daß eine ebene Fläche 24 entsteht, wie in den Fig. 3, 4 und 7 bis 12 vorausgesetzt ist.

Der Teil 321 der Gehäusekappe 32 geht in einen kreiszylindrischen zweiten Teil 322 und dieser in einen eine Steckverbindung 324 (s. Fig. 3) aufnehmenden dritten Teil 323 über. Dieser Aufbau und diese Form der Gehäusekappe 32 ist nicht zwingend: Es kann jede geeignete andere Form gewählt werden.

Entlang eines Durchmessers des Meßrohrs 2 ist in dessen

Innerem ein Staukörper 4 angeordnet, der mit dem Meßrohr 2 unter Bildung einer dargestellten ersten Fixierstelle 41 und einer verdeckten zweiten Fixierstelle fest verbunden ist. Es ist auch möglich, auf eine der Fixierstellen zu verzichten. Das Zentrum der Bohrung 22 und das Zentrum der Fixierstelle 41 liegen auf einer Mantelgerade des Meßrohrs.

Der Staukörper 4 hat eine Prallfläche 42, gegen die im Betrieb ein zu messendes Fluid, z.B. eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Dampf, anströmt, und zwei Seitenflächen, von denen lediglich eine (vordere) Seitenfläche 43 in den Fig. 1 und 2 zu sehen ist. Von der Prallfläche 42 und den Seitenflächen werden zwei Abrißkanten gebildet, von denen lediglich eine (vordere) Abrißkante 44 vollständig und eine (hintere) Abrißkante 45 andeutungsweise in Fig. 1 zu sehen sind. Die Abrißkanten 44, 45 sind meist abgerundet, um eine gute Ablösung der Wirbel zu erzielen.

In Fig. 2 ist gestrichelt angedeutet, daß anstatt der Sensorfahne 31 von Fig. 1 entsprechend der zweiten Variante der Erfindung im Staukörper 4 parallel zu den Abrißkanten 44, 45 eine auch durch die Wand des Meßrohrs 2 hindurch verlaufende Hauptbohrung 46 verlaufen kann. Bevorzugt an deren unterem Ende ist mindestens eine die Hauptbohrung 46 mit dem Fluid verbindende Nebenbohrung 47 angebracht. In die Hauptbohrung 46 ragt eine Sensorhülse 31', vgl. die Fig. 4, 8, 10, 12.

Durch das Anströmen des Fluids gegen die Prallfläche 42 bildet sich im Fluid stromabwärts vom Staukörper 4 eine Kärmän'sehe Wirbelstraße dadurch aus, daß an jeder

Abrißkante 44, 45 abwechselnd Wirbel abreißen und vom strömenden Fluid mitgenommen werden.

Diese Wirbel erzeugen lokale Druckschwankungen im Fluid, die mittels des Wirbelsensors 3 in elektrische Signale umgeformt werden und deren zeitbezogene Abriß-Häufigkeit, also deren sogenannte Wirbelfrequenz, ein Maß für den Volumendurchfluß und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist.

Die Form und der Querschnitt des Staukörpers 4 der Fig. 1 und 2 sind im wesentlichen die einer geraden Dreieck-Säule, also einer Säule mit einem dreieckigen Querschnitt. Es können jedoch auch andere übliche Formen des Staukörpers bei der Erfindung eingesetzt werden.

Drei Ausführungsformen des piezoelektrischen Wirbelsensors 3 nach den Fig. 1 und 2 für die erste Variante der Erfindung sowie deren Einzelheiten sind in den

Vertikalschnitt-Darstellungen der Fig. 3, 7, 9, 11 gezeigt.

Drei Ausführungsformen für die zweite Variante der Erfindung sowie deren Einzelheiten sind in den Vertikalschnitt-Darstellungen der Fig. 4, 8, 10, 12 gezeigt. In den Fig. 3, 4 und 7 bis 12 ist die Gehäusekappe 32 der Fig. 1 und 2 immer weggelassen.

In den Fig. 3, 7, 9, 11 umfaßt der piezoelektrische Wirbelsensor 3 eine die Bohrung 22 in der Wand 21 des Meßrohrs 2 überdeckende Membran 33 bzw. 33" bzw. 33⁺.In den Fig. 4, 8, 10, 12 umfaßt der piezoelektrische Wirbelsensor 3' eine die Hauptbohrung im Staukörper 4 überdeckende Membran 33' bzw. 33* bzw 33⁺⁺.

Diese Membranen haben eine fluid-zugewandte erste Oberfläche 331 und eine fluid-abgewandte zweite Oberfläche 332, vgl. Fig. 3. Die jeweilige Membran ist an einem Ende eines Halterings 333 fixiert, der höher als die Membran ist; bevorzugt sind beide, wie dargestellt, aus einem Stück hergestellt.

Die jeweilige Membran besteht aus einem geeigneten Metall, wie z.B. Edelstahl, und verschließt die Bohrung 22 bzw. die Hauptbohrung 46, fluiddicht, so daß selbst bei einem höchsten zulässigen Fluiddruck kein Fluid zur Mantelfläche 23 des Meßrohrs 2 gelangen kann. Dies geschieht z.B. mittels eines Dichtrings 5, der zwischen einer in der Wand 21 von außen her, z.B. durch Fräsen, gebildeten ebenen Auflagefläche 25 und dem Haltering 333 eingesetzt ist.

An der ersten Oberfläche 331 der Membran 33 ist die Sensorfahne 31 befestigt, die kürzer als der Durchmesser des Meßrohrs 2 ist. Die ebenen Hauptflächen 311, 312 fluchten mit einer Mantelgerade des Meßrohrs 2 und können, wie in den Fig. 1 bis 3, 7, 9 und 11 zu sehen ist, einen kleinen Keil bilden.

An der zweiten Oberfläche 332 der Membran 33 ist ein Piezoelement 34 befestigt, das in Fig. 5 im Vertikalschnitt dargestellt ist. Auf einer membran-zugewandten Fläche sind eine Grundelektrode 343 und auf einer membran-abgewandten Fläche eine erste Elektrode 341 und eine zweite Elektrode 342 angeordnet, die symmetrisch zu einer Mittelebene der Sensorfahne 31 liegen. Diese Mittelebene ist in Fig. 3 als gestrichelte Linie 313 zu sehen und verläuft senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 3.

Ferner ist in Fig. 3 auf der membran-abgewandten Oberfläche des Piezoelements 34 ein Kontaktierkörper 35 mit einer piezoelement-zugewandten ersten Oberfläche 351 und mit einer piezoelement-abgewandten zweiten Oberfläche 352 angeordnet, vgl. die Fig. 6a bis 6c, die weitere Einzelheiten zeigen.

Der Kontaktierkörper 35 besteht aus einem geeigneten

Isoliermaterial, z.B. einer Keramik, und ist auf der ersten Oberfläche 351 mit einer die erste Elektrode 341 des Piezoelements 34 kontaktierenden ersten Kontaktfläche 353 und mit einer die zweite Elektrode 342 kontaktierenden zweiten Kontaktfläche 354 versehen. Eine sehr gute

Kontaktierung ergibt, sich wenn die Elektrode 341 bzw. 342 flächengleich mit der Kontaktfläche 352 bzw. 354 ist und diese im fertigen Zustand vollständig bedeckt.

Der Kontaktierkörper 35 trägt, vgl. weiterhin die Fig. 6a bis 6c, auf der zweiten Oberfläche 352 eine dritte Kontaktfläche 355 und eine vierte Kontaktfläche 356, die mit der ersten Kontaktfläche 353 bzw. mit der zweiten Kontaktfläche 354 elektrisch verbunden sind.

In Fig. 6b ist zu sehen, daß dies mittels eines durch den Kontaktierkörper 35 von der ersten Oberfläche 351 zur zweiten Oberfläche 352 hindurchgehenden Leiters 357 bzw. 358 geschieht. Diese Leiter können auch über die Oberfläche 352 vorstehen, so daß an deren vorstehenden Enden entsprechende Zuleitungen befestigt, z.B. angelötet, werden können.

Diese Art der Durchkontaktierung mittels Leitern ist nicht zwingend; so kann z.B. auch eine um den Rand des

Kontaktierkörpers 35 herum in einer jeweiligen Nut verlaufende Leitbahn vorgesehen werden.

In Fig. 3 drückt ein auf dem Haltering 333 der Membran 33 sich abstützender Zwischenring 6 die Membran gegen das Meßrohr 2, der mit diesem verschraubt ist. Von mehreren hierzu benutzten Schrauben ist in Fig. 3 eine Schraube 61 zu sehen. Der Zwischenring 6 hat einen Innen-Durchmesser, der etwa gleich dem freien Durchmesser der Membran 33 ist.

Auf dem Kontaktierkörper 35 ist ein Druckring 7 mit einem Durchmesser angeordnet, der ebenfalls in etwa gleich dem freien Durchmesser der Membran 33 ist, also auch dem Innen- Durchmesser des Zwischenrings gleich ist.

Auf dem Druckring 7 stützt sich eine Spannscheibe 8 ab, die mit dem Zwischenring 6 verschraubt ist. Von mehreren hierzu benutzten Schrauben ist in Fig. 3 eine Schraube 81 zu sehen. Die Spannscheibe 8 drückt den Druckring 7 gegen den Kontaktierkörper 35, diesen gegen das Piezoelement 34 und dieses gegen die Membran 33.

Im fertig zusammengebauten Zustand des Wirbelsensors 3 wirkt somit auf das Piezoelement 34 eine konstante mechanische Kraft ein, die den Meßnullpunkt bestimmt. Die an sich durch diese mechanische Belastung erzeugte elektrische Vorspannung wird dadurch abgebaut, daß das Piezoelement eingangsseitig an einen in einer nicht dargestellten und nicht zur Erfindung gehörenden Auswerte- Elektronik vorhandenen Differenzverstärker angeschlossen ist. Über dessen endlichen Eingangswiderstand wird die Vorspannung abgebaut und zu null gemacht. Somit geht die Vorspannung nicht in die Messungen ein.

Daher können die durch die Wirbel verursachten Druckschwankungen gemessen werden, ohne daß diese Messung vom Prozeßdruck und/oder von thermisch bedingten mechanischen Spannungen störend beeinflußt würde. Als Prozeßdruck ist der im Fluid herrschende, weitgehend konstante Druck bezeichnet.

In Fig. 3 sind schließlich zwei Zuleitungen 359, 360 zu sehen, die die dritte bzw. vierte Kontaktfläche 355 bzw. 356 des Kontaktierkörpers 35 mit der Steckverbindung 324 verbinden. Diese ist in den dritten Teil 323 der Gehäusekappe 32 dicht eingesetzt und dient dazu, die im Betrieb am Piezoelement 34 entstehenden Meßsignale der erwähnten Auswerte-Elektronik zuzuführen.

Im Betrieb erzeugen die erläuterten Druckschwankungen Auslenkungen der Sensorfahne 31 in Richtung senkrecht zu ihren Hauptflächen 311, 312. Diese Auslenkungen werden durch die Membran 33 auf das Piezoelement 34 übertragen.

In Fig. 4 ist im Vertikalschnitt eine erste Ausführungsform eines Wirbelsensors 3' entsprechend der zweiten Variante der Erfindung dargestellt. Die Fig. 4 unterscheidet sich von Fig. 3 lediglich darin, daß anstatt der Sensorfahne 31 von Fig. 3 nun eine biegesteife Sensorhülse 31' an der ersten Oberfläche der Membran 33' befestigt ist.

Die Sensorhülse 31' steckt, wenn der Wirbelsensor 3' nicht stromabwärts vom Staukörper wie in den Fig. 1 bis 3 angeordnet ist, in der oben erwähnten Hauptbohrung 46 des Staukörpers 4. Dort wird er von den wirbel-bedingten

Druckschwankungen bewegt und verbiegt die Membran 33'. Die Fig. 7 und 8 zeigen im Vertikalschnitt Weiterbildungen des Wirbelsensors nach Fig. 3 bzw. Fig. 4. Ein dem Piezoelement 34 bzw. dem Kontaktierkörper 35 der Fig. 3 bis 6 entsprechendes Piezoelement 34' bzw. ein entsprechender Kontaktierkörper 35' sind ringförmig mit einer jeweiligen Zentralbohrung 344 bzw. 361 ausgebildet.

Auf der fluid-abgewandten Oberfläche der Membran 33' ist ein in die Zentralbohrungen 344, 361 ragender Kompensationskörper 334 (in Fig. 7) bzw. 334' (in Fig. 8) angeordnet; bevorzugt sind Membran, Haltering und Kompensationskörper, wie dargestellt, jeweils einstückig hergestellt.

Das Flächenträgheitsmoment der Sensorfahne 31 bzw. der

Sensorhülse 31' an der fluid-zugewandten Oberfläche der

Membran 33 bzw. 33' ist etwa gleich dem

Flächenträgheitsmoment des Kompensationskörpers 334 bzw.

334' an der fluid-abgewandten Oberfläche der Membran 33 bzw. 33' gemacht.

Aufgrund dieser Bemessung ist die Masse des Kompensationskörpers 334 bzw. 334' etwa so groß wie die Masse der Sensorfahne 31 (Fig. 7) bzw. der Sensorhülse 31' (Fig. 8), also etwas kleiner, genau gleich oder etwas größer als diese jeweilige Masse.

Mittels des Korapensationskörpers 334 bzw. 334' lassen sich störende Einflüsse, die auf das Meßrohr 2 von außen einwirkende Beschleunigungen, z.B. in der Form von Stößen oder Vibrationen, auf das vom Piezoelement 34 bzw. 34' abgegebene Meßsignal haben können, weitgehend kompensieren.

Durch die erwähnte Bemessung der Flächenträgheitsmomente und, daraus resultierend der Massen, ergibt sich folgendes Verhalten bei von außen einwirkenden Vibrationen: Es sei angenommen, daß in Fig. 7 die Sensorfahne und der Kompensationskörper 334 in der Zeichenebene nach rechts beschleunigt werden. Wegen der größeren Masse der Sensorfahne wirkt auf sie daher eine größere Kraft als die entsprechende Kraft auf den Kompensationskörper 334.

Diese größere Kraft überträgt die Membran 33 auf den Kompensationskörper 334 in Gegenrichtung; die auf ihn wirkende resultierende Kraft ist somit nach links gerichtet, so daß der Kompensationskörper 334 sich nach links bewegt und somit trotz der Vibration nur eine kleine Durchbiegung der Membran 33 resultiert.

Die Fig. 9 und 10 zeigen schematisch im Vertikalschnitt eine zweite Ausführungsform eines Wirbelsensors 3" entsprechend der ersten bzw. zweiten Variante der Erfindung. Im Zentrum der zweiten Oberfläche einer Membran 33" ist ein erstes Ende eines Biegebalkens 36 fixiert. Dieser, die Membran 33" und eine Sensorfahne 31" sind bevorzugt einstückig ausgebildet.

Ein zweites Ende des Biegebalkens 36 ist an einer mit der Wand des Meßrohrs starr verbundenen Halterung 37, was durch eine Schraube 38 veranschaulicht ist, lösbar fixiert. Hierzu ist in den Fig. 9 und 10 der Biegebalken 36 außerhalb der Halterung 37 zwischen zwei Flanschen 371, 372, die die Halterung dort nach außen hin bildet, verschraubt.

Ein erstes Piezoelement 34" bzw. ein zweites Piezoelement 34* ist längs und auf einer ersten bzw. einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Biegebalkens 36 aufgeklebt. In Fig. 10 ist anstatt einer Sensorfahne 31" wie in Fig. 9 wieder eine Sensorhülse 31 wie in den Fig. 4 und 8 vorgesehen. Die Fig. 11 und 12 zeigen schematisch im Vertikalschnitt eine dritte Ausführungsform eines Wirbelsensors 3 entsprechend der ersten bzw. zweiten Variante der Erfindung. Im Zentrum der zweiten Oberfläche einer Membran 33* ist ein erstes Ende eines Biegebalkens 36' lösbar fixiert. Hierzu ist in den Fig. 11 und 12 dieses Ende des Biegebalken 36' zwischen zwei Flanschen 371", 372", die die Membran 33* bildet, verschraubt.

Ein zweites Ende des Biegebalkens 36' ist an einer mit der Wand des Meßrohrs starr verbundenen Halterung 37', was durch eine Schraube 38' veranschaulicht ist, ebenfalls lösbar fixiert. Hierzu ist in den Fig. 11 und 12 der Biegebalken 36' außerhalb der Halterung 37' zwischen zwei Flanschen 371', 372', die die Halterung dort nach außen hin bildet, verschraubt.

Ein erstes Piezoelement 34⁺ bzw. ein zweites Piezoelement 34⁺⁺ ist längs und auf einer ersten bzw. einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des

Biegebalkens 36' mechanisch fixiert; bevorzugt sind die beiden Piezoelemente 34⁺, 34⁺⁺ zwischen den Flanschen 371', 372' und den Flanschen 371", 372" zusammen mit dem Biegebalken 36' verschraubt. In Fig. 12 ist anstatt einer Sensorfahne 31⁺ wie in Fig. 11 wieder eine Sensorhülse 31⁺⁺ wie in den Fig. 4, 8 und 10 vorgesehen.

Claims

PAT E N TAN S PRÜ CH E

1. Wirbelstromungsaufnehmer (1) zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines in einem Meßrohr (2) in einer Strömungsrichtung fließenden Fluids

— mit einem entlang eines Durchmessers des Meßrohrs angeordneten und an mindestens einer Fixierstelle (41) mit dem Meßrohr verbundenen Staukörper ( ) , der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient,

— mit einem auf von den Wirbeln erzeugte Druckschwankungen ansprechenden Wirbelsensor (3, 3', 3", 3*), der stromabwärts vom Staukörper in eine wandseitige Bohrung (22) des Meßrohrs, diese zu dessen Mantelfläche (23) hin abdichtend, eingesetzt ist, wobei das Zentrum der Bohrung zusammen mit dem Zentrum der Fixierstelle auf einer Mantelgerade des Meßrohrs liegt, und der folgende Merkmale aufweist:

— eine die Bohrung (22) überdeckende Membran (33, 33", 33⁺) mit einer fluid-zugewandten ersten Oberfläche

(331) und einer fluid-abgewandten zweiten Oberfläche (332),

— eine an der ersten Oberfläche der Membran befestigte, biegesteife, dünne Sensorfahne (31, 31", 31⁺), die kürzer als der Durchmesser ist, mit ebenen Hauptflächen (311, 312), die mit der Mantelgerade des Meßrohrs fluchten, und

— ein mit der zweiten Oberfläche der Membran mechanisch gekoppeltes Piezoelement (34; 34'; 34", 34*; 34⁺, 34⁺⁺).

2. Wirbelstromungsaufnehmer zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines in einem Meßrohr (2') in einer Strömungsrichtung fließenden Fluids - mit einem entlang eines Durchmessers des Meßrohrs angeordneten und an mindestens einer Fixierstelle mit dem Meßrohr verbundenen Staukörper (4) , der der Erzeugung Kärmän'scher Wirbel dient und eine in Richtung dieses Durchmessers sowie durch das Meßrohr hindurch verlaufende Hauptbohrung (46) und mindestens eine die Hauptbohrung mit dem Fluid verbindende Nebenbohrung (47) aufweist,

- mit einem auf von den Wirbeln erzeugte Druckschwankungen ansprechenden Wirbelsensor (3'), der in die Hauptbohrung, die Mantelfläche des Meßrohrs gegen das Fluid abdichtend, eingesetzt ist und der folgende Merkmale aufweist:

- eine ein meßrohr-seitiges Ende der Hauptbohrung überdeckende Membran (33', 33*, 33⁺⁺) mit einer fluid- zugewandten ersten Oberfläche und einer fluid- abgewandten zweiten Oberfläche, — eine an der ersten Oberfläche der Membran befestigte, biegesteife Sensorhülse (31', 31*, 31⁺⁺) und

- ein mit der zweiten Oberfläche der Membran mechanisch gekoppeltes Piezoelement.

3. Wirbelstromungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem das Piezoelement (34)

- an der zweiten Oberfläche der Membran befestigt ist,

- auf einer membran-zugewandten Fläche eine Grundelektrode (343) und

- auf einer membran-abgewandten Fläche eine erste Elektrode (341) und eine zweite Elektrode (342) aufweist, die symmetrisch zu einer Mittelebene der Sensorfahne (31) liegen.

4. Wirbelstromungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem

- im Zentrum der zweiten Oberfläche der Membran ein erstes Ende eines Biegebalkens (36) fixiert ist, von dem ein zweites Ende an einer mit der Wand des Meßrohrs starr verbundenen Halterung (37) fixiert ist,

- ein erstes Piezoelement (34") längs und auf einer ersten Oberfläche des Biegebalkens (36) aufgeklebt ist und

- ein zweites Piezoelement (34*) längs und auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Biegebalkens aufgeklebt ist.

5. Wirbelstromungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem

- im Zentrum der zweiten Oberfläche der Membran ein erstes Ende eines Biegebalkens (36') fixiert ist, von dem ein zweites Ende an einer mit der Wand des Meßrohrs starr verbundenen Halterung (37') fixiert ist,

- ein erstes Piezoelement (34⁺) längs und auf einer ersten Oberfläche des Biegebalkens (36') mechanisch fixiert ist und

- ein zweites Piezoelement (34⁺⁺) längs und auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Biegebalkens mechanisch fixiert ist.

6. Wirbelstromungsaufnehmer nach Anspruch 3, bei dem

- die Membran (31) einen Haltering (333) aufweist,

- an dessen einem Ende die Membran fixiert ist und

- der dicker als die Membran ist, - ein auf dem Haltering sich abstützender, mit dem Meßrohr verschraubter und einen Innen-Durchmesser aufweisender Zwischenring (6) die Membran unter Zwischenlage eines Dichtrings (5) gegen die Mantelfläche (23) des Meßrohrs drückt, - auf der membran-abgewandten Oberfläche des Piezoelements (34) ein Kontaktierkörper (35) mit einer piezoelement- zugewandten ersten Oberfläche (351) und mit einer piezoelement-abgewandten zweiten Oberfläche Oberfläche (352) angeordnet ist, der

— aus einem Isoliermaterial besteht, — auf der piezoelement-zugewandten Oberfläche eine die erste Elektrode (341) kontaktierende erste Kontaktfläche (353) und eine die zweite Elektrode (342) kontaktierende zweite Kontakfläche (354) aufweist und

— auf der piezoelement-abgewandten Oberfläche eine mit der ersten Kontaktfläche elektrisch verbundene dritte

Kontaktfläche (355) und eine mit der zweiten Kontaktfläche elektrisch verbundene vierte Kontaktfläche (356) aufweist,

- auf dem Kontaktierkörper ein Druckring (7) mit einem Durchmesser, der etwas kleiner als der Innen-Durchmesser des Zwischenrings (6) ist, angeordnet ist, und

- eine auf dem Druckring sich abstützende und mit dem Zwischenring verschraubte Spannscheibe (8) den Druckring (7) gegen den Kontaktierkörper (35), diesen gegen das Piezoelement (34) und dieses gegen die Membran (33) drückt.

7. Wirbelstromungsaufnehmer nach den Ansprüchen 1, 3 und 6, bei dem

- das Piezoelement (34) und der Kontaktierkörper (35) ringförmig mit einer jeweiligen Zentralbohrung (344; 361) ausgebildet sind und

- auf der fluid-abgewandten Oberfläche der Membran (33) ein in die Zentralbohrungen ragender Kompensationskörper

(334) angeordnet ist,

- wobei das Flächenträgheitsmoment der Sensorfahne (31) an der fluid-zugewandten Oberfläche der Membran etwa gleich dem Flächenträgheitsmoment des Kompensationskörpers an der fluid-abgewandten Oberfläche der Membran gemacht ist.

8. Wirbelstromungsaufnehmer nach den Ansprüchen 2 , 3 und 6 , bei dem

- das Piezoelement und der Kontaktierkörper ringförmig mit einer jeweiligen Zentralbohrung ausgebildet sind und - auf der fluid-abgewandten Oberfläche der Membran ein in die Zentralbohrungen ragender Kompensationskörper (334') angeordnet ist,

— wobei das Flächenträgheitsmoment der Sensorhülse (31') an der fluid-zugewandten Oberfläche der Membran (33') etwa gleich dem Flächenträgheitsmoment des

Kompensationskörpers an der fluid-abgewandten Oberfläche der Membran gemacht ist.