NL1009797C2

NL1009797C2 - Inrichting voor het meten van de volumestroom van een fluïdum in een leiding.

Info

Publication number: NL1009797C2
Application number: NL1009797A
Authority: NL
Inventors: Marinus Carolus Adrianu Peters
Original assignee: Tno
Priority date: 1998-08-03
Filing date: 1998-08-03
Publication date: 2000-02-04
Also published as: WO2000008420A1; EP1102966A1; AU5200399A; ES2234280T3; DE69922663D1; EP1102966B1; JP2002522756A; US6675661B1; DE69922663T2; JP4693990B2; ATE285065T1

Description

Titel: Inrichting voor het meten van de volumestroom van een fluïdum in een leiding.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het meten van de volumestroom van een _ fluïdum in een leiding, voorzien van een in de leiding aan te brengen object, een sensor voor het bepalen van de 5 frequentie waarmee wervels optreden, die bij het omstromen van het object door het fluïdum achter het object ontstaan, en middelen om uit deze frequentie de volumestroom van het fluïdum te bepalen.

Door in de fluïdumstroom een object te plaatsen, 10 vormt zich, bij het omstromen van dit object, achter dit object een zogenaamde "Von Karman wervelstraat". Een ; dergelijke wervelstraat is afgebeeld in bijvoorbeeld Milton van Dyke, An Album of Fluid Motion (Stanford University,

California, 1982). Afhankelijk van de vorm en afmetingen ~ 15 van het object treden met een bepaalde frequentie wervels ; in het fluïdum op. In het algemeen kan deze frequentie fv _ worden weergegeven door de navolgende relatie: 20 : waarin Sr het, door de vorm van het object bepaalde _

Strouhalgetal vormt, D de diameter van het object, dat wil zeggen afstand waarover de fluïdumstroom door het object I

wordt onderbroken, en U0 de aanstroomsnelheid van het 25 fluïdum naar het object voorstelt. Door met een bekende Ü aanstroomsnelheid de frequentie van de wervels te meten, '

kan voor elk object het bijbehorende Strouhalgetal worden I

bepaald. Het Strouhalgetal blijkt over een zeker interval nagenoeg onafhankelijk van het Reynoldsgetal Re te zijn en I

30 een constante waarde te hebben; dit Reynoldsgetal staat in c 1009797 2 de navolgende relatie met de bovengenoemde aanstroom-' snelheid U0: D pUad

Re =- 7 5 waarin p de dichtheid van het fluïdum, d de diameter van de leiding waardoorheen het fluïdum wordt geleid en η de dynamische viscositeit van het fluïdum voorstelt. Binnen genoemd interval is dan ook, doordat daar het Strouhalgetal onafhankelijk is van de fluïdumdichtheid en de viscositeit 10 van het fluïdum een lineaire relatie tussen de wervel- frequentie fv en de aanstroomsnelheid U0, als hiervoor is weergegeven, aanwezig.

Wanneer de aanstroomsnelheid echter niet constant is, kunnen zich bij een dergelijke 15 volumestroommeetinrichting problemen voordoen. Door variaties in de aangeboden aanstroomsnelheid treden pulsatiefrequenties hierin op. De genoemde problemen zijn daarbij afhankelijk van de verhouding tussen de pulsatie-frequentie fp in de aangeboden aanstroomsnelheid en de 20 wervelfrequentie fv. Uit het artikel M.C.A.M. Peters c.s., Impact of pulsations on vortex flowmeters, Paper presented at FLOMEKO'98, Lund, Sweden 15-17 June 1998, blijkt dat, wanneer fv/fp < 0,4 en fv/fp > 2,5, de wervelf requentie fv een waarde blijkt aan te nemen die correspondeert met een 25 wervelfrequentie die behoort bij een ongeveer gemiddelde aanstroomsnelheid. In beide gevallen is er een eenduidige lineaire relatie tussen wervelfrequentie en aanstroomsnelheid en is laatstgenoemde grootheid te bepalen door meting van de wervelfrequentie. Wanneer daarentegen geldt 30 dat 0,4 < fv/fp < 2,5, dan doen zich echter zogenaamde "lock-in" verschijnselen voor. Onder "lock-in" wordt verstaan het binnen bepaalde grenzen gelijk blijven van de wervelfrequentie bij variaties in de aanstroomsnelheid, dat wil zeggen dat de wervelfrequentie binnen deze grenzen in 1009797 3 sterke mate worden gedomineerd door de pulsatiefrequentie in de aanstroomsnelheid. Uit genoemd artikel, in het bijzonder fig. 11 en 12, blijkt dat deze sterk door de pulsatiefrequentie gedomineerde wervelfrequenties optreden 5 bij verhoudingswaarden fv/fp van Μ, 1, 1½ en 2. Bij amplituden in de pulsatiefrequentie van ongeveer 5% van de uitstroomsnelheid, blijken de fouten in de gemeten wervelfrequentie te liggen tussen de +8% en -18%.

Dergelijke fouten leiden tot gelijke fouten in de te 10 bepalen aanstroomsnelheid. Bij een pulserende aanstroomsnelheid waarbij 0,4 < fv/fp <2,5, zijn de bekende aanstroomsnelheid-meetinrichtingen van de in de aanhef omschreven soort dan ook zeer onbetrouwbaar.

De uitvinding beoogt dit nadeel op te vangen en een 15 inrichting van de in de aanhef omschreven soort te verschaffen, waarmee ook voor willekeurige pulsaties in de aanstroomsnelheid toch een nauwkeurige bepaling van deze ~ aanstroomsnelheid mogelijk is.

Overeenkomstig de uitvinding heeft daartoe de 20 inrichting, zoals deze in de aanhef is omschreven, het kenmerk, dat ten minste twee objecten van een zodanig verschillende vorm en/of diameter aanwezig zijn, dat ten minste één van de hierdoor bepaalde wervelfrequenties ^ onafhankelijk is van een in de aanstroomsnelheid van het 25 fluïdum mogelijk optredende pulsatiefrequentie.

Door twee objecten in de leiding te plaatsen met een L

verschillende vorm en/of diameter, kan de verhouding Sr/D - voor beide objecten zodanig verschillend worden gekozen dat = voor een bepaalde pulserende aanstroomsnelheid ten minste Ë 30 een van de beide wervelfrequenties een zodanige waarde “ heeft dat de verhouding fv/fp buiten het interval (0,4, 2,5) komt te liggen. Alleen uit een dergelijke wervel- “ frequentie kan een correcte aanstroomsnelheid worden j bepaald. Hierbij dient uiteraard een sensor aanwezig te e_ 35 zijn om de pulsatiefrequentie te bepalen. De verhouding ^ fv/fp zal in vele gevallen voor beide wervelfrequenties

1009797 I

4 buiten dit interval liggen; in een dergelijke situatie zal door meting van de wervelfrequentie in elk van de beide wervelstraten dezelfde waarde voor de aanstroomsnelheid worden verkregen. Alhoewel natuurlijk meer dan twee 5 objecten in de leiding kunnen worden geplaatst, is dit in wezen overbodig en zal in de praktijk kunnen worden volstaan met slechts twee objecten.

De twee genoemde objecten kunnen achter elkaar worden aangebracht, waarbij om een onderlinge interactie 10 van de twee objecten zo klein mogelijk te houden de onderlinge afstand voldoende groot moet zijn. Een dergelijke interactie kan eveneens worden geminimaliseerd door de twee objecten kruisend in de leiding aan te brengen. Behalve achter elkaar, kunnen de twee objecten ook naast elkaar 15 zijn gelegen. Ook hier geldt, dat, om de interactie tussen de objecten zo klein mogelijk te houden, hun onderlinge afstand voldoende groot moet zijn. Daarnaast is het ook mogelijk, zeker als de diameter van de leiding groot is ten opzichte van de afmetingen van de objecten, de beide 20 objecten als één geheel uit te voeren.

: Zowel de meting van de wervelfrequentie als die van de pulsatiefrequentie geschiedt door middel van druk-sensoren welke op een geschikte plaats aan of in de wand van de leiding zijn aangebracht, alhoewel het ook mogelijk 25 is de sensoren die de wervelfrequentie bepalen in of op de respectieve objecten aan te brengen; immers, de wervels veroorzaken een op de objecten werkzame kracht, die kan worden gemeten. Voorts is het mogelijk de sensor voor het bepalen van de pulsatiefrequentie te integreren in een van 30 de sensoren of in beide sensoren voor het bepalen van de wervelfrequentie.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekening. Hierin toont: 35 Fig. IA en 1B op schematische wijze een lengte doorsnede, respectievelijk een dwarsdoorsnede van een 1Π09797 5 inrichting voor het meten van de volumestroom van een fluïdum in een leiding volgens de stand van de techniek;

Fig. 2A en 2B op schematische wijze een lengtedoorsnede, respectievelijk een dwarsdoorsnede van een 5 eerste uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting overeenkomstig de uitvinding;

Fig. 3A en 3B op schematische wijze een lengtedoorsnede, respectievelijk een dwarsdoorsnede van een tweede uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting overeen-10 komstig de uitvinding;

Fig. 4A en 4B op schematische wijze een lengtedoorsnede, respectievelijk een dwarsdoorsnede van een derde uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting overeenkomstig de uitvinding; terwijl in 15 Fig. 5A en 5B op schematische wijze een lengte doorsnede, respectievelijk een dwarsdoorsnede van een vierde uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting overeenkomstig de uitvinding is weergegeven.

Overeenkomstige delen in de figuren zijn met gelijke 20 verwijzingscijfers aangegeven.

Fig. 1 toont een leiding 1, waarin een object 2 is : aangebracht. Het object 2 strekt zich uit over de gehele diameter van de leiding 1 en heeft een driehoekige 25 doorsnede met een diameter D. Wanneer in de door de pijl P aangegeven richting een fluïdum met een aanstroomsnelheid U0 door de leiding 1 wordt geleid, dan doet zich over een Γ zekere lengte achter het object 2 een zogenaamde Von Karman ; wervelstraat 3 voor. De frequentie waarmee de wervels in ; 30 deze wervelstraat worden opgewekt, dat wil zeggen de wervelfrequentie, wordt bepaald door de vorm en de diameter ;

D van het object 2. Deze frequentie fv wordt gemeten met I

behulp van een druksensor 4 op de binnenwand van de leiding ' 1. De genoemde te bepalen aanstroomsnelheid U0 is evenredig - 35 met de wervelfrequentie fv. De evenredigheidsconstante 2 1009797 6 wordt bepaald door ijking met een bekende aanstroom-snelheid.

Zoals hiervoor reeds is uiteengezet, leidt deze constructie tot problemen als de aanstroomsnelheid gepul-5 seerd is met een pulsatiefrequentie fp> waarvoor geldt dat 0,4 < fv/fp < 2,5. Om deze reden zijn in de leiding twee objecten met verschillende vorm en/of diameter aangebracht.

In fig. 2 is in de leiding 1 een eerste object 5 met een ronde doorsnede en een diameter Dx en een tweede object 10 6 met een driehoekige doorsnede en een diameter D2 aangebracht. Beide objecten strekken zich over de gehele diameter van de leiding achter elkaar uit. De inrichting is hier voorzien van twee sensoren 7 en 8 voor het meten van de wervelfrequenties fvl en fv2 in de achter de respectieve 15 objecten optredende Von Karman wervelstraten. De vorm en diameter van de objecten 5 en 6 verschillen zodanig, dat de verhouding S^/Dj. dusdanig verschilt van de verhouding Sr2/D2, dat de wervelf requenties ten minste ongeveer een factor 6 verschillen. Srl en Sr2 zijn de Strouhalgetallen 20 van de objecten 5, respectievelijk 6. Doordat de wervel-frequenties fvl en fv2 ten minste ongeveer een factor 6 verschillen, zal altijd ten minste één van de verhoudings-waarden fvl/fp, fv2/fp buiten het interval (0,4, 2,5) zijn gelegen en dus altijd een nauwkeurige meting van een van de 25 wervelfrequenties mogelijk zijn en daarmee een nauwkeurige bepaling van de hiermee evenredige aanstroomsnelheid. Om de juiste verhoudingswaarde te kunnen selecteren, is een druksensor 9 aanwezig om de pulsatiefrequentie fp van de fluïdumstroom te kunnen bepalen. Voorts zijn middelen 10, 30 bijvoorbeeld voorzien van microprocessor, aanwezig om uit de van de druksensoren 7, 8 en 9 afkomstige signalen de aanstroomsnelheid te bepalen. Immers als maat voor de aanstroomsnelheid geldt alleen de wervelfrequentie of gelden alleen de wervelfrequenties, waarvoor de verhouding 35 tussen de wervelfrequentie en de pulsatiefrequentie buiten het interval (0,4, 2,5) is, respectievelijk zijn gelegen.

1009797

7 I

Om te voorkomen dat een interactie tussen de beide objecten 5 en 6 optreedt, waarbij de Von Karman wervelstraat achter het object 5 wordt verstoord door het object 6, dient de afstand L tussen de objecten voldoende groot te worden 5 gekozen. Uiteraard zal deze afstand afhankelijk zijn van de vorm en diameter van de objecten.

In fig. 3 is een tweede uitvoeringsvoorbeeld weergegeven van de inrichting overeenkomstig de uitvinding. De beide objecten 11 en 12 zijn hier elkaar loodrecht kruisend 10 in de leiding 1 geplaatst. Het object 11 heeft een ronde doorsnede, terwijl het object 12 een halve-cirkelvormige doorsnede heeft; beide objecten strekken zich weer over de gehele diameter van de leiding 1 uit. Door de elkaar kruisende opstelling van de objecten wordt hier een inter-15 actie tussen de beide objecten geminimaliseerd, ook al is de afstand tussen de beide objecten relatief klein. De vorm ; en diameter van de objecten verschillen ook hier weer zoveel dat evenals bij het eerste uitvoeringsvoorbeeld de : gemeten wervelfrequenties ten minste ongeveer een factor 6 ; 20 verschillen.

Fig. 4 toont twee naast elkaar in de leiding aangebrachte objecten 13 en 14. De objecten hebben een ronde, respectievelijk een driehoekige dwarsdoorsnede en een verschillende diameter en strekken zich parallel aan 25 elkaar in de leiding 1 uit. De onderlinge afstand 1 tussen 1 de objecten is zodanig groot gekozen dat een interactie ~ tussen de objecten geminimaliseerd wordt. Ook hier zijn de vorm en diameter van de beide objecten weer zodanig : verschillend dat de desbetreffende wervelfrequenties ten z 30 minste ongeveer een factor 6 verschillen. “

In de tot nu toe beschreven uitvoeringsvoorbeelden .

verschillen zowel de vorm als de diameter van de beide ” objecten. Uitvoeringen waarbij alleen de vorm of alleen de ' diameter van de objecten van elkaar verschillen zijn echter Γ 35 ook mogelijk. In fig. 5 is een voorbeeld gegeven van een : uitvoering waarbij de beide objecten dezelfde vorm hebben, 1009797 8 doch verschillen van diameter. De beide objecten 15 en 16 zijn hier naast elkaar aangebracht en vormen één geheel 17 met elkaar. De druksensoren om de wervelfrequenties te meten zijn hier eveneens naast elkaar aangebracht. Door de 5 verschillende diameter van de objecten 15 en 16 worden ook hier weer wervelfrequenties gemeten die ten minste ongeveer een factor 6 van elkaar verschillen.

De uitvinding is niet beperkt tot de hier weergegeven uitvoeringsvoorbeelden, doch omvat allerlei modifi-10 caties hierop, uiteraard voor zover deze vallen binnen de beschermingsomvang van de hiernavolgende conclusies. Het is, zoals hiervoor reeds vermeld, mogelijk de sensoren voor het bepalen van de wervelfrequenties, in plaats van in of op de wand van de leiding 1, in of op de desbetreffende ! 15 objecten aan te brengen. Eveneens is het mogelijk, zoals reeds eerder is vermeld, om de sensor voor het bepalen van de pulsatiefrequentie te integreren in een sensor voor het bepalen van de wervelfrequentie. Voorts zijn allerlei andere vormen en afmetingen dan hier weergegeven mogelijk, 20 als de gemeten wervelfrequenties maar zodanig veel van elkaar verschillen dat ten minste één van deze frequenties onafhankelijk is van een in de aanstroomsnelheid van het fluïdum mogelijk optredende pulsatiefrequentie.

1009797

Claims

1. Inrichting voor het meten van de volumestroom van een fluïdum in een leiding, voorzien van een in de leiding aan te brengen object, een sensor voor het bepalen van de frequentie waarmee wervels optreden, die bij het omstromen 5 van het object door het fluïdum achter het object ontstaan, en middelen om uit deze frequentie de volumestroom van het fluïdum te bepalen, met het kenmerk, dat ten minste twee objecten van een zodanig verschillende vorm en/of diameter aanwezig zijn, dat ten minste één van de hierdoor bepaalde 10 wervelfrequenties onafhankelijk is van een in de aanstroom-snelheid van het fluïdum mogelijk optredende pulsatie-frequentie.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een sensor aanwezig is voor het bepalen van de pulsatie- 15 frequentie, alsmede middelen om uit die wervelfrequentie(s) waarvoor geldt dat de verhouding tussen de wervelfrequentie en de pulsatiefrequentie buiten een interval (0,4, 2,5) ligt, de uitstroomsnelheid te bepalen.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, 20 dat twee achter elkaar aangebrachte objecten aanwezig zijn.

4. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat twee elkaar kruisende objecten aanwezig zijn. ;

5. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat twee naast gelegen objecten aanwezig zijn.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de twee naast elkaar gelegen objecten één geheel vormen. 1 1009797