EP1379841A1 - Wirbelfrequenz-strömungsmesser - Google Patents

Wirbelfrequenz-strömungsmesser

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Publication number
EP1379841A1
EP1379841A1 EP02729873A EP02729873A EP1379841A1 EP 1379841 A1 EP1379841 A1 EP 1379841A1 EP 02729873 A EP02729873 A EP 02729873A EP 02729873 A EP02729873 A EP 02729873A EP 1379841 A1 EP1379841 A1 EP 1379841A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
vortex frequency
flow meter
vortex
sensors
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02729873A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Berberig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
H Meinecke AG
Original Assignee
H Meinecke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by H Meinecke AG filed Critical H Meinecke AG
Publication of EP1379841A1 publication Critical patent/EP1379841A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
    • G01F1/32—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/0006—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances
    • G01P13/0073—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances by using vibrations generated by the fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
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    • G01F1/32—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters
    • G01F1/3209—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters using Karman vortices
    • G01F1/3218—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters using Karman vortices bluff body design
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    • G01F1/32—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters
    • G01F1/325—Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl
    • G01F1/3259—Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl for detecting fluid pressure oscillations

Definitions

  • the present invention relates to a vortex frequency flow meter for detecting the flow rate of a liquid or gaseous medium through a pipeline according to the preamble of claim 1.
  • Vortex frequency flow meters use the regular vortex detachment on a blunt bluff body arranged in the fluid flow. There is the phenomenon that the vortices alternately detach from opposite sides of the flow area of the bluff body. This creates a so-called von-Kärmänsche vortex road, that is, the vortex remains in the flow a long way behind the bluff body before it dissolves.
  • Vortex frequency flowmeters take advantage of the knowledge that for certain bluff body profiles there is a linear dependency between the frequency of the vortex shedding and the flow velocity over a large range of the flow velocity, in other words, by detecting this frequency, the flow velocity and thus the flow rate of the Fluids are closed by the pipeline.
  • sensor means for detecting the vortex shedding or the resulting parameter changes of the flowing one also belong Fluids (eg pressure, speed, temperature) to set up a measuring arrangement with a vortex frequency flow meter.
  • the bluff body consists of a rod profile which extends diametrically in the flow cross section.
  • Examples of vortex frequency flow meters with such inflow bodies are in GB 140 12 72, US 4 206 642, US 4 285 247, DE 37 14 344 C2, DE 41 02 920 C2, US 3 979 954, EP 0 077 764, US 4,434 668, US 4 922 759, US 5 214 965, US 5 321 990 and EP 0 666 468.
  • vortex frequency flow meters with an annular bluff body were added. These have a smaller profile width compared to rod-shaped bluff bodies with the same, absolute blocking of the flow cross-section (pressure loss). This results in a higher vortex frequency with the same flow velocity, ie the measurement resolution is better in comparison with rod-shaped bluff bodies.
  • Examples of vortex frequency flow meters with an annular bluff body are described in GB 1 502 260, WO 88/04410, DE 32 20 539, DE 28 02 009, US 5 170 671, US 5 289 726, JP 560 22 963, JP 59 19 8317, JP 11 48 912, JP 11 48 913 and JP 11 48 914.
  • a vortex frequency flow meter with an annular bluff body has not yet been put into practice.
  • DE 28 02 009 describes a vortex frequency flow meter with an annular bluff body.
  • this bluff body has a rectangular cross-section, that is to say it has side faces oriented parallel to the flow and delimited by eddy separation edges in both flow directions. Chen, the cross section of the bluff body between the separation edges in and transverse to the flow direction is symmetrical. It is therefore suitable for flow measurement in both directions. Radial struts hold the bluff body concentrically in the pipeline. To detect the vertebral detachment on the bluff body are on this itself or in its environment, for. B. the tube wall, pressure or speed sensitive sensor is provided. Further information on the arrangement and design of these sensors cannot be found in DE 28 02 009.
  • GB 140 12 72 describes a vortex frequency flow meter with a rod-shaped bluff body, which also allows flow measurement in both directions. Radially and axially in the center, this bluff body has a through hole which extends from one to the other side surface of the bluff body and is closed on both sides by membranes which are flush with the side surfaces. The through hole is filled with oil so that the membranes are hydraulically connected. A piezoelectric sensor is arranged in the through hole, which detects the pressure pulses transmitted through the membranes due to the vortex detachment via the oil filling.
  • the object of the present invention is to provide a vortex frequency flow meter which not only enables measurement operation in both flow directions, but also enables simple detection of the flow direction.
  • the signal processing outlay can be reduced in a further embodiment of the invention in that the at least one sensor is assigned a second sensor which is offset in the flow direction and lies on the same flow thread.
  • the flow direction can be determined without comparison with stored frequency-amplitude pairs by directly comparing the currently measured amplitudes, the flow direction resulting from the amplitude difference.
  • the time may also be possible
  • the offset of the signals from both sensors can be used to determine the direction of flow.
  • the sensors are arranged off-center between the release edges in opposite directions, i.e. with the greatest possible distance from each other, because then the signal difference between the two flow directions is greatest.
  • microsensors are used. Due to their small dimensions, these can be placed very close to the release edges, so that on the one hand there is an optimally large distance between axially offset sensors and on the other hand a strong signal.
  • the through bores are closed on both sides by membranes which are essentially flush with the surface of the outside and inside. This prevents blockages in the through holes and cross currents through the through holes, which disturb the formation of eddies.
  • FIG. 1 is a basic sectional view of a vortex frequency flow meter installed in a pipeline with an annular bluff body and a von-Karmänschen vortex road formed behind it,
  • 9 shows a basic pressure-time diagram to illustrate the signal differences between the two flow directions
  • 10 shows a section AA according to FIG. 2 on an enlarged scale
  • FIG. 11 shows a section B-B according to FIG. 3 on an enlarged scale
  • Fig. 14 different, possible cross-sections of the bluff body.
  • Fig. 1 shows a pipeline 1, in which a vortex frequency flow meter 2 is installed.
  • This consists of an outer clamping ring 3 and an inner retaining ring 4, the retaining ring 4 being rigidly connected to the clamping ring 3 via three radial struts which are arranged at an angular distance of 120 ° and are not shown in FIG. 1.
  • Struts 5 of this type are shown in FIGS. 12 and 13, two or four struts 5 for holding the retaining ring 4 being provided here.
  • the clamping ring 3 is used to install the vortex frequency flow meter 2 in the pipeline 1 by being clamped between two flanges, not shown.
  • the flow surface 7 of the retaining ring 4 (the direction of flow is indicated by an arrow 20) is designed as a fluidly blunt surface that is perpendicular to the flow and which is inside and outside HC is limited by sharp release edges 8 and 9. At these separation edges 8, 9, ring vortices 10 and 11 alternate at the same frequency, the ring vortices 10 of larger diameter being assigned to the separation edge 8 and the ring vortices 11 of smaller diameter being assigned to the separation edge 9.
  • the retaining ring 4 Since the retaining ring 4 is held concentrically in the pipeline 1 by way of the struts, it lies on a circular isotache in the case of a fully developed pipe flow, as can be seen from the turbulent speed profile 12 shown in FIG. 1. As a result, the vortex detachment can be carried out very homogeneously, so that the ring vortices 10 and 11 are retained for a relatively long time behind the vortex frequency flow meter 2 as a so-called von-Karmänsche vortex street before they dissolve.
  • cross sections 13 have a rectangular shape.
  • Such a cross section 13 is symmetrical with respect to its two main axes 19, 22 in and transversely to the flow direction 20, 21, so that when the vortex frequency flow meter 2 flows against the flow direction 21 (FIG. 1), identical conditions occur (the vortices 10, 11 then separate from the detachment edges 8.1 and 9.1), in other words, with such a cross section, a certain inflow velocity leads to the same frequency for both inflow directions.
  • the signal processing effort remains low.
  • the sensors installed in the storage ring 4 are microsensors 16 (FIGS. 10, 11). They are only represented symbolically by circles in FIGS. 2 to 8 and 12 and 13. As already explained, the vortices that detach at the separation edges 8, 9 or 8.1, 9.1 lead to local speed and pressure fluctuations. Therefore, all measuring principles are suitable which enable these quantities or parameters dependent on them to be recorded. Examples of suitable sensors are therefore: differential pressure sensors, absolute pressure sensors, total flow resistance sensors, flow friction sensors, heat loss sensors and heat distribution sensors. These types of sensors are generally known to the person skilled in the art, so that it is also possible to implement these design principles in microtechnology, ie these known types of sensors can be miniaturized.
  • the microsensors 16 are therefore shown in FIGS. 10, 11 in a black box manner, since the measuring principle implemented with the microsensors 16 is important here, but not the exact construction thereof.
  • Differential pressure microsensors 16 are used in the selected exemplary embodiments, although the invention is not restricted to them.
  • differential pressure microsensors 16 When measuring with differential pressure microsensors 16, there are two measuring points 16.1 and 16.2, which lie on the side surfaces 17, 18 of the cross section 13.
  • the measuring points 16.1, 16.2 are connected to each other by a through hole 23.
  • the measuring points 16.1, 16.2 can be both differential pressure microsensors 16 and the let the through holes 23 act as shown in Figures 10 and 11.
  • the pressure differences on the side surfaces 17, 18 are superimposed on the through hole 23.
  • FIGS. 2 to 8 show a vortex frequency flow meter 2 installed in a pipeline 1 with a rod-shaped bluff body 4. There is a turbulent flow profile 12.
  • a sensor 16 is sufficient to detect the flow rate and the direction of flow.
  • This simplest case is shown in Figure 2.
  • This figure shows that the differential pressure microsensor 16 is arranged at the height of the tube axis and is displaced in the direction opposite to the flow direction 20, that is to say towards the separation edges 8, 9.
  • the measured pressure amplitude assuming the same flow velocities, is greater for an inflow from direction 20 than for an inflow from direction 21.
  • curve A of flow direction 20 and curve B can be assigned to the direction of flow 21.
  • FIG. 7 shows a sensor arrangement in which a third, central measuring point is added to the arrangement shown in FIG. 6. Since there is no comparison position for this central position, it is arranged centrally between the detaching edges 8.9 and 8.1, 9.1. An offset of this central measuring point in one or the other flow direction 20, 21 is also conceivable in order to maximize the signal amplitude of this measuring point for a specific main flow direction 20, 21.
  • FIG. 8 shows a bluff body 4 with four differential pressure microsensors 16 offset in pairs, the differential pressure microsensors 16 of a pair each having the same distances r Mi or r M2 from the pipe axis.
  • This arrangement like the arrangement according to FIG. 5, leads to redundancy with regard to the detection of the flow direction 20, 21.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wirbelfrequenz- Strömungsmesser zur Erfassung der Durchflussmenge eines flüssigen oder gasförmigen Mediums durch eine Rohrleitung mit einem in dieser gehalterten Staukörper, der im wesentlichen parallel zur Strömung ausgerichtete, in beiden Strömungsrichtungen von Wirbelablösekanten begrenzte Seitenflächen aufweist, wobei in mindestens einer der Seitenflächen mindestens ein Sensor zur Erfassung von sich von den Ablösekanten periodisch ablösenden Wirbeln angeordnet ist. Aufgabe der Erfindung ist es, einen derartigen Wirbelfrequenz-Strömungsmesser so weiter zu entwickeln, daB dieser nicht nur einen Messbetrieb in beiden Strömungsrichtungen, sondern darüber hinaus auch mit einfachen Mitteln eine Erfassung der Strömungsrichtung ermöglicht. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der mindestens eine Sensor (16) in Strömungsrichtung (20, 21) gesehen aussermittig zwischen den Ablösekanten (8, 8.1; 9, 9.1) angeordnet ist.

Description

Wirbelfrequenz-Strömungsmesser
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wirbelfrequenz- Strömungsmesser zur Erfassung der Durchflußmenge eines flüssigen oder gasförmigen Mediums durch eine Rohrleitung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Wirbelfrequenz-Strömungsmesser nutzen die regelmäßige Wirbelablösung an einem in der Fluidströmung angeordneten stumpfen Staukörper. Dabei besteht das Phänomen, daß sich die Wirbel alternierend von gegenüberliegenden Seiten der angeströmten Fläche des Staukörpers ablösen. Es bildet sich dadurch eine sogenannte von-Kärmänsche Wirbelstraße aus, d.h., die Wirbel bleiben noch eine ganze Strecke hinter dem Staukörper in der Strömung erhalten, ehe sie sich auflösen. Wirbelfrequenz-Strömungsmesser nutzen die Erkenntnis aus, daß für bestimmte Staukörperprofile über einen großen Bereich der Strömungsgeschwindigkeit eine lineare Abhängigkeit zwischen der Frequenz der Wirbelablösung und der Strömungsgeschwindigkeit besteht, mit anderen Worten, durch Erfassung dieser Frequenz kann direkt auf die Strömungsgeschwindigkeit und damit auf die Durchflußmenge des Fluids durch die Rohrleitung geschlossen werden. Neben einem Staukörper gehören daher auch Sensormittel zur Erfassung der Wirbelablösungen bzw. von daraus resultierenden Parameteränderungen des strömenden Fluids (z.B. Druck, Geschwindigkeit, Temperatur) zum Aufbau einer Meßanordnung mit einem Wirbelfrequenz-Strömungsmesser.
Bei den zuerst in der Literatur beschriebenen und auch zuerst kommerziell eingesetzten Wirbelfrequenz-Strömungsmessern besteht der Staukörper aus einem Stabprofil, welches sich diametral im Strömungsquerschnitt erstreckt. Beispiele für Wirbelfrequenz-Strömungsmesser mit derartigen Anströmkörpern sind in GB 140 12 72, US 4 206 642, US 4 285 247, DE 37 14 344 C2, DE 41 02 920 C2, US 3 979 954, EP 0 077 764, US 4 434 668, US 4 922 759, US 5 214 965, US 5 321 990 und EP 0 666 468 zu finden.
Später kamen dann Wirbelfrequenz-Strömungsmesser mit einem ringförmigen Staukörper hinzu. Diese haben im Vergleich zu stab- förmigen Staukörpern bei gleicher, absoluter Verblockung des Strömungsquerschnitts (Druckverlust) eine geringere Profilbreite. Daraus resultiert eine höhere Wirbelfrequenz bei gleicher AnStrömungsgeschwindigkeit, d.h., die Meßauflösung ist im Vergleich mit stabförmigen Staukörpern besser Beispiele für Wirbelfrequenz-Strömungsmesser mit ringförmigem Staukörper sind in GB 1 502 260, WO 88/04410, DE 32 20 539, DE 28 02 009, US 5 170 671, US 5 289 726, JP 560 22 963, JP 59 19 8317, JP 11 48 912, JP 11 48 913 und JP 11 48 914 zu finden. Eine Umsetzung von Wirbelfrequenz-Strömungsmessern mit einem ringförmigen Staukörper in die Praxis erfolgte bisher nicht.
In der DE 28 02 009 ist ein Wirbelfrequenz-Strömungsmesser mit einem ringförmigen Staukörper beschrieben. In einer Ausführungsform hat dieser Staukörper einen rechteckigen Querschnitt, d.h., er besitzt parallel zur Strömung ausgerichtete, in beiden Strömungsrichtungen von Wirbelablosekanten begrenzte Seitenflä- chen, wobei der Querschnitt des Staukörpers zwischen den Ablösekanten in und quer zur Strömungsrichtung symmetrisch ist. Er ist damit zur Strömungsmessung in beiden Richtungen geeignet. Radiale Streben haltern den Staukörper konzentrisch in der Rohrleitung. Zur Erfassung der Wirbelablösung am Staukörper sind an diesem selbst oder in seiner Umgebung, z. B. der Rohrwandung, druckr oder geschwindigkeitsempfindliche Meßfühler vorgesehen. Nähere Angaben zur Anordnung und Ausbildung dieser Meßfühler sind der DE 28 02 009 nicht entnehmbar.
Die GB 140 12 72 beschreibt einen Wirbelfrequenz- Strömungsmesser mit einem stabförmigen Staukörper, der ebenfalls eine Durchflußmessung in beiden Richtungen gestattet. Radial und axial mittig weist dieser Staukörper eine Durchgangsbohrung auf, die sich von einer zur anderen Seitenfläche des Staukörpers erstreckt und beidseitig durch bündig mit den Seitenflächen abschließende Membranen verschlossen ist. Die Durchgangsbohrung ist mit Öl gefüllt, so daß die Membranen hydraulisch miteinander verbunden sind. In der Durchgangsbohrung ist ein piezoelektrischer Sensor angeordnet, der die durch die Membranen aufgrund der Wirbelablösungen über die Ölfüllung übertragenen Druckimpulse detektiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wirbelfrequenz-Strömungsmesser zur Verfügung zu stellen, der nicht nur einen Meßbetrieb in beiden Strömungsrichtungen sondern darüber hinaus auch mit einfachen Mitteln eine Erfassung der Strömungsrichtung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Wirbelfrequenz- Strömungsmesser gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Allein dadurch, daß der ohnehin vorhandene und erforderliche, mindestens eine Sensor in Strömungsrichtung gesehen außermittig zwischen den Ablösekanten angeordnet ist, kann nicht nur in beiden Strömungsrichtungen gemessen, sondern zusätzlich auch noch die Strömungsrichtung erfaßt werden. Dieser Effekt resultiert daraus, daß die aus der Wirbelablösung resultierenden Parameteränderungen, z.B. des Drucks, der Temperatur und der Geschwindigkeit, aufgrund des axialen Versatzes des mindestens einen Sensors gegenüber einer mittigen Lage zwischen den Ablösekanten in beiden Strömungsrichtungen unterschiedlich sind, so daß aufgrund dieser Unterschiede die Strömungsrichtung erkannt werden kann. Mehraufwendungen hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung des Wirbelfrequenz-Strömungsmessers sowie zusätzliche Meßeinrichtungen sind bei dieser Lösung nicht erforderlich. Allerdings wird dieser Vorteil mit einer Erhöhung des Datenverarbeitungsaufwandes erkauft, indem die aktuell gemessene Frequenz und Amplitude mit unter definierten Bedingungen ermittelten Frequenz-Amplituden-Paaren verglichen wird, deren Kombinationen eindeutig einer bestimmten Strömungsrichtung zugeordnet sind.
Der Signalverarbeitungsaufwand kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch vermindert werden, daß dem mindestens einen Sensor ein zweiter, dazu in Strömungsrichtung versetzter und auf dem gleichen Strömungsfaden liegender Sensor zugeordnet ist. Bei einer derartigen Anordnung der Sensoren kann die Anströmrichtung ohne Vergleich mit abgespeicherten Frequenz- Amplituden-Paaren ermittelt werden, indem die aktuell gemessenen Amplituden direkt miteinander verglichen werden, wobei sich aus dem Amplitudenunterschied die Strömungsrichtung ergibt. Eventuell kann bei entsprechenden Verhältnissen auch der zeitliche Versatz der Signale beider Sensoren für die Ermittlung der Strömungsrichtung herangezogen werden.
Anstelle des Versatzes hintereinander in Strömungsrichtung von zwei Sensoren können diese auch über die Höhe eines stabför- migen bzw. auf den Umfang eines ringförmigen Staukörpers verteilt und in Strömungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sein. Durch diese Anordnung gesellt sich zum Vorteil des Erken- nens der Strömungsrichtung noch der Vorteil, Strömungsasymmetrien erfassen zu können. Dabei versteht es sich, daß eine Vergrößerung der Anzahl der Sensoren die Genauigkeit der Asymmetrieerfassung erhöht.
Es ist von Vorteil, wenn die Sensoren in entgegengesetzten Richtungen außermittig zwischen den Ablösekanten angeordnet sind, d.h. mit möglichst großem Abstand voneinander, weil dann der Signalunterschied beider Strömungsrichtungen am größten ist.
In dieser Hinsicht ist es in Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, wenn Mikrosensoren eingesetzt werden. Diese können auf Grund ihrer geringen Abmessungen sehr dicht an die Ablösekanten herangesetzt werden, so daß sich zum einen ein optimal großer Abstand zwischen axial versetzten Sensoren ergibt und zum anderen ein starkes Signal.
Ein weiterer Vorteil stellt sich ein, wenn in Ausgestaltung der Erfindung bei sich auf den Seitenflächen des Staukörpers gegen überliegenden Meßstellen diese über Durchgangsbohrungen miteinander verbunden sind. Dadurch addieren sich die wechselseitigen Druckabsenkungen und -erhöhungen, so daß sich im Vergleich mit Meßpunkten ohne eine derartige Verbindung eine doppelte Druckamplitude ergibt, woraus eine sehr hohe Meßempfindlichkeit resultiert. Diese Lösung ist daher insbesondere für Differenzdrucksensoren interessant.
Es ist dabei weiterhin vorteilhaft, wenn die Durchgangsbohrungen beidseitig durch im wesentlichen bündig mit der Oberfläche der Außenseite und Innenseite abschließende Membranen verschlossen sind. Verstopfungen der Durchgangsbohrungen sowie die Wirbelbildung störende Querströmungen durch die Durchgangsbohrungen werden dadurch vermieden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine prinzipielle Schnittdarstellung eines in eine Rohrleitung eingebauten Wirbelfrequenz-Strömungsmessers mit ringförmigem Staukörper und einer dahinter ausgebildeten von-Kärmänschen Wirbelstraße,
Fig. 2 - 8 prinzipielle Schnittdarstellungen eines in eine Rohrleitung eingebauten Wirbelfrequenz-Strömungsmessers mit stabförmi- gem Staukörper und verschiedenen Sensoranordnungen,
Fig. 9 ein prinzipielles Druck-Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Signalunterschiede beider Strömungsrichtungen, Fig. 10 einen Schnitt A-A gemäß Fig. 2 in vergrößertem Maßstab,
Fig. 11 einen Schnitt B-B gemäß Fig. 3 in vergrößertem Maßstab,
Fig. 12, 13 perspektivische Darstellungen von Wirbelfrequenz-Strömungsmessern mit einem ringförmigen Staukörper und verschiedenen Sensoranordnungen, und
Fig. 14 verschiedene, mögliche Querschnitte der Staukörper.
Fig. 1 zeigt eine Rohrleitung 1, in die ein Wirbelfrequenz- Strömungsmesser 2 eingebaut ist. Dieser besteht aus einem äußeren Klemmring 3 und einem inneren Stauring 4, wobei der Stauring 4 über drei radiale in einem Winkelabstand von 120° angeordnete - in Fig. 1 nicht dargestellte - Streben mit dem Klemmring 3 starr verbunden ist. Derartige Streben 5 sind in den Fig. 12 und 13 gezeigt, wobei hier zwei bzw. vier Streben 5 zur Halterung des Staurings 4 vorgesehen sind. Der Klemmring 3 dient dem Einbau des Wirbelfrequenz-Strömungsmessers 2 in die Rohrleitung 1, indem er zwischen zwei nicht weiter dargestellte Flansche eingeklemmt wird. Sein Innendurchmesser entspricht dem Innendurchmesser R0 der Rohrleitung 1, so daß dessen Innenwandung 6 durch die Innenseite des Klemmringes 3 kontinuierlich fortgesetzt wird und hier keine Verwirbelungen auftreten. Die angeströmte Fläche 7 des Stauringes 4 (die Strömungsrichtung ist durch einen Pfeil 20 angedeutet) , ist als eine strömungstechnisch stumpfe, senkrecht zur Strömung stehende Fläche ausgelegt, die innen und au- ßen durch scharfe Ablösekanten 8 und 9 begrenzt ist. An diesen Ablösekanten 8, 9 lösen sich alternierend mit gleicher Frequenz Ringwirbel 10 und 11 ab, wobei die Ringwirbel 10 größeren Durchmessers der Ablösekante 8 und die Ringwirbel 11 kleineren Durchmessers der Ablösekante 9 zuzuordnen sind. Da der Stauring 4 ü- ber die Streben konzentrisch in der Rohrleitung 1 gehalten ist, liegt er im Fall einer voll ausgebildeten Rohrströmung auf einer kreisförmigen Isotache, wie sich aus dem in Fig. 1 eingezeichneten turbulenten Geschwindigkeitsprofil 12 ergibt. Dadurch kann die Wirbelablösung sehr homogen erfolgen, so daß die Ringwirbel 10 bzw. 11 noch relativ lange hinter dem Wirbelfrequenz- Strömungsmesser 2 als sogenannte von-Kärmänsche Wirbelstraße erhalten bleiben, ehe sie sich auflösen.
Bei den in den Ausführungsbeispielen gewählten stab- und ringförmigen Staukörpern 4 haben deren Querschnitte 13 Rechteckform. Ein derartiger Querschnitt 13 ist zu seinen beiden Hauptachsen 19, 22 in und quer zur Strömungsrichtung 20, 21 symmetrisch, so daß bei einer Anströmung des Wirbelfrequenz- Strömungsmessers 2 entgegen der Strömungsrichtung 21 (Fig.l) sich identische Verhältnisse einstellen ( Die Wirbel 10, 11 lösen sich dann von den Ablösekanten 8.1 und 9.1 ab), mit anderen Worten, bei einem derartigen Querschnitt führt eine bestimmte Anströmgeschwindigkeit für beide Anströmrichtungen zur gleichen Frequenz. Trotz der Möglichkeit der Volumenstrommessung in beide Richtungen bleibt hierdurch der Signalverarbeitungsaufwand gering.
In Fig. 14 sind beispielsweise weitere Querschnitte 13 der Staukörper 4 dargestellt, die eine Messung in beiden Strömungsrichtungen gestatten. In den unten stehenden Erläuterungen wird exemplarisch an einem rechteckigen Querschnitt (Fig. 14.2, 14.3) festgehalten, wobei diese Ausführungen natürlich auch für die anderen Querschnitte gelten.
Bei den in den Stauring 4 eingebauten Sensoren handelt es sich um Mikrosensoren 16 (Fig. 10, 11) . Sie sind in den Figuren 2 bis 8 und 12 und 13 lediglich symbolisch durch Kreise dargestellt. Wie schon erläutert, führen die sich an den Ablösekanten 8, 9 bzw. 8.1, 9.1 ablösenden Wirbel zu lokalen Geschwindig- keits- und Druckschwankungen. Daher sind alle Meßprinzipien geeignet, die eine Erfassung dieser Größen bzw. von diesen abhängigen Parametern ermöglichen. Beispiele für geeignete Sensoren sind daher: Differenzdrucksensoren, Absolutdrucksensoren, Strö- mungsgesamtwiderstandssensoren, Strömungsreibungssensoren, Wärmeverlustsensoren und Wärmeverteilungssensoren. Diese Sensorentypen sind dem Fachmann allgemein bekannt, so daß auch eine Umsetzung dieser Konstruktionsprinzipien in die Mikrotechnik möglich ist, diese bekannten Sensortypen also miniaturisierbar sind. Die Mikrosensoren 16 sind daher in den Fig. 10, 11 in Black-Box-Art dargestellt, da es hier auf das mit den Mikrosensoren 16 verwirklichte Meßprinzip, nicht aber auf deren exakte Konstruktion ankommt.
Bei den gewählten Ausführungsbeispielen kommen Differenz- druck-Mikrosensoren 16 zum Einsatz, obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Bei der Messung mit Differenzdruck- Mikrosensoren 16 liegen zwei Meßpunkte 16.1 und 16.2 vor, die auf den Seitenflächen 17, 18 des Querschnitts 13 liegen. Die Meßpunkte 16.1, 16.2 sind durch eine Durchgangsbohrung 23 miteinander verbunden. Bei den Meßpunkten 16.1, 16.2 kann es sich sowohl um Differenzdruck-Mikrosensoren 16 als auch um die Aus- lasse der Durchgangsbohrungen 23 handeln, wie in den Figuren 10 und 11 dargestellt. Über die Durchgangsbohrung 23 werden die Druckunterschiede auf den Seitenflächen 17, 18 überlagert. Da infolge der alternierenden Ablösung der Wirbel einem Druckanstieg auf der einen Seite 17, 18 ein ungefähr gleich großer Druckabfall auf der anderen Seite 18, 17 gegenübersteht, kommt es zu einer Verdoppelung der Signalamplitude, d.h., zu einer großen Meßsignalverstärkung, wodurch die Meßempfindlichkeit wesentlich erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Anordnung von Sensoren zur Erfassung der Strömungsrichtung wird nachstehend anhand der Figuren 2 bis 8 näher erläutert. Diese Figuren zeigen einen in eine Rohrleitung 1 eingebauten Wirbelfrequenz-Strömungsmesser 2 mit einem stabförmigen Staukörper 4. Es liegt ein turbulentes Strömungsprofil 12 vor.
Zur Erfassung der Duchflußmenge und der Strömungsrichtung ist im Prinzip ein Sensor 16 ausreichend. Dieser einfachste Fall ist in Figur 2 dargestellt. Aus dieser Abbildung geht hervor, daß der Differenzdruck-Mikrosensor 16 in Höhe der Rohrachse angeordnet und entgegen der Strömungsrichtung 20, also zu den Ablösekanten 8, 9 hin verschoben ist. Bei dieser Anordnung ist die gemessene Druckamplitude, gleiche Strömungsgeschwindigkeiten vorausgesetzt, bei einer Anströmung aus Richtung 20 größer als bei einer Anströmung aus Richtung 21. Dieser Sachverhalt ist in dem Diagramm gemäß Figur 9 dargestellt, in dem die Kurve A der Strömungsrichtung 20 und die Kurve B der Strömungsrichtung 21 zuzuordnen ist. Da aber einem Amplitudenwert zwei Frequenzen, d.h. zwei Geschwindigkeiten, nämlich in Strömungsrichtung 20 o- der 21, zugeordnet werden können, ist die Amplitude allein nicht hinreichend, um auf die Strömungsrichtung 20, 21 schließen zu können. Hinzu kommen muß noch ein Kennfeld von unter definierten Bedingungen ermittelten Frequenz-Amplituden-Paaren, mit denen die aktuell gemessenen Werte verglichen werden. Bei der Anordnung mit nur einem versetzten Sensor 16 erhöht sich also der Datenverarbeitungsaufwand.
Dieser Aufwand wird mit einer Anordnung gemäß Fig. 3 vermieden. Hier sind zwei Differenzdruck-Mikrosensoren 16 vorgesehen, die auf gleicher Höhe, in diesem Fall auf Höhe der Rohrachse, liegen. Beide Differenzdruck-Mikrosensoren 16 sind gleichermaßen gegenüber der Hauptachse 19 des Querschnitts 13 zu den Ablösekanten 8, 8.1 bzw. 9, 9.1 verschoben (Fig. 11). Dieser Versatz der Sensoren 16 entgegen der beiden Strömungsrichtungen 20, 21 erhöht die Sicherheit der Richtungserkennung und verringert vor allem den Datenverarbeitungsaufwand, da ein Vergleich der Signalamplituden direkt durchgeführt werden kann (Fig. 9) , ohne auf ein gespeichertes Kennfeld, wie bei der Anordnung gemäß Fig. 2 zurückgreifen zu müssen. Ein weiterer Vorteil gegenüber dieser Anordnung liegt in der Erhöhung der Meßredundanz.
Eine Erhöhung der Meßredundanz gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 2 wird auch durch eine Sensorverteilung nach Fig. 4 erreicht. Hier sind zwei Differenzdruck-Mikrosensoren 16 in gleicher Richtung, nämlich zu den Ablösekanten 8, 9 hin, um gleiche Weglängen versetzt, wobei der Abstand rM der Sensoren 16 zur Rohrachse gleich ist. Neben der Erfassung der Durchflußmenge und der Strömungsrichtung 20, 21 besteht mit dieser Anordnung die Möglichkeit, Strömungsasymmetrien zu erfassen, wenn ein entsprechender Datenverarbeitungsaufwand betrieben wird. Hinsichtlich der Erkennung der Strömungsrichtung 20, 21 besteht der gleiche Nachteil wie bei der Sensoranordnung gemäß Fig. 2. Dieser Nachteil kann aber analog zu der Lösung gemäß Fig. 3 durch eine Verdoppelung der Sensoren 16 abgestellt werden, was in Fig. 5 dargestellt ist.
Dieser Nachteil ist aber auch durch eine einfachere, in Fig. 6 dargestellte Lösung vermeidbar. Hier sind zwei im gleichen Abstand rM von der Rohrachse angeordnete Differenzdruck- Mikrosensoren 16 in entgegengesetzten Richtungen versetzt angeordnet. Da sie bei symmetrischer Anströmung aufgrund des gleichen Abstandes zur Rohrachse gleiche lokale Strömungsgeschwindigkeiten, d.h. Frequenzen detektieren, entspricht diese Anordnung, was die Erfassung der Strömungsrichtung 20, 21 betrifft, der Sensoranordnung gemäß Fig. 3, bietet aber demgegenüber den Vorteil, Strömungsasymmetrien erfassen zu können.
Es versteht sich, daß durch eine Erhöhung der Anzahl von ü- ber die Höhe des Staukörpers 4 verteilten Sensoren 16 die Genauigkeit der Asymmetrieerfassung erhöht wird. Fig. 7 zeigt eine Sensoranordnung, bei der zu der in Fig. 6 dargestellten Anordnung eine dritte, mittige Meßstelle hinzukommt. Da es zu dieser mittigen Position keine Vergleichsposition gibt, ist diese mittig zwischen den Ablösekanten 8,9 und 8,1, 9,1 angeordnet. Ein Versatz dieser mittigen Meßstelle in die eine oder andere Strömungsrichtung 20, 21 ist ebenfalls denkbar, um die Signalamplitude dieser Meßstelle bei einer bestimmten Haupt- Strömungsrichtung 20, 21 zu maximieren.
In Fig. 8 ist ein Staukörper 4 mit vier paarweise versetzten Differenzdruck-Mikrosensoren 16 gezeigt, wobei die Differenz- druck-Mikrosensoren 16 eines Paares jeweils gleiche Abstände rMi bzw. rM2 von der Rohrachse haben. Diese Anordnung führt, wie die Anordnung gemäß Fig. 5 auch, zu einer Redundanz bezüglich der Erkennung der Strömungsrichtung 20, 21.
Als weitere Variante eines Meßstellenversatzes ist denkbar, alle Meßstellen unterhalb der Rohrachse in eine Richtung und alle Meßstellen oberhalb der Rohrachse in die andere Richtung zu versetzen.
Die Fig. 12 und 13 zeigen Wirbelfrequenz-Strömungsmesser 2 mit ringförmigen Staukörpern 4, deren Sensoranordnung mit der gemäß Fig. 6 bzw. 8 vergleichbar ist. Das zu den stabförmigen Staukörpern 4 Gesagte gilt daher entsprechend.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Wirbelfrequenz-Strömungsmesser zur Erfassung der Durchflußmenge eines flüssigen oder gasförmigen Mediums durch eine Rohrleitung (1) mit einem in dieser gehalterten Staukörper (4), der im wesentlichen parallel zur Strömung ausgerichtete, in beiden Strömungsrichtungen (20, 21) von Wirbelablosekanten (8, 8.1; 9, 9.1) begrenzte Seitenflächen (17, 18) aufweist, wobei der Querschnitt des Staukörpers (4) zwischen den Ablösekanten (8, 8.1; 9, 9.1) in und quer zur Strömungsrichtung (20, 21) im wesentlichen symmetrisch ist und in mindestens einer der Seitenflächen (17, 18) mindestens ein Sensor (16) zur Erfassung von sich von den Ablösekanten (8, 8.1; 9, 9.1) periodisch ablösenden Wirbeln (10, 11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Sensor (16) zur Erfassung der Strömungsrichtung (20, 21) in Strömungsrichtung (20, 21) gesehen außermittig zwischen den Ablösekanten (8, 8.1; 9., 9.1) angeordnet ist.
2. Wirbelfrequenz-Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper (4) stab-, ring- oder mindestens teilringförmig ist.
3. Wirbelfrequenz-Strömungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem mindestens einen Sensor (16) ein zweiter, dazu in Strömungsrichtung (20, 21) versetzter und auf dem gleichen Strömungsfaden liegender Sensor (16) zugeordnet ist.
4. Wirbelfrequenz-Strömungsmesser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei über die Höhe des stabförmigen bzw. auf den Umfang des mindestens teilringförmigen Staukörpers (4) verteilte und in Strömungsrichtung (20, 21) gegeneinander versetzte Sensoren (16) vorgesehen sind.
5. Wirbelfreqenz-Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (16) paarweise versetzt sind und der Abstand der Sensoren (16) eines Paares von der Rohrachse gleich ist.
6. Wirbelfrequenz-Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (16) in entgegengesetzten Richtungen außermittig zwischen den Ablösekanten (8, 8.1; 9, 9.1) angeordnet sind.
7. Wirbelfrequenz-Strömungsmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei sich auf den Seitenflächen (17, 18) des Staukörpers (4) gegenüberliegenden Meßstellen (16.1, 16.2) diese über eine Durchgangsbohrung (23) miteinander verbunden sind.
8. Wirbelfrequenz-Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsbohrungen (23) beidseitig durch im wesentlichen bündig mit der Oberfläche der Seitenflächen (17, 18) abschließende Membranen verschlossen sind. Wirbelfrequenz-Strömungsmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (16) Mikrosensoren sind.
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