DE2652002A1

DE2652002A1 - Stroemungsmesser

Info

Publication number: DE2652002A1
Application number: DE19762652002
Authority: DE
Inventors: Peter J Herzl
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1976-03-19
Filing date: 1976-11-15
Publication date: 1977-09-22
Also published as: FR2344817B1; US4003251A; GB1526358A; FR2344817A1

Description

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Fischer & Porter Company

One Gibraltar Plaza, Horsham, Pennsylvania, U.S.A.

Strömungsmesser

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser, insbesondere einen gegen Beschleunigungen unempfindlichen Strömungsmesser vom Wirbelströmungstyp.

In vielen industriellen Verfahren ist es erforderlich, den volumetrischen Strom von Fluiden zu messen, um verschiedene Steuerfunktionen ausführen zu können. Es ist in manchen Fällen auch notwendig, den Massenfluß der Strömung zu bestimmen. Strömungsmesser der eingangs genannten Art sind in der Lage, sowohl eine volumetrische Strömung, als auch einen Massenfluß zu messen.

Es ist bekannt, daß unter bestimmten Umständen die Anwesenheit

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eines Hindernisses in einer durchströmten Leitung periodische Wirbel in der Strömung hervorruft. Bei kleinen Reynolds-Zahlen ist die stromabwärtige Strömung wieder laminar, bei höheren Reynolds-Zahlen entstehen jedoch regelmäßige Wirbel-Muster, die bekannt sind als Karman-Wirbelschleppen. Die Periodizität, mit der Wirbel sich in einer solchen Wirbelschleppe bilden, ist eine Funktion der Strömungsrate bzw. Strömungsgeschwindigkeit. Um eine volumetrische Anzeige in eine Massenanzeige umzuwandeln, ist es dann nur erforderlich, das gemessene Volumen mit der Dichte des betreffenden Fluids zu multiplizieren.

In dem US-PS 3 888 120 besteht das Hindernis, das in einem Rohr angeordnet ist, durch das das zu messende Fluid strömt, aus einem Vorderteil, das ortsfest am Rohr befestigt ist, sowie einem hinteren Teil, das freitragend am vorderen Teil mit Hilfe eines flexiblen Trägers angebracht ist, um einen Spalt zum einfangen der Karman-Wirbel zu bilden. Da der hintere Abschnitt biegbar bzw. auslenkbar ist, wird er durch die Wirbel in mechanische Schwingungen versetzt, in einer Rate, deren Frequenz proportional zur Strömung ist.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, einen Dehnungsmesser zu verwenden, um die Auslenkung des hinteren Teiles bezüglich des ortsfesten vorderen Teiles des Hindernisses zu messen. Ein solcher Dehnungsmesser besteht aus einem Stahlträger mit einem Paar Halbleiterteile hoher Impedanz, die mit dem Träger geeignet verbunden sind. Diese Dehnungsmesser haben die Eigenschaft, daß sich ihr Widerstand bei Belastung ändert, z.B. um 0,66% bei einer Auslenkung oder Biegung von 0,025 mm an der Spitze des Dehnungsmessers, weshalb dieser sehr empfindlich ist und ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Amplitude und Frequenz von der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsrate abhängen.

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Bei den bekannten Strömungsmessern hat der relativ schwere ablenkbare Teil des Hindernisses, der an einem einzigen Träger aufgehängt ist, Bewegungsfreiheit in zwei Ebenen. Der ablenkbare Teil kann sich von einer Seite zur anderen Seite bezüglich seiner neutralen Position in einer Querebene, die hier nachfolgend als X-Ebene bezeichnet wird, bewegen. Er kann sich ferner bezüglich seiner neutralen Position auf und ab in einer axialen Ebene bewegen, die hier nachfolgend als Y-Ebene bezeichnet wird.

Der Träger wird hierbei gebogen, wenn sich der ablenkbare Teil in der X-Ebene oder in der Y-Ebene bewegt. Diese Ablenkung führt zu einer Belastung bzw. Dehnung des am Träger angebrachten Sensors, der ein Ausgangssignal erzeugt, welches das Ausmaß der Bewegung und deren Wiederholungsfrequenz darstellt.

Im normalen Betrieb verursacht die Strömung eines Fluids an einem Hindernis vorbei, eine Wirbelbildung, wodurch eine Kraft entsteht, die von einer Seite des ablenkbaren Teiles zur anderen wechselt, wodurch dieser Teil in der X-Ebene in Schwingungen versetzt wird mit einer Frequenz, die der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist.

Wenn jedoch der Strömungsmesser in einer Rohrleitung (pipe-line) installiert ist, so kann er in manchen Fällen Beschleunigungskräften ausgesetzt sein. So können beispielsweise bei Installierung des Strömungsmessers in einer solchen Rohrleitung einer großen Industrieanlage mit Schwermaschinen-Anlagen oder einer Tätigkeit, bei der Explosionen auftreten, durch die Rohrleitung Schockwellen oder andere Beschleunigungskräfte auf das Strömungsmeßgerät übertragen werden. Diese außerordentlichen Kräfte werden von dem Meßgerät aufgenommen und verursachen eine Auslenkung des biegsamen Teiles, der sich

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in einer Weise verhält, die mit der federbelasteten Trägheitsmasse eines Beschleunigungsmessers vergleichbar ist, wodurch ein Ausgangssignal erzeugt wird, das eine Funktion der Beschleunigungskräfte ist, die in der X-Ebene und der Y-Ebene angelegt werden.

Ist daher ein solcher Strömungsmesser an dem installierten Ort Beschleunigungskräften ausgesetzt, so gibt das Ausgangssignal nicht genau die Strömungsgeschwindigkeit an, da es zusammengesetzt ist und einen Beschleunigungsanteil enthält.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsmesser zu schaffen, der im wesentlichen unempfindlich gegen Beschleunigungskräfte ist, um auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen eine genaue Anzeige der Strömungsrate zu erhalten. Der Strömungsmesser soll zuverlässig und genau arbeiten und billig in der Herstellung sein.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch einen Strömungsmesser mit einem Hindernis, dessen auslenkbarer Teil freitragend an einem ortsfesten Teil mit Hilfe von oberen und unteren Trägern angebracht ist, die an den oberen und unteren Endabschnitten des auslenkbaren Teiles befestigt sind. Der obere Träger ist schwach bzw. weich und daher in der X-Ebene biegsam, die durch eine seitliche Bewegung des ablenkbaren Teiles bezüglich seiner neutralen Position definiert ist und er ist steif und nicht biegsam in der Y-Ebene, die durch eine Auf- und Abbewegung definiert ist, er ist ferner weich in Torsionsrichtung. Der untere Träger ist sowohl in der Y-Ebene als auch in der X-Ebene steif, jedoch weich in Torsionsrichtung. Der untere Träger kann daher durch den auslenkbaren Teil der Vorrichtung nicht gebogen, sondern nur verdreht werden.

Der auslenkbare Teil der Hindernis-Anordnung ist somit effektiv

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schwenkbar oder drehbar, d.h., er kann insbesondere um einen der Träger, der als Torsionsstab wirkt, vor- und zurückschwingen.

Der auslenkbare Teil hat einen relativ schweren unteren Abschnitt, während der Rest relativ leicht ist, um ein Massengleichgewicht um den unteren Träger, der eine Drehachse bildet, zu bewirken. Wenn durch das Fluid, das um das Hindernis strömt, Wirbel erzeugt werden, werden Fluid-Kräfte alternativ auf die eine und auf die andere Seite des auslenkbaren Teiles einwirken, wodurch ein Drehmoment um den unteren Torsionsstab erzeugt wird, durch das der auslenkbare Teil zum Vor- und Zurückschwingen gebracht wird.

Da einer Bewegung in der Y-Ebene beide Träger Widerstand entgegensetzen, ist das Meßgerät im wesentlichen unempfindlich gegen Beschleunigungskräfte in dieser Ebene. Da ferner der auslenkbare Teil hinsichtlich des Gewichtes um den unteren Träger ausgeglichen ist, wird durch eine Beschleunigungskraft in der X-Ebene keine Kraft auf den oberen Träger ausgeübt, der in dieser Ebene biegsam ist, d.h. das Meßgerät ist auch gegen Beschleunigungskräfte in der X-Ebene im wesentlichen unempfindlich.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 perspektivisch einen erfindungsgemäßen Strömungsmesser zeigt.

Fig. 2 zeigt die Art der in dem Strömungsmesser erzeugten Wirbel.

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Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Hinderniseinrichtung des Strömungsmesser.

Fig. 4 zeigt perspektivisch die beiden Träger, an denen das auslenkbare Element der Vorrichtung aufgehängt ist.

Fig. 5 ist ein Schnitt längs der Ebene 5-5 von Fig. 3.

Fig. 6 zeigt schematisch die auf den auslenkbaren Teil wirkenden Fluid-Kräfte.

Figuren 1 bis 3 zeigen einen Strömungsmesser mit einer Hinderniseinrichtung, einer Strömungsröhre 10, durch die das Fluid, dessen Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsrate gemessen werden soll, hindurchgeführt wird. Die Röhre 10 ist an ihrer Einlaßseite mit einem Flansch 11 mit vergrößertem Außendurchmesser versehen. Der Einlaß 11A der Röhre ist abgeschrägt oder abgerundet, um einen gleichmäßigen Strömungsübergang von der stromaufwärtigen Rohrseite her zu erhalten. Vertikal am Flansch 11 ist mit Hilfe eines Rohrstutzens 12 ein Gehäuse 13 mit einer Signal-Konditioniereinrichtung angebracht, die über den Rohrstutzen mit dem Sensor in dem Strömungsmesser gekoppelt ist. Dieser Strömungsmesser ist in einem Rohr installiert, das einen stromaufwärtigen und einen stromabwärt igen Rohrabschnitt umfaßt. Die beiden Rohrabschnitte haben komplementäre Halte-Flansche und eine kreisförmige Reihe von Löchern zur Aufnahme von Schrauben.

Das Strömungsrohr 10 wird beim Einbau in den stromabwärtigen Rohrabschnitt eingesetzt, worauf sein Flansch 11 zwischen den Halteflanschen des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen Rohrabschnittes angeordnet und zwischen diesen mit Hilfe von Schrauben gehalten wird, die die beiden Rohrflansche verbinden, eine Art Käfig bilden und an dem Flansch 11 anliegen und

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seinen Umfang umgeben, wodurch das Strömungsrohr 10 in dem stromabwärtigen Rohrabschnitt zentriert wird. Geeignete Dichtungen sind zwischen dem Flansch 11 und den Rohrflanschen angeordnet, um eine. Leckage des Fluids zu verhindern.

In dem Rohr 10 ist vertikal eine Hinderniseinrichtung montiert, die aus einem Vorderabschnitt 14 und einem Hinterabschnitt gebildet ist, wobei der Hinterabschnitt 15 freitragend am Vorderabschnitt durch einen oberen Träger 16 und einen unteren Träger 17 befestigt ist. Der Vorderabschnitt 14 ist ein Formblock mit delta-förmigem Querschnitt, der gleichbleibend längs der Längsachse des Blockes ist, wobei diese Längsachse senkrecht zur Strömungsachse des Rohres 10 verläuft. Die Enden des vorderen Abschnittes 14 sind an der Wand des Flansches 11 befestigt, so daß der vordere Abschnitt ortsfest innerhalb des Rohres gehalten ist, während der frei auskragende hintere Abschnitt 15 des Hindernisses auslenkbar ist.

Wie Fig. 2 zeigt, ist der Scheitel des vorderen Abschnittes auf das anströmende Fluid zu gerichtet, seine beiden geneigten Seiten bilden Führungskanten oder Führungsflächen für die Strömung und teilen diese, wobei eine Reihe von Wirbeln erzeugt wird, die bezüglich der Mittellinie des vorderen Abschnittes abwechseln. Wenn sich die Wirbel vom vorderen Abschnitt lösen, werden abwechselnd Bereiche niedrigen Druckes erzeugt, die von einer Seite zur anderen Seite wechseln, wodurch ein oszillierender Schub hinter dem Vorderabschnitt erzeugt wird, durch den der auslenkbare hintere Abschnitt, der an den Trägern 16 und 17 aufgehängt ist, in periodische Schwingungen versetzt wird, mit einer Frequenz, die der Geschwindigkeit des anströmenden Fluids linear proportional ist. Die Schwingung des auslenkbaren hinteren Abschnittes erfolgt um den unteren Träger 17, der als Torsionsstab wirkt, während

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die periodische Schwingung durch einen Dehnungsmesser 18 aufgenommen bzw. gemessen wird, der am oberen Träger 16 angebracht ist. Zum Dehnungsmesser oder Sensor 18 führende Leitungen L können an äußere Anschlüsse im Signal-Konditioniergerät 13 angeschlossen sein, wobei sie durch einen inneren Durchgang im vorderen Abschnitt 14 verlaufen.

Die physikalischen Eigenschaften des oberen Trägers 16 sind derart, daß dieser Träger relativ weich und daher in der X-Ebene biegsam ist, die durch eine Seitenbewegung des auslenkbaren Abschnitte 15 bezüglich seiner neutralen Aufhängeposition an der rückwärtigen Seite des ortsfesten Abschnittes definiert ist. Diese Ebene ist durch die Pfeile X in Fig. 5 angezeigt. Der obere Träger ist in der Y-Ebene steif und damit nicht biegsam, wobei diese Ebene durch eine Auf- und Abbewegung des auslenkbaren Abschnittes relativ zu seiner neutralen Position definiert ist, wie durch die Pfeile Y in Fig. 5 angezeigt. In Torsionsrichtung ist der obere Träger weich. In der Praxis werden diese Eigenschaften bevorzugt erreicht, wenn der obere Träger in Form eines einzelnen flachen Streifens aus flexiblem Metall ausgebildet ist, der vertikal orientiert ist, so daß der Streifen in der X-Ebene leicht biegsam in der Y-Ebene praktisch jedoch nicht biegsam ist. Da dieser Streifen verdrillbar ist, ist er in Torsionsrichtung weich.

Der untere Träger 17 ist steif, sowohl in Richtung der X-Ebene als auch in Richtung der Y-Ebene, er ist jedoch in Torsionsrichtung weich, so daß er nicht von einer Seite auf die andere und auch nicht auf- und abbiegbar, jedoch leicht verdrehbar ist. Diese Eigenschaften werden bevorzugt erreicht, durch einen Träger mit kreuzförmigem Querschnitt, der z.B. aus gekreuzten Streifen eines flexiblen Metalles gebildet sein kann, wobei ein Streifen vertikal und der andere horizontal ausgerichtet ist, so daß der horizontale Streifen einer Biegung des vertikalen

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Streifens in der X-Ebene und der vertikale Streifen einer Biegung des horizontalen Streifens in der Y-Ebene Widerstand entgegensetzt. Der kreuzförmige Träger kann jedoch relativ leicht verdrillt werden und er eignet sich daher als Torsionsdrehachse für den mit ihm verbundenen auslenkbaren hinteren Abschnitt 15.

Der Abschnitt 15 ist in Form eines Hohlkörpers aufgebaut und er ist in seinem unteren Bereich durch eine Masse oder ein Gewicht 15A beschwert, das z.B. aus Blei oder einem anderen schweren Material bestehen kann, während der übrige Teil des Hohlkörpers 15 relativ leicht ist. Die ungleiche Gewichtsverteilung des ablenkbaren Abschnittes 15 erfolgt derart, daß ein Massenausgleich oder Gewichtsausgleich um den unteren Träger 17 erreicht wird. Der Träger 17 wirkt als Torsionsstab und dient als Drehpunkt P, wie in Fig. 6 gezeigt, um den der auslenkbare Abschnitt 15 schwenkbar ist.

Wie Fig. 6 zeigt, wird durch die Wirbelbildung eine gleichmäßige Fluid-Kraft erzeugt, die von einer Seite des auslenkbaren Abschnittes 15 zur anderen wechselt. Wäre dieser Abschnitt an einem einzigen flexiblen Träger befestigt, wie bei bekannten Anordnungen, so würde der ablenkbare Abschnitt in seitliche Schwingungen in der X-Ebene versetzt, die synchron mit den alternierenden Fluid-Kräften auftreten.

Obwohl der obere Träger 16 eine Bewegung des Abschnittes in der X-Ebene erlaubt, widersteht der Träger 17 einer solchen Bewegung, weshalb als Folge davon ein Drehmoment erzeugt wird, durch das der Abschnitt 15 um den unteren Torsionsstab 17 vor- und zurückschwingen kann. Während der Abschnitt 15 schwingt, wird durch die diese Schwingung begleitende Biegung des oberen Trägers 16 in der X-Ebene in diesem eine Biegespannung bzw. Dehnung erzeugt, die auf den Sensor 18 übertragen wird, dessen Ausgangssignal eine Frequenz hat, die

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der Schwingungsrate entspricht.

Wenn als Folge von Stoßwellen oder anderen mechanischen Schwingungen, die über die Rohrleitung auf das Strömungsmeßgerät übertragen werden, eine Beschleunigungskraft in der Y-Ebene auftritt, so hat diese Kraft keinen Einfluß auf den Abschnitt 15, weil die Träger 16 und 17, an denen der Teil 15 aufgehängt ist, sehr steif und unbiegsam in dieser Ebene sind. Es wird daher aufgrund einer solchen Beschleunigungskraft praktisch kein Signal erzeugt. Sollte eine Restbeanspruchung in der Y-Ebene übrigbleiben, so kann diese durch entsprechende Gestaltung des Meßsystemes eliminiert werden.

Wenn andererseits eine Beschleunigungskraft in der X-Ebene auftreten sollte, so wird hierdurch der untere Träger 17 nicht gebogen, da er in dieser Ebene steif und unbiegsam ist. Aber auch der obere Träger wird nicht gebogen, obwohl er in der X-Ebene biegsam ist, da der Aufbau gewichtsausgeglichen bezüglich des unteren Trägers 17 ist, der in dieser Ebene nicht biegsam ist.

Der auslenkbare Teil der Hindernisanordnung spricht daher sehr sensibel auf Kräfte an, die von dem strömenden Fluid bzw. den sort entstehenden Schwingungen herrühren, er ist jedoch im wesentlichen unempfindlich und immun gegen Beschleunigungskräfte .

An Stelle der Messung der Bewegung des auslenkbaren Teiles mit Hilfe eines Dehnungsmessers, der auf dem biegsamen oberen Träger angebracht ist, kann die Messung auch mit Hilfe eines Torsions-Meßgerätes erfolgen, das am unteren Träger, der als Torsionsstab wirkt, angebracht ist. Ferner kann der auslenkbare Teil anstatt an der hinteren Seite des ortsfest ange-

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brachten Teiles auch vor dessen Vorderseite angeordnet werden.

Die Erfindung betrifft somit einen, gegen Beschleunigungskräfte unempfindlichen Strömungsmesser, der in einem Rohr angeordnet wird, durch das das zu messende Medium fließt, wobei an einem Hindernis periodische Wirbel entstehen, die ein ablenkbares Teil in schwingende Bewegung versetzen. Die Schwingung wird gemessen und es wird ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz proportional zur Strömungsrate des Fluids ist.

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Claims

Patentansprüche

Strömungsmesser, der gegen Beschleunxgungskräfte unempfindlich ist, mit einem Rohr, durch das das zu messende Fluid hindurchgeführt wird, einem Hindernis in diesem Rohr, durch 'das Wirbel in der Strömung ausgelöst werden, gekennzeichnet durch einen ersten Teil (14), der ortsfest in dem Rohr (10) angeordnet ist, sowie einen zweiten Teil (15), der ablenkbar an dem ersten Teil mit Hilfe eines oberen und eines unteren Trägers (16, 17) angebracht ist, ferner dadurch, daß der obere Träger (16) in einer X-Ebene biegsam ist, die durch eine seitliche Bewegung des ablenkbaren Teiles (15) bezüglich seiner neutralen Position definiert ist, und der in einer Y-Ebene steif und nicht biegsam ist, die durch eine Auf- und Abbewegung des ablenkbaren Teiles (15) bezüglich seiner neutralen Position definiert ist, daß ferner der untere Träger (17) in der X-Ebene und in der Y-Ebene nicht biegsam ist, daß beide Träger (16, 17) tordierbar sind, daß ferner die Masse des Teiles (15) bezüglich des unteren Trägers (17), der eine tordierbare Drehachse bildet, ausgeglichen ist, so daß durch in der Strömung gebildete Wirbel Kräfte alternativ auf die eine oder auf die andere Seite des ablenkbaren Teiles(15)ausgeübt und ein Drehmoment um den unteren Träger (17) erzeugt wird, derart, daß der ablenkbare Teil (15) um den unteren Träger (17) mit einer Frequenz schwenkbar ist, die von der Periodizität dieser Kräfte abhängig ist, daß ferner Einrichtungen zum Messen der Schwingung des ablenkbaren Teiles (15) vorgesehen sind, um ein die Strömungsrate bzw. Strömungsgeschwindigkeit darstellendes Ausgangssignal zu liefern.

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2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßeinrichtung ein Dehnungsmesser (18) ist, der am oberen Träger (16) angebracht ist.
3. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßeinrichtung ein Torsionsmeßgerät ist, das am unteren Träger angebracht ist.
4. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der ortsfeste erste Teil (14) auf der Vorderseite der Hindernisanordnung und der ablenkbare Teil (15) an der rückwärtigen Seite angeordnet ist.
5. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der obere Träger (16) aus einem Streifen eines flexiblen Metalles besteht.
6. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der untere Träger (17) einen kreuzförmigen Querschnitt hat und vorzugsweise aus Metallstreifen gebildet ist.
7. Strömungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der ablenkbare Teil (15) in Form eines Hohlkörpers ausgebildet und im unteren Bereich seines Innenraumes mit einem Gewicht versehen ist, um den Teil (15) bezüglich des unteren Trägers (17) hinsichtlich der Masse bzw. des Gewichtes auszugleichen.

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