WO1995018358A1

WO1995018358A1 - Wirbeldurchflussaufnehmer mit einem staukörper

Info

Publication number: WO1995018358A1
Application number: PCT/EP1994/004161
Authority: WO
Inventors: Heinz Gatzmanga; Andreas Breier
Original assignee: Endress + Hauser Flowtec Ag
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 1995-07-06
Also published as: ES2143039T3; CN1051370C; EP0686254B1; DE59409174D1; EP0686254A1; US5569859A; CN1118623A; JPH08503078A; JP2706001B2; DK0686254T3

Abstract

Zur Schaffung von Wirbeldurchflussaufnehmern mit einem erweiterten Konstanzbereich der Strouhal-Zahl zu kleinen Reynolds-Zahlen hin bei geringer Streuung und mit genauer Berechenbarkeit der Strouhal-Zahl im Bereich eines konstanten Volumendurchfluss/Wirbelablösefrequenz-Verhältnisses ist ein Staukörper (1) vorgesehen, der an diametral gegenüberliegenden Stellen mit der Innenwand eines von einem Fluid durchströmten Messrohrs (2) mit einem inneren Durchmesser D fest verbunden oder in einem in das Messrohr eingesetzten Rahmen fixiert ist und der aus einem anströmseitigen ebenen Trapezteil (11) mit einer Länge l1, mit einer Basisbreite b1 und mit einer Basisbreite b2 sowie aus einem spaltfrei anschliessenden Nachlaufteil (12) mit einem Querschnitt in Form eines Dreiecks mit einer Länge l2 und mit einer Basisbreite b3 besteht. Es gelten folgende Bemessungsgleichungen: 0,1 </= b1/D </= 0,35; 0,6 </= b2/b1 </= 0,95; 0,1 </= l1/b1 </= 0,2; 0,75 </= l2/b1 </= 1,5; 0,5.b2/b1 </= b3/b1 </= b2/b1.

Description


  
 



     Wlrbeldurchflussaufnehmer    mit einem Staukörper Die Erfindung betrifft Wirbeldurchflussaufnehmer mit einem Staukörper, mit denen nach dem Prinzip der Karman'schen Wirbelstrasse der Volumendurchfluss von wandbegrenzten Flüssigkeits-, Gas- oder Dampf strömen gemessen werden kann, welche Medien im folgenden als Fluide bezeichnet sind.



  Wird der Staukörper in der Mitte der Strömung des Fluids angeordnet, so lösen sich an beiden Seitenkanten des Staukörpers in der Strömung wechselseitig Wirbel ab. Die Frequenz der Wirbelablösung, die sogenannte Wirbelablösefrequenz, ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und somit - für wandbegrenzte Strömungen - proportional zum Volumendurchfluss.



  Die Messgenauigkeit ist wesentlich vom Staukörper abhängig, insb. von seiner Form, seinen Abmessungen und seinem Anbringungsort. Des weiteren ist davon derjenige Bereich der Reynolds-Zahl Re, in dem das Verhältnis von Wirbelablösefrequenz zu Volumendurchfluss konstant ist und der allgemein den Messbereich des Wirbeldurchflussaufnehmers bildet, sowie die die Messgenauigkeit beeinflussende Streuung der Wirbelablösefrequenz abhängig.  



  Bisher bekannte Wirbeldurchflussaufnehmer benutzen einfache Grundformen des Staukörpers, wie z.B. Zylinder, Rechteck, Dreieck, Trapez, wobei Trapez-Staukörper häufig angewendet werden.



  Mit solchen Formen des Staukörpers lässt sich jedoch nur ein Bereich konstanter Strouhal-Zahl für Reynoldszahlen Re   2    20.000, bezogen auf den Durchmesser des Messrohrs, erzielen; auch liegt die Streuung der Strouhalzahl über 1 %.



  Die Strouhal-Zahl S gibt bekanntlich den Zusammenhang von Wirbelablösefrequenz f und Strömungsgeschwindigkeit v bei gegebener Breite b des Staukörpers an: S = fb/v.



  Innerhalb optimaler Messgrenzen werden bei den obigen Staukörperformen folgende Werte für die Untergrenze   Re min    der Reynolds-Zahl und damit die Untergrenze des Messbereichs sowie für die Streuung a der Wirbelablösefrequenz f erreicht:
Staukörperform   Remin    Kreis 40.000 4,0 Rechteck 25.000 3,0 Dreieck, stumpf angeströmt 21.000 1,5 Dreieck, spitz angeströmt 28.000 2,0 Trapez 25.000 1,0 schmales Trapez 20.000 2,0 abgerundetes Trapez 25.000 3,0 T-Körper 30.000 2,0 Trapez/Trapez 20.000 2,5   In der DE-A 39 16 056 ist ferner der Querschnitt eines Staukörpers lediglich zeichnerisch ohne weitere Erläuterung dargestellt (vgl. die dortige Fig.

   4), - der als Kombinationskörper -- aus einem anströmseitigen ebenen Trapezteil --- mit einer Länge 11, --- mit einer anströmseitigen Basisbreite bl und --- mit einer abströmseitigen Basisbreite b2 sowie -- aus einem spaltfrei sich an den Trapezteil anschliessenden Nachlaufteil mit einem Querschnitt in Form eines Dreiecks mit einer Länge 12 und mit einer Basisbreite b3 besteht, - wobei folgende Bemessungsgleichungen gelten:

  :    b2/b1    = 0,66 (2')    ll/bl    = 0,20 (3')    12/bs    = 0,52 (4')    b3/b1    = 0,19 (5')
0,19 = b3/bl  <    b2/b1    = 0,66   (5||)   
0,33 = b2/2bl  >    b3/b1    = 0,19 (5"') Ferner sind auch andere Kombinationskörper aus den obigen Grundformen üblich, die in turbulenten Strömungen jedoch keine wesentliche Vergrösserung des Konstanzbereichs der Strouhal-Zahl bzw. eine Verminderung der Streuung der Wirbelablösefrequenz erbringen.



  Es besteht somit ein Problem in der obigen Messbereichsbegrenzung zu kleineren als den genannten Reynolds-Zahlen hin und in der noch zu grossen Streuung der Wirbelablösefrequenz bei den vorbeschriebenen bzw. üblichen Staukörpern.  



  Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Wirbeldurchflussaufnehmer zu schaffen, der es ermöglicht, bei geringer Streuung der Wirbelablösefrequenz einen erweiterten Konstanzbereich der Strouhal-Zahl zu kleinen Reynolds-Zahlen hin zu erreichen, und für den es im Bereich eines konstanten   Volumendurchfluss/Wirbelablösefrequenz-    Verhältnisses möglich ist, aus den Abmessungen des Staukörpers die Strouhal-Zahl mit einer Genauigkeit zu berechnen, die für Messgeräte akzeptabel ist.



  Die Erfindung, die diese Aufgabe löst, besteht daher in einem Wirbeldurchflussaufnehmer mit einem Staukörper, - der an diametral gegenüberliegenden Stellen mit der
Innenwand eines von einem Fluid durchströmten
Messrohrs mit einem inneren Durchmesser D fest verbunden oder in einem in das Messrohr eingesetzten
Rahmen fixiert ist, - der als Kombinationskörper -- aus einem anströmseitigen ebenen Trapezteil --- mit einer Länge 11, --- mit einer anströmseitigen Basisbreite bl und --- mit einer abströmseitigen Basisbreite b2 sowie -- aus einem spaltfrei sich an den Trapezteil anschliessenden Nachlaufteil mit einem Querschnitt in Form eines Dreiecks mit einer Länge 12 und mit einer Basisbreite b3 besteht, - wobei folgende Bemessungsgleichungen gelten:

  :
0,1  <  bl/D  <  0,35 (1)
0,6  <    b2/bl     <  0,95 (2)
0,1  <  ll/bl  <  0,2 (3)
0,75  <    12/bs    <  1,5 (4)    0,5.b2/b1     <  b3/bl  <    b2/b1.    (5)   Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Wirbelfrequenzsensor in den Nachlaufteil integriert, wobei der Wirbelfrequenzsensor bevorzugt in die vom Fluid   umströmten    Seiten des Nachlaufteils plan zur Oberfläche integriert ist.



  Diese bevorzugte Ausgestaltung kann in Weiterbildung mit einem piezoelektrischen Biegeschwinger als Wirbelfrequenzsensor und mit einer derartigen Befestigung des Nachlaufteils am Trapezteil versehen sein, dass die Wirbel eine Bewegung des Nachlaufteils erzeugen, wie dies an sich schon in der DD-A 256 367 beschrieben ist.



  Dabei wird der Nachlaufteil, der die auszulenkende Seite des piezoelektrischen Biegeschwingers enthält, so am Trapezteil befestigt, dass der Biegeschwinger auf kleinste Auslenkungen, hervorgerufen durch die Druckschwankungen im Verlauf der Wirbelstrasse, anspricht und eine entsprechende Piezospannung als weiterzuverarbeitendes Messsignal erzeugt.



  Bei der Erfindung erstreckt sich somit der Staukörper rohrmittig und in seiner Höhe (= z-Achse) über das gesamte Rohr oder innerhalb des erwähnten Rahmens, und er besteht aus zwei spaltfrei in Strömungsrichtung hintereinander liegenden und mittensymmetrisch zusammengefügten Teilen.



  Anströmseitig wird ein ebener, schmaler Trapezteil verwendet, der mechanisch fest und verwindungsfrei mit dem Rohr oder bei grossen Rohrdurchmessern mit einem Rahmen verbunden ist. Der Trapezteil führt durch seinen in Strömungsrichtung sich verjüngenden Querschnitt und seine begrenzte Länge 11 zu einem festen Ablösepunkt der Strömung.  



  Würde dieser Trapezteil als alleiniger Staukörper verwendet, so hätte er einen Konstanzbereich der Strouhal Zahl oberhalb von Re = 20.000 und eine Streuung a  <  2 %.



  Die Ursache für diese Streuung liegt in den sich abwechselnd an der Hinterkante bildenden Wirbeln, die sich schon im Wachstums stadium beeinflussen und somit zu einer unregelmässigen Ablösung führen können.



  Beim Wirbeldurchflussaufnehmer nach der Erfindung befindet sich deshalb ein mit der Hinterkante des Trapezteils verbundener Nachlaufteil, dessen Querschnitt sich in Strömungsrichtung gleichmässig verjüngt, also mit einem Querschnitt in Form eines Dreiecks. Dieser stetiggleichmässige Verlauf ist ausschlaggebend für eine gegenseitig ungestörte Wirbelablösung, da damit erreicht wird, dass sich die Wirbel an den Seitenkanten des Nachlaufteils bilden. Zudem ergibt sich bei Erreichen einer definierten Wirbelgrösse um die Hinterkante des Nachlaufteils herum eine Synchronisationsströmung, die die wechselseitige Ablösung stabilisiert.

 

  Bei der Erfindung ist die Wirbelablösefrequenz in einem weitaus grösserem Mass als bei Staukörpern mit stumpfer Hinterkante auschliesslich von der Strömungsgeschwindigkeit bzw. dem Volumenstrom abhängig, da aufgrund der erfindungsgemäss vorgeschriebenen Bemessung nach den obigen Gleichungen (1) bis (5) sich die mit der Wirbelfrequenz pendelnde Synchronisationsströmung um die Hinterkante einstellt.



  Somit ergibt sich, bezogen auf das Problem der Erweiterung des linearen Messbereiches und der Erhöhung der Messgenauigkeit, eine wesentlich verbesserte   Volumendurchfluss-Wirbelablösefrequenz-Charakteristik.     



  Für den erfindungsgemäss bemessenen Staukörper ist es möglich, ein Berechnungsmodell mit verbesserter Genauigkeit zur Ermittlung der Strouhal-Zahl anzugeben, das auf der Berechnung der Wirbelbildungsfläche am Staukörper unter Berücksichtigung des dreidimensionalen Strömungsprofils und der von ihm bestimmten Änderung der Wirbelgeometrie in z Richtung basiert. Diese Gleichung zur Berechnung der Strouhal-Zahl S lautet:    5 = 1,29 1,723.(b1/D) 1,29,,p[,0,28212 (1 - 0,5.b3/b1)/b1] (6)    Damit lässt sich die Strouhal-Zahl mit einem Fehler   S    2,5 % berechnen.



  Die durch die Erfindung erzielte Vergrösserung des Bereichs konstanter Strouhal-Zahl und Verringerung der Streuung der Wirbelablösefrequenz sowie die Möglichkeit der Berechnung der Strouhalzahl erweitern wesentlich die Einsatzbandbreite von Wirbeldurchflussaufnehmern.



  Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.



  Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Staukörpers nach der
Erfindung und schematisch dessen Anordnung im
Messrohr, Fig. 2 zeigt geometrische Bestimmungsgrössen des
Staukörpers, und Fig. 3 zeigt den Querschnitt des eingangs referierten, vorbeschrieben Staukörpers.  



  Die Fig. 1 verdeutlicht die Anordnung eines Staukörpers 1 in einem Messrohr 2, das den Innendurchmesser D aufweist. In Fig. la ist die x-y-Ebene und in Fig. lb die y-z-Ebene dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass die Höhe des Staukörpers 1 (= Abmessung in Richtung der z-Achse) so ausgelegt ist, dass Rohrwand und Staukörper sich spaltfrei berühren.



  Bei Rohrdurchmessern D  >  100 mm befindet sich der Staukörper bevorzugt so in einem Rahmen, dass die Kopf- und die Fussseite des Staukörpers spaltfrei mit dem Rahmen abschliessen. Diese Rahmen-Konstruktion muss vollständig im Fluidstrom angeordnet sein.

 

  Fig. 2 zeigt den aus einem Trapezteil 11 und einem Nachlaufteil 12 mit dreieckigem Querschnitt bestehenden Staukörper 1 mit seinen geometrischen Bestimmungsgrössen Länge 11 des Trapezteils 11, Länge 12 des Dreieck, anströmseitige Basisbreite bl des Trapezteils, dessen abströmseitige Basisbreite b2 und Basisbreite b3 des Dreiecks.



  Werden diese Abmessungen innerhalb der Grenzen der obigen Gleichungen gewählt, ergibt sich in vollständig ausgebildeter turbulenter Strömung mit axialsymmetrischem Strömungsprofil ein konstanter Bereich der Strouhal-Zahl über einen Reynolds-Zahlbereich von 7.500  <  Re  <  350.000.



  In diesem Bereich ist die turbulenzbedingte Streuung der Wirbelablösefrequenz  <  0,75 %.



  Die in Fig. 2 gepunktet gezeichneten Flächen 3 sind die der obigen Berechnung der Strouhal-Zahl zugrundegelegten Wirbelbildungsflächen.

Claims

Patentansprüche

1. Wirbeldurchflussaufnehmer mit einem Staukörper (1), - der an diametral gegenüberliegenden Stellen mit der Innenwand eines von einem Fluid durchströmten Messrohrs (2) mit einem inneren Durchmesser D fest verbunden oder in einem in das Messrohr eingesetzten Rahmen fixiert ist, - der als Kombinationskörper -- aus einem anströmseitigen ebenen Trapezteil (11) --- mit einer Länge 11, --- mit einer anströmseitigen Basisbreite bl und --- mit einer abströmseitigen Basisbreite b2 sowie -- aus einem spaltfrei sich an den Trapezteil anschliessenden Nachlaufteil (12) mit einem Querschnitt in Form eines Dreiecks mit einer Länge 12 und mit einer Basisbreite b3 besteht, - wobei folgende Bemessungsgleichungen gelten:

: 0,1 S b1/D S 0,35 (1) 0,6 < b2/bl < 0,95 (2) 0,1 S ll/bl S 0,2 (3) 0,75 < 12/bs < 1,5 (4) 0,5.b2/b1 < b3/b1 < b2/b (5) 2. Wirbeldurchflussaufnehmer nach Anspruch 1 mit einem Wirbelfrequenzsensor, der in den Nachlaufteil integriert ist.

3. Wirbeldurchflussaufnehmer nach Anspruch 2, bei dem der Wirbelfrequenzsensor in die vom Fluid umströmten Seiten des Nachlaufteils plan zur Oberfläche integriert ist.

4. Wirbeldurchflussaufnehmer nach Anspruch 2 mit einem piezoelektrischen Biegeschwinger als Wirbelfrequenzsensor und mit einer derartigen, Befestigung des Nachlaufteils am Trapezteil, dass die Wirbel eine Bewegung des Nachlaufteils erzeugen.