DE3886946T2

DE3886946T2 - Turbulenzsensor mit taumelnd gelagerter zunge.

Info

Publication number: DE3886946T2
Application number: DE88908623T
Authority: DE
Inventors: Gary Corpron; Lowell Kleven
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1987-09-15
Filing date: 1988-09-12
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2008-09-13
Also published as: AU3255289A; JPH03500206A; EP0377663A1; KR960015060B1; CA1321481C; EP0377663B1; CN1032861A; CN1023658C; US4926695A; ES2010601A6; AU616499B2; JP2709618B2; EP0377663A4; WO1989002580A1; DE3886946D1; KR890702001A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Turbulenzströmungsmesser und insbesondere auf einen Sensor für die Verwendung mit einem Turbulenzströmungsmesser, bei dem ein Stab verwendet wird, der durch Schwenken oder Schwingen, ansprechend auf durch Wirbel erzeugte Differenzdrücke auf eine Fühlmembran, ein strömungsbezogenes Ausgangssignal erzeugt.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Es sind verschiedene Turbulenzströmumgsmesser entwickelt worden, die Differenzdruck erfassen und nach dem Prinzip arbeiten, daß ein stumpfer Körper oder Stab, den man in eine Fluidströmung setzt, zur Erzeugung von Wirbeln abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten des stumpfen Körpers führt, was Druckveränderungen stromabwärts des Stabs mit sich bringt. Man hat herausgefunden, daß die Frequenz des Wirbelwechsels direkt proportional ist zur Fließgeschwindigkeit in der Strömung für einen bestimmten Stabaufbau. Es sind Doppelmembran-Differenzdrucksensoren, die mit Wirbelwechsel erzeugenden stumpfen Körpern verwendet werden, entwickelt worden, wie im US-Patent Nr. 4 475 405 gezeigt. Auslenkungen der Membran führen wiederum zu einem Verbiegen eines Erfassungsstabs. Man hat erkannt, daß Doppelmembran-Sensoren empfindlich sind für Schwankungen des statischen Leitungsdrucks, wenn die Membranen nicht genau zusammenpassen und unter dem Einfluß des statischen Drucks nicht zusammenbleiben. Dies hat praktische Grenzen. Es wurden Doppelmembran-Systeme mit einer Zwischenfluidfüllung verwendet, aber Probleme beim Hochtemperaturbetrieb begrenzen die Leistung. Einzelne Membranen hierfür sind unpraktisch, denn die Verwendung von Sensoren auf einer einzelnen Membran würden es erforderlich machen, die Sensoren dem erfaßten Fluid auszusetzen, und die meisten Fluids in industriellen Verfahren beschädigen Sensoren.
Die US-A-1 215 135 (Fisher) offenbart eine Anordnung zur Anzeige von Fluidströmung in einem Rohr oder einem Durchlaß. Die Anordnung weist einen Metallstreifen auf, der innerhalb einer Kerbe auf einem unteren Ende eines Stabs angebracht ist. Der Stab ragt durch das Rohr nach vorne, wobei sich der Metallstreifen und der Stababschnitt im Fluidweg befinden. Die im Metallstreifen entstehenden Schwingungen werden durch das äußere Ende des Stabs übertragen, wo Vorrichtungen zur Anzeige der Periodizität dieser angebracht sind.
Die US-A-4 679 445 (Knudsen et al.) offenbart einen Sensor für einen Strömungsmesser zur Turbulenzerfassung. Der Sensor umfaßt einen Stab, der über eine separate flexible Membran zwischen einem Wirbelerzeugungsabschnitt und einem Sensorabschnitt gekoppelt ist. Die Membran ist zwischen einem Sensorgehäuse und einem Meßgehäuse angebracht, um den Sensorraum vom Fluid in der Kammer zu isolieren und sie weist eine geeignete Vorrichtung auf, um die notwendigen Abdichtungen dazwischen zu erreichen.
Die US-A-4 627 295 (Matsubara et al.) offenbart einen Strömungsmesser zur Turbulenzerfassung mit einem Körper, der eine Wirbelfolge ablöst, wenn Fluid, das sich durch ein Rohr bewegt, daran vorbeifließt. Eine Druckaufnahmeplatte (etwas ähnliches wie eine einzelne Fühlmembran), die an einem unteren Ende eines Rohres angebracht ist und durch dieses abgestützt wird, befindet sich in einer Druckerfassungskammer, die innerhalb des Körpers ausgebildet ist. Ein Fühlelement, das starr in der Bohrung des Rohres angebracht ist, weist eine Füllung zur Abstützung eines Paar von Biegelementen auf. Die Biegeelemente liefern ein elektrisches Ausgangssignal, das die Frequenz der Schwingung oder Auslenkung der Platte angibt.
Einen Maßstab für die Fähigkeit eines Sensors, Veränderungen des statischen Drucks abzuweisen, nennt man das Gleichtakt- Abweisungsverhältnis. Dieses ist als das Verhältnis des Sensorausgangssignals pro Einheit Differenzdruck zum Ausgangssignal des Sensors pro Einheit des (statischen) Gleichtakt- Drucks definiert. Dieses Verhältnis sollte sehr groß sein, vorzugsweise größer als 2000.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist dafür konstruiert, Probleme zu bewältigen, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, insbesondere mit der Verwendung einer einzelnen Erfassungsmembran, z.B. Verstopfung, Herstellungsschwierigkeiten, Korrosion, Spannungsprobleme.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Ein derartiger Sensor für einen Wirbelströmungsmesser, der einen stumpfen Körper oder Stab in einer Fluidströmung aufweist, die auf dessen gegenüberliegenden Seiten Wirbel bildet, und insbesondere ein Sensor ist vorgesehen, der einen Differenzdrucksensor mit einer einzelnen Membran aufweist, der stromabwärts des Stabs angebracht ist, um Druckveränderungen auf dessen gegenüberliegenden Seiten zu erfassen, die durch das Ablösen von Wirbeln vom Stab verursacht werden. Die einzelne Erfassungsmembran ist mit einem Fühlstab verbunden, der so angebracht ist, daß er wie ein Schwenkhebel auf einem Befestigungsgefüge, das Teil einer Abdichtwand des Strömungsmesser ist, schwenkt. Eine Oberfläche auf der Innenseite einer Kammer wird ausgelenkt, wenn der Fühlstab schwenkt. Die Oberfläche ist ein isolierter Stellgliedabschnitt des Stabs. Dieser Stellgliedabschnitt bewegt sich dann während der Schwenkbewegung des Fühlstabs von Seite zu Seite, wenn sich die einzelne Erfassungsmembran aufgrund der darauf wirkenden Druckdifferenzen quer bewegt. Die Bewegung des Stellgliedabschnitts auf der Außenseite der Fließströmumg wird auf herkömmliche Weise erfaßt und die Frequenz der Stabauslenkungen in entgegengesetzte Richtungen von einer Bezugsposition gibt die Fließgeschwindigkeit in der Fließströmung an.
Der vorliegende Sensor ist besonders geeignet für die Erfassung von einer breiten Palette von Strömumgen und er ist insbesondere nützlich für die Erfassung langsamer Strömungen, die für sehr niedrige Druckdifferenzen sorgen. Der Sensoraufbau zeigt ein hohes Gleichtakt-Abstoßverhältnis, d.h. er ist relativ unempfindlich für Veränderungen bei den statischen Drükken, aber er erfaßt leicht durch Wirbel erzeugte geringe Druckdifferenzen.
Die empfindliche Fühlvorrichtung und die elektrischen Verbindungen sind vom Verfahrensfluid isoliert und die Fühlvorrichtung kann auch geeicht, ersetzt und anderweitig gewartet werden, ohne daß das Verfahren abgebrochen werden muß.
Vorzugsweise werden piezoelektrische Fühlelemente als Bewegungserfassungsvorrichtung der Oberfläche verwendet, die durch den Schwingstab in der Fluidströmumg betätigt werden, obwohl auch andere Verfahren oder Fühlelemente eingesetzt werden können, um die Bewegung oder die durch den schwingenden oder schwenkenden Fühlstab erzeugte Kraft zu messen. Derartige Fühlelemente können Dehnungsmesser, optische Sensoren, Magnetfeldsensoren oder kapazitive Sensoren umfassen. Piezoelektrische Vorrichtungen sind einfach, benötigen keinen Strom für den Betrieb, sind in der Lage, sehr geringe Bewegungen festzustellen und können ebenso bei hohen Temperaturen arbeiten.
Der Sensor kann beschleunigungskompensiert sein, und für den Betrieb bei hohen Temperaturen werden nur wenige Hochtemperatur-Werkstoffe benötigt, denn die empfindlichen Werkstoffe sind nicht in direktem Kontakt mit dem erfaßten Fluid. Der Standort des Sensor kann relativ leicht abgeschirmt werden, wodurch elektrische Rauschprobleme vermieden werden. Der Sensor kann ersetzt oder gewartet werden, ohne daß das Verfahren gestoppt werden muß, weil er nicht benetzt ist und keine druckbeaufschlagten Leitungsdichtungen für die Wartung geöffnet werden. Die Anzahl der verwendeten Teile wird so gering wie möglich gehalten, und die Membran und andere sich bewegende Bauteile arbeiten auf geringen Belastungsniveaus, um für eine lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu sorgen. Weiterhin besitzt die einzelne Membran die Fähigkeit, über einen großen dynamischen Bereich zu arbeiten und somit eine Vielzahl von Strömumgen zu erfassen. Da der Sensor einstückig, ohne Schweißen, hergestellt werden kann, werden die Korrosions- und Spannungsprobleme so gering wie möglich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines Turbulenzströmungsmessers mit einem erfindungsgemäßen Sensor, der im allgemeinen entlang der Linie 1 -- 1 in Fig. 2 stromabwärts gerichtet ist, der teilweise im Schnitt und teilweise aufgebrochen dargestellt ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Sensors entlang der Linie 2 -- 2 in Fig. 1;
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht im wesentlichen entlang derselben Linie wie Fig. 2, die Einzelheiten des vorliegenden Sensors zeigt;
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4 -- 4 in Fig. 3;
Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5 -- 5 in Fig. 3;
Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie 6 -- 6 in Fig. 3;
Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie 7 -- 7 in Fig. 3;
Fig. 8 eine vertikale Schnittansicht einer abgänderten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors, die eine andere Befestigungsart zeigt;
Fig. 9 eine vertikale Schnittansicht einer weiter abgänderten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Anordnung zur Verringerung der Beschleunigungsempfindlichkeit zeigt;
Fig. 10 eine Seitenansicht eines Bewegungskopplungselements zur Bewegungsübertragung von einem Schwingstab auf einen Sensor entlang der Linie 10 -- 10 in Fig. 9; und
Fig. 11 eine Ansicht eines Sensors entlang der Linie 11 -- 11 in Fig. 9.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Einen Strömungsmesser für die Wirbelablösung zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das eine Fluidströmung anzeigt, ist im allgemeinen mit 10 bezeichnet. Der Strömungsmesser 10 ist in einer Spule 11 angebracht, die einen Abschnitt einer Fließleitung ausbildet, und er ist mit einer Leitung oder einem Rohr 12 verbunden, das eine Strömung von Verfahrensfluid führt, dessen Volumen gemessen werden soll. Das Fluid fließt durch einen mittleren Leitungsdurchlaß 13 des Rohres. Die Spule 11 weist einen passenden oder etwas kleineren Strömungsdurchlaß 14 auf und ist mit dem Rohr 12 unter Verwendung einer Dichtung 15 an ihren gegenüberliegenden Enden normal verbunden. Ein Flansch 16 auf dem Rohr 12 kann zum Festklemmen der Spule 11 eingesetzt werden, wobei geeignete Befestigungselemente, wie z.B. Schraubbolzen verwendet werden, die im allgemeinen mit 17 bezeichnet sind.
Eine Gehäuseanordnung 20 ist Teil des Strömungsmessers 10 und wird zur Anbringung eines Wirbel erzeugenden stumpfen Körpers oder Stabs verwendet, der im allgemeinen mit 19 bezeichnet ist und der sich quer über die Leitungsöffnung 14 erstreckt, wie in Fig. 4 zu sehen ist, und er umfaßt einen Kopfabschnitt 21, der eine vordere, im allgemeinen ebene oder stumpfe Fläche 22 umfaßt, die im allgemeinen senkrecht zur Strömungsrichtung ist, die durch den Pfeil 23 in Fig. 1 dargestellt ist. Der Wirbel ablösende Stab umfaßt weiterhin einen mittleren Steg- oder Körperabschnitt 24 und einen Rand 25. Der Körper ist zur Erzeugung einer Reihe von stabilen und strömumgsbezogenen Wirbel konstruiert, die durch die Linien 26 dargestellt sind. Die Wirbel werden abwechselnd von den lateralen oder Seitenkanten des Kopfes 21 des Stabs 19 abgelöst. Die erzeugten Wirbel wechseln bekanntlich von gegenüberliegenden Kanten des Kopfes 21 mit einer Frequenz, die eine Funktion der Geschwindigkeit der Fluidströmung vorbei am Stab 19 ist. Die Wirbel fließen stromabwärts vorbei am Steg- oder mittleren Körperabschnitt.
Wenn die Wirbel wechseln, ist der Druck auf gegenüberliegenden Seiten des mittleren Steg- oder Körperabschnitts 24 abwechselnd hoch und niedrig, so daß sich Druckdifferenzen auf gegenüberliegenden Seiten des mittleren Körperabschnitts ergeben, die durch Übergang der Wirbel verursacht werden.
Das Gehäuse 20 liegt an einem Stützzapfen 30 an dessen entferntem Ende an, der zur Abstützung des Körpers 19, einschließlich der Abschnitte 21, 24 und 25 im Strömumgsrohr oder der Spule 11 verwendet wird, und dieser Zapfen wird durch geeignete Befestigungselemente 31 ortsfest gehalten. Das Gehäuse 20 umfaßt auch ein Kopfelement 32, das sich auf einer vom Stützzapfen 30 gegenüberliegenden Seite der Spule 11 befindet, so daß das Gehäuse im Durchlaß 14 und somit in der Fließströmung sehr stabil abgestützt ist. Geeignete Dichtungen 32A, 30A werden zur Abdichtung des Gehäuses und der Spule verwendet. Alternativ könnte anstelle der Dichtungen 30A, 32A geschweißt werden.
Ein oberer Abschnitt 34 des mittleren Stegs oder Körpers 24, angrenzend an den Kopf 32, ist in der dünnen Fühlmembran 35 augebildet, die mit dem Kopf 21 des Stabs 19 an der vorderen Kante der Membran und mit den Abschnitten des Körpers entlang seiner Umfangskanten einstückig ist. Die Fühlmembran 35 ist wesentlich dünner als der Hauptabschnitt des mittleren Stegabschnitts 24. Wenn das Fluid am Kopf 21 vorbeifließt, der die Wirbel ablöst, wird über den Übergang ein oszillierender Differenzdruck gelegt und dies beeinflußt die Fühlmembran 35. Die Fühlmembran 35 wird durch die Druckdifferenzen beeinflußt, die durch die Wirbel 26 (Fig. 4) verursacht werden, die abwechselnd von dem stumpfen Körper 19 abgelöst werden, was dazu führt, daß Seiten der Fühlmembran 35 dazu neigen, ausgelenkt zu werden, wie durch den Doppelpfeil 27 in Fig. 5 dargestellt.
Ein schwingender oder schwenkender Fühlstab 36 ist einstückig mit dem mittleren Abschnitt der ausgelenkten Fühlmembran 35 verbunden, wie aus den Fig. 3, 4 und 5 vielleicht am besten ersichtlich ist. Man sieht, daß der Fühlstab 36 eine sich längs erstreckende oder Längsachse aufweist, die mit 38 bezeichnet ist und die zur Richtung der Fluidströmumg senkrecht und zur Ebene der Fühlmembran 35 parallel ist. Die Fühlmembran 35 weist einen vorderen und einen hinteren Abschnitt 35A und 35B auf, die den Fühlstab 36 mit dem Kopfabschnitt des Körpers 21 und mit dem Randabschnitt 25 verbinden, ebenso wie mit dem mittleren Stegabschnitt 24 am unteren Ende des Fühlstabs 36. Der Fühlstab 36 weist einen ersten befeuchteten Stababschnitt 36A auf, der sich innerhalb des Leitungsdurchlasses 14 befindet und somit dem Verfahrensfluid ausgesetzt ist, und der Fühlstab 36 weist einen isolierten Stababschnitt 36B auf, der sich auf einer gegenüberliegenden Seite einer Isoliermembran 40 von der Fühlmembran befindet. Die Kante der Fühlmembran 35 ist einstückig mit der Isoliermembran 40 und der Fühlstab 36 ist ebenfalls einstückig mit der Isoliermembran 40 ausgebildet, die im Gehäuse 20 ausgebildet ist.
Der Kopf 32 des Gehäuses 20 weist eine Kammer auf, die mit 42 bezeichnet ist und die sich auf einer gegenüberliegenden Seite der Isoliermembran 40 von dem Spulendurchlaß 14 befindet, und somit ist die Kammer 42 durch die Isoliermembran 40 vom Fluid, das in der Leitung fließt, isoliert. Die Kammer 42 weist verschiedene Bereiche auf, aber der isolierte Stababschnitt 36B befindet sich in dieser isolierten Kammer 42, ist von deren Wänden beabstandet und ist relativ dazu von der Isoliermembran 40 abgestützt.
Die Isoliermembran 40 ist relativ steif und bildet einen Drehpunkt für den Fühlstab 36, so daß sich der Stababschnitt 36A, wie durch den Doppelpfeil 27A in Fig. 5 dargestellt, bewegen kann, wenn der Fühlstab 36 um eine Achse schwenkt, wie bei 44 in Fig. 1 und 5 dargestellt. Die Isoliermembran 40 muß fest genug sein, um dem Druck in der Leitungsöffnung 14 standzuhalten, während die Fühlmembran 35 nur den Druckdifferenzen auf ihren gegenüberliegenden Seiten standhalten muß, die durch die Erzeugung von Wirbeln vom Kopf 21 des stumpfen Körpers oder Stabs 19 verursacht werden.
Die Isolierkammer 42 weist einen vergrößerten Bereich 46 auf, in dem ein Bewegungssensor oder eine Fühlvorrichtung angebracht ist, die im wesentlichen bei 48 dargestellt ist. Der Bewegungssensor ist mit dem Isolierstababschnitt 36B des Fühlstabs 36 verbunden. Der Isolierstababschnitt 36B des Fühlstabs weist ein oberes Ende auf, das mit einer axial flexiblen Membran 50 verbunden ist. Die Membran 50 ist entlang der Richtung der Achse 38 flexibel, aber sie ist steif genug zur Übertragung von Seitenbewegungen. Die Membran 50 ist wiederum mit einem Bewegungsübertragungsrohr 51 verbunden, das eine Außenwand 53 aufweist, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Das untere Ende der Wand 53 ist mechanisch mit den Umfangskanten der Membran 50 verbunden. Das Rohr 51 erstreckt sich nach oben und ist mit einem Bewegungsübertragungskopf 54 (Fig. 3) verbunden, der im wesentlich die in Fig. 6 dargestellte Form aufweist. Der Kopf 54 weist einen mittleren Abschnitt 55 und äußere Kantenabschnitte 56, 56 auf. Die äußeren Kantenabschnitte 56 sind mit schmalen Gelenkstegen 58 gelenkig an einem Lagerkopf 60 der Sensoranordnung 48 angebracht. Wie ersichtlich, gibt es zwei Gelenkstege 58 und diese Gelenkstege sind so gemacht, daß der Bewegungsübertragungskopf 54 um eine Achse schwenken kann, die zur Schwenkachse 44 parallel ist.
Das Schwingen des Kopfes 54 um die Achse der Gelenkstege 58 führt dazu, daß der Kopf 54 kippt, wie es in Fig. 5 mit gestrichelten Linien sehr übertrieben dargestellt ist. Wenn sich der Kopf 54 bewegt, kippt die obere Oberfläche des mittleren Abschnitts 55. Die Bewegung der oberen Oberfläche 64 des mittleren Abschnitts 55 neigt dazu, die Druckbelastung einer Reihe von piezoelektrisch erfassenden Kristallscheiben zu verändern, die im wesentlichen mit 70 bezeichnet sind. Diese Scheiben weisen, wie aus Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, zwei Schichten auf, wobei jede Schicht aus zwei im wesentlichen halbkreisförmigen Scheiben besteht. Die einzelnen Sensorscheiben sind mit 70A und 70B in Fig. 7 dargestellt, und mit 70C und 70D in Fig. 6. Der Reaktionsblock 74 wird gegen die obere Oberfläche der Scheibe 70 gehalten und mit Bezug auf den Lagerkopf 60 festgehalten. Die Sensorscheiben werden unter einer Druckbelastung vorgespannt, die ausreicht, damit das Kippen der Oberfläche 64 die piezoelektrischen Sensorscheiben auf einer Seite der Schwenkachse weiter gegen den Block 74 drückt, während die Druckvorspannung auf der anderen Seite der Schwenkachse entspannt wird. Die Druckvorspannung ist ausreichend hoch und somit sind die Sensorscheiben während des Schwenkens des Kopfes 54 immer unter einer gewissen Druckbelastung. Befestigungsstifte 73 werden zum Halten der Sensorscheiben in einer gewünschten Position mit Bezug auf den Reaktionsblock 74 verwendet. Die Bewegung führt dazu, daß die piezoelektrischen Sensorscheiben 70, abhängig von der Richtung der Auslenkung des isolierten Stababschnitts 36B, in einer bestimmten Richtung belastet werden. Die Oberfläche 64 ist direkt mit dem isolierten Stababschnitt 36B verbunden und wird als eine Funktion der Bewegung des schwingenden Fühlstabs 36 zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals ausgelenkt. Die vier piezoelektrischen Sensorscheiben sind in passender Polarität angeordnet, und somit werden die Ausgangssignale aller vier Scheiben zu dem Gesamt-Ausgangssignal addiert. Das Ausgangssignal der Sensorscheiben kann durch die Leitungen 75 erfaßt werden, die mit den Scheiben elektrisch verbunden sind, um Spannungssignale von den Sensorscheiben zu messen. Die Spannungssignale werden dann durch eine geeignete Durchführung 78 zu entfernten Sensoren geleitet und zur Erzeugung eines Ausgangssignals durch eine geeignete, mit 80 bezeichnete, Schaltung verwendet.
Die Bewegungserfassungsvorrichtung, die die piezoelektrische Scheibe 70 aufweist, ist mit dem isolierten Abschnitt 36B des Fühlstabs 36 durch die Membran 50 verbunden, die eine dünne Membran mit einem Loch in der Mitte ist, das etwas kleiner als der Durchmesser des oberen Endabschnitts des isolierten Stababschnitts 36B des Fühlstabs ist. Wenn das Rohr 51 und die Fühlvorrichtung an ihren Platz geschoben werden, d.h., die Teile, die mit den Kopf schrauben oberhalb des isolierten Stababschnitts 36B ortsfest gehalten werden, gleitet die Membran 50 über das zylindrische Ende 36C des isolierten Stababschnitts 36B und nimmt um die Öffnung eine etwas konische Form an, um das Ende des Stababschnitts 36B aufzunehmen. Diese Verbindung ist in der lateralen Richtung sehr starr, d.h., senkrecht zur Achse 38 des schwingenden Fühlstabs 36, aber in der axialen Bewegung des Fühlstabs nachgiebig. Die Membranverbindung verringert die axialen Kräfte, die durch die Schwingbewegung verursacht werden, wenn sich der Fühlstab während der Wirbelablösung von einer Seite zur anderen bewegt, und die Membran 50 überträgt auch keine axialen Kräfte, die durch Veränderungen des statischen Drucks in der Leitung zu den Erfassungsscheiben 70 verursacht werden. Die Verbindung zwischen der Membran 50 und dem Stabende 36C erlaubt die Entfernung und Ersetzung der Fühlvorrichtung ohne das Öffnen irgendwelcher Dichtungen zur Hauptfluidleitung. Wenn die Fühlvorrichtung einschließlich des Rohrs 51 entfernt wird, rollt sich die Membran 50 ein und ermöglicht die Entfernung ohne Beschädigung der Membran oder des oberen Endes 36C des isolierten Stababschnitts 36B des Fühlstabs.
In Fig. 8 ist eine abgeänderte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, und diese arbeitet nach denselben Prinzipien wie die in Fig. 1 - 7 gezeigten Ausführungsformen. Die Ansicht in Fig. 8 entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 und 5, aber sie zeigt eine Art einer Lagerung zur Spannungsisolierung, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung weist eine bei 90 unvollständig dargestellte Leitung eine bei 91 gezeigte Öffnung auf, die zum inneren Strömungsdurchlaß 92 führt, durch den Fluid fließt. Das Fluid fließt in eine Richtung senkrecht zur Ebene des Blatts der Zeichnungen. Eine im wesentlichen bei 94 bezeichnete Turbulenzsensoranordnung ist in der Öffnung 91 angebracht und erstreckt sich in den Strömungsdurchlaß 92. Die Turbulenzsensoranordnung 94 ist Teil eines Wirbelablösungsstabs 89. Der Ablösungsstab 89 weist einen Kopfabschnitt auf, der auf dieselbe Weise angebracht ist wie der Kopf des zum Beispiel in Fig. 4 gezeigten Wirbelablösungsstabs. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Gehäuse 95 eine zylindrische Muffe, die aus einem einheitlichen Werkstoffblock hergestellt ist. Die Muffe 96 rutscht in die Öffnung 91, und der Stab 89, der zur Bildung der Wirbel verwendet wird, kann als einstückiger Teil der Muffe 96, aus demselben Werkstoffblock, hergestellt werden. Wie dargestellt, weist die Muffe 95 einen äußeren Flansch 98 auf, der auf einer Oberfläche 97 der Leitung abgestützt ist. Die äußere Oberfläche der Muffe 96 ist von den Oberflächen, die die Öffnung 91 festlegen, beabstandet. Der Flansch 98 kann sehr starr mit den bei 99 gezeigten Kopfschrauben ortsfest gehalten werden.
Eine Fühlmembrananordnung 100 ist auf dieselbe Weise, wie vorher gezeigt, ausgebildet, und ein schwingender Fühlstab 101 ist einstückig mit der Membrananordnung 100 ausgebildet, so daß er dazu neigt, durch Hin- und Zurückbewegung, wie durch den Doppelpfeil 102 bezeichnet, auf Druckdiffenerenzen auf die Fühlmembrananordnung 100 zu reagieren. Der Fühlstab 101 ist ebenso an einer starren Isoliermembran 104 angebracht, die sich an einem inneren Ende der Muffe 96 befindet, die Membran 104 und die Muffe 96 bilden eine Isolierkammer 105 auf der oberen Seite der Isoliermembran. Der Fühlstab 101 weist einen Fühlstababschnitt 101A und einen isolierten Stababschnitt 101B auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 104 von dem Durchlaß 92 auf, der das Verfahrensfluid führt.
Die Isolierkammer 105 ist von einer inneren Muffe 110 umgeben, die von der zylindrischen Muffe 96 mit einer spannungsentlastenden ringförmigen Isoliernut 112 getrennt ist, die eine innere Endoberfläche 112A aufweist, die nach oben von der Grundoberfläche 113 der Muffe 96 weiter beabstandet ist als die Membran 104 dick ist. Die Kammer 105 ist von dem Leitungsdurchlaß 92 isoliert und somit von den korrodierenden Fluids, die in der Leitung geführt werden können, und der isolierte Stababschnitt 101B des schwingenden Fühlstabs ist in geeigneter Weise mit einem bimorphen (piezoelektrischen) Biegestab 115 verbunden. Die Verbindung kann eine Grenzflächenoberfläche aufweisen, die durch eine Aussparung 116 festgelegt ist, die das Ende des bimorphen Stabs mit geeigneten Verbindungsvorrichtungen, wie z.B. einer Gleitfederbefestigung ortsfest hält oder, wie dargestellt, in einer Harzfüllung 117, die die Aussparung füllt und die Teile zusammenhält. Der bimorphe Stab 115 ist an seinem anderen Ende auf einer Membran 118 abgestützt, und die Membran 118 ist auf einem Ring 119 abgestützt, der wiederum am oberen Ende 120 der spannungsisolierten Muffe 110 befestigt ist. Die Membran 118 und der Stab 115 sind an ihrer Verbindungsstelle miteinander verklebt. Der bimorphe Stab 115 biegt sich, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, wenn sich der isolierte Stababschnitt 101B bewegt; da der Fühlstab in die wie durch die Pfeile 102 an seinem unteren Ende bezeichnete Richtung schwenkt, bewegt sich das obere Ende auch, weil der Fühlstab mit Bezug auf die Isoliermembran um eine bei 121 dargestellte Schwenkachse schwenkt. Diese ist im Zentrum der starren Isoliermembran 104, und die Bewegung des isolierten Stababschnitts 101B, der die Verbindungsoberflächen zur Fühlvorrichtung umfaßt, die den bimorphen piezoelektrischen Stab 115 aufweist, bewegt sich, was zu einer Biegung des bimorphen Stabs und Erzeugung eines Ausgangssignals entlang geeigneter Leitungen 125 führt, die mit einer Durchführungsanordnung 126 verbunden sein können, die die nötigen elektrischen Verbindungen zur Erfassung des Ausgangssignals von dem bimorphen Stab an einer entfernten Schaltung liefern. Die Membran 118 ist in axialer Richtung des Fühlstabs biegsam und verringert die Auswirkung axialer Bewegung des isolierten Stababschnitts 101B auf das bimorphe Ausgangssignal, da der Fühlstab 101 im Betrieb schwenkt.
Da die Turbulenzsensoranordnung 94 mit dem Flansch 97 angebracht ist, der an der Leitung befestigt ist, und der Wirbelablösungsstab und die Fühlvorrichtung durch die Nut 112 isoliert sind, beinflussen die Befestigungsspannungen für das Befestigungsgehäuse 95 nicht direkt die starre Isoliermembran 104. Somit bringen die Befestigungsspannnungen die halben Abschnitte der starren Isoliermembran 104 nicht aus dem Gleichgewicht und das Schwenken des Fühlstabs ist symmetrisch um seine Achse 121. Die Isoliermembran kann so getrimmt werden, daß sie auf der einen oder der anderen Seite dünner und somit im Gleichgewicht ist und immer noch die nötige Abstützung für den schwingenden Fühlstab 101 liefert. Man kann aufgrund der Isolierung des Sensors von den Befestigungsspannungen sehr hohe Werte für die Gleichtaktunterdrückung erreichen. Die Art der verwendeten Fühlvorrichtung ist nicht besonders kritisch, und die dargestellte Fühlvorrichtung mit dem bimorphen Stab erzeugt eine angemessene Frequenz-Signalabgabe. Auch hier kann die Fühlvorrichtung leicht entfernt und ersetzt werden, wenn der bimorphe Stab 115 mit den Oberflächen des isolierten Abschnitts 101B des Fühlstabs durch etwas anderes als Epoxyd verbunden ist, z.B. mit einer leichten Festpassung oder mit einer mechanischen Federbefestigung.
In den Fig. 9, 10 und 11 ist eine abgeänderte Ausführungsform 160 des Sensors dargestellt, der für eine Bauweise sorgt, die Beschleunigungen ausgleicht, wie z.B. diejenigen, die durch Vibration in der Leitung, in der der Strömumgsmesser angebracht ist, verursacht werden, und weist ausgewuchtete Massen um die Schwenkachsen des Schwingstabs und auch um die Achse des Verbindungsglieds vom Schwingstab zu den Sensorelementen auf.
In Fig. 9 ist der Querschnitt im wesentlichen entlang derselben Ebene wie der in Fig. 1 und 5 und umfaßt ein Turbulenz- Strömungsmessergehäuse 170, das, wie vorher dargestellt, in eine Leitung paßt. Eine wirbelerzeugende Stabanordnung oder ein stumpfer Körper 171 ist nur unvollständig gezeigt und ist stromabwärts von einem wirbelerzeugenden Kopfabschnitt 172 dargestellt, der dem Kopfabschnitt 21 entspricht. Somit ist Fig. 9 stromaufwärts betrachtet entlang der Strömungsleitung gezeigt. In diesem Fall gibt es einen mittleren Körperabschnitt 173, der in Fig. 9 im Schnitt dargestellt ist. Der Querschnitt des Körpers 173 ist im wesentlichen derselbe wie der in Fig. 4 gezeigte, wobei sich der Kopf 172 an der Stelle des Kopfes 21 in Fig. 4 befindet. Der breite Körper 171 ist in einem Stützkopf 174 abgestützt, der am Meßgehäuse 170 auf geeignete Weise angebracht ist. Der obere Abschnitt des mittleren Körpers 173, d.h., der an den Stützkopf 174 angrenzende Abschnitt ist so ausgebildet, daß er eine dünne, im wesentlichen bei 175 darin bezeichnete Fühlmembran aufweist, die der Membran 35 entspricht.
Membran 175 weist eine Fühlmembran auf, die dazu neigt, sich vor- und zurückzubewegen, wie durch den Doppelpfeil 176 dargestellt, wenn Wirbel, die durch den stumpfen Körper 171 erzeugt werden, zu Druckunterschieden auf gegenüberliegenden Seiten der Fühlmembran 175 führen. Ein schwingender oder schwenkender Fühlstab 177 ist einstückig mit den mittleren Abschnitten der Fühlmembran 175 verbunden. Der Schwingstab 177 ist auf der Fühlmembran 175 zentriert und weist eine verlängerte Längsmittenachse 178 auf, die die Fühlmembran in zwei Teile teilt. Die Fühlmembran weist einen Abschnitt 175A auf, der gestrichelt dargestellt ist und der den Schwingstab 177 mit dem Wirbelerzeugungskopf 172, dem Körper 173 und dem Rand (ähnlich dem Rand 25 in Fig. 4) verbindet, wie vorher z.B. in Fig. 4 und 5 dargestellt.
Der Schwingstab 177 weist einen ersten befeuchteten Abschnitt 177A in der Strömungsleitung und einen zweiten isolierten Stababschnitt 177B auf. Eine Isoliermembran 180 ist einstückig mit dem Schwingstab 177 ausgebildet und trennt den isolierten Abschnitt 177B vom befeuchteten Stababschnitt 177A. Der befeuchtete Abschnitt ist in Kontakt mit der Fluidströmumg. Die Isoliermembran 180 lagert den Schwingstab so, daß der Schwingstab um eine Schwenkachse vor- und zurückschwenken kann, die durch den Punkt 181 dargestellt ist und die senkrecht zur Querschnittsebene der Fig. 9 ist.
Die Isoliermembran 180 bildet eine Innenkammer 182 im Stabstützkopf 174 aus. Der isolierte Abschnitt 177B des Schwingstabs befindet sich in der Kammer 182. Eine Sensoranordnung 185 befindet sich ebenfalls im äußeren Abschnitt der Kammer 182, und wie ersichtlich ist, dehnt sich die Kammer 182 stufenweise gegen das äußere oder offene Ende dieser aus oder bekommt einen größeren Durchmesser. Eine innere Schulter 186 in der Kammer 182 bildet eine Bohrung mit einem größeren Durchmesser am offenen Ende der Kammer aus und die Sensoranordnung 185 weist eine Schulter auf, die über der Oberfläche 186 liegt. Die Sensoranordnung weist ferner eine äußere Kappenanordnung 188 auf, die für Schraubbolzen verwendet wird, die die Sensorstützanordnung in den Stützkopf 174 festklemmen.
Die Sensoranordnung 185 sorgt für die Übertragung der seitlichen Schwingbewegung des isolierten Abschnitts 177B des Schwingstabs 177 auf die eigentlichen Sensorelemente, so daß die Schwingbewegung ein Signal erzeugt, das die Frequenz der Vibration oder Schwingung des Stabs 177 um seine Schwenkachse 181 angibt. Die Sensoranordnung 185 umfaßt eine röhrenförmige Stützmuffe 190, die eine unter Oberfläche 190A aufweist, die über der Oberfläche 186 liegt, aber von dieser etwas beabstandet ist. Die Stützmuffe 190 erstreckt sich gegen das offene Ende der Bohrung 188 und weist einen äußeren Rand 192 auf, der in einen Bohrungsabschnitt 193 eines Rings oder einer Muffe 194 paßt, die einen Teil der Sensoranordung bildet.
Die Muffe 190 weist auch eine innere Bohrung auf, die eine nach außen gerichtete Schulteroberfläche 195 ausbildet, die eine ringförmige Oberfläche um eine mittlere Öffnung 196 im Ende der Stützmuffe 190 ausbildet. Die mittlere Öffnung 196 ist so groß, daß eine Bewegungskoppelmuffe 197 hindurch verläuft. Die Bewegungskoppelmuffe 197 ist Teil einer Schwingbewegung-Übertragungsanordnung 198, die die Muffe 197 und einen Schwingkopf 199 umfaßt (siehe ebenso Fig. 10). Der Kopf 199 ist in Draufsicht ein kreisförmiger Kopf, und die Muffe 197 ist auf der Mittelachse des Kopfes zentriert, die mit der Achse 178 des Stabs zusammenfällt, wenn die Sensoranordnung auf dem Stützkopf 174 gelagert ist. Die untere Oberfläche des Kopfes 199 weist ein Paar von Schwenkrippen 202 auf sich auf, die auf gegenüberliegenden Seiten der Muffe 197 ausgerichtet sind, wie man in dem aufgebrochenen Abschnitt der Fig. 9 und auch in Fig. 10 sehen kann. Die Schwenkrippen 202 erstrecken sich nach außen von der Wand des Rohrs 197 und weisen abgerundete untere Oberflächen auf, um eine schwenkende oder schwingende Stütze auszubilden, so daß der Kopf 199 um eine Schwenkachse gekippt werden kann, die sich auf der unteren Kante der Rippen befindet und die entlang der Oberfläche 195 ruht. Die Rippen 202 und die Bewegungsübertragungs- oder -koppelanordnung 198 sind somit schwenkbar auf einer Achse gelagert, die parallel ist zur Achse 181.
Der Kopf 199 weist eine ebene obere Oberfläche 204 auf, die zur Schwenkachse unterhalb der Rippen 202 parallel ist und somit parallel zur Oberfläche 195 und sie wird zur Abstützung von vier piezoelektrischen Erfassungskristallen verwendet, die einen im allgemeinen bei 205 bezeichneten Sensor ausbilden. Der Sensor umfaßt übereinandergestapelte Schichten von Sensorscheiben oder -kristallen, die die Scheiben 205A, 205B, 205C und 205D umfassen, wie in Fig. 9 gezeigt.
Die Scheiben sind in Fig. 11 in Draufsicht gezeigt, und wie ersichtlich befindet sich ein Paar von übereinandergestapelten Scheiben auf jeder Seite der halbierenden Ebene der Membran 175; diese Ebene ist durch die Linie 207 in Fig. 11 dargestellt. Die Paare von Scheiben sind in der Mitte des Kopfes 199 beabstandet. Geeignete Stifte 210 sind im Kopf 199 zur Anbringung der Scheiben 205A-205D vorgesehen, und die Scheiben werden unter Zusammendrücken gegen die Oberfläche 204 des Kopfes 199 gehalten, unter Verwendung einer Kappe 212, die einen Endvorsprungsabschnitt 213 aufweist, der in die innere Öffnung der Muffe 190 paßt. Die Kappe 212 weist eine Schulteroberfläche 214 auf, die den Vorsprung 213 umgibt. Die Schulteroberfläche 214 liegt über dem Rand 192 des Rohres 190. Die Oberfläche 214 ist von der oberen Oberfläche 192A beabstandet, so daß sich zwischen den Oberflächen ein kleiner Spalt befindet.
Die Kappe 212 weist weiterhin einen äußeren Umfangsrand 216 auf, der über dem Stützring 194 liegt, und der Rand 216 weist eine Oberfläche 217 auf, die über der oberen Oberfläche des Rings 194 liegt und die normalerweise von dieser beabstandet ist. Die Kappe 212 kann deshalb belastet werden, damit sie die untere Oberfläche 213A des Vorsprungs 213 dazu bringt, gegen die piezoelektrischen Sensorscheiben 205 zu drücken, so daß diese Scheiben gegen die Oberfläche 204 des Kopfes 199 zusammengedrückt sind, und wiederum die Rippen 202 gegen die Oberfläche 195 drücken.
Beim Zusammenbau wird die Oberfläche 190A auf einer Abstützung angebracht, und die Bewegungsübertragungsanordnung 198 wird mit Rippen 202 gegen die Oberfläche 195 angebracht. Die piezoelektrischen Sensorscheiben 205 werden auf der Oberfläche 204 unter Verwendung der Stifte 210 in Position gebracht; die Muffe 190 wird innerhalb des Rings 194 angebracht und die Kappe 212 wird über die Scheiben 205 angebracht. Dann wird, wie durch den Pfeil 220 bezeichnet, eine Druckbelastung auf die obere Oberfläche der Kappe 212 aufgebracht, der durch die Stützkraft auf der Oberfläche 190A Widerstand geleistet wird. Die Scheiben oder Kristalle 205 werden bis auf einen gewünschten Grad unter Druckbelastung gebracht, und die Kappe 212 und der Stützring 194 werden am Umfang zusammengeschweißt, wie durch die Schweißstelle 221 gezeigt. Die Oberflächen bei 217 können immer noch beabstandet sein, und es befindet sich weiterhin ein Spalt zwischen den Oberflächen 214 und 192A, aber der Rand 192 wird unter Last auf der inneren Schulteroberfläche 191A, die durch den Ring 194 festgelegt ist, abgestützt. Somit werden die piezoelektrischen Sensorscheiben 205 unter einem gewünschten Grad von Druck vorbelastet, um zu gewährleisten, daß sie im Betrieb zufriedenstellend arbeiten. Die Anordnung 195 wird für den Betrieb auf dem Stützkopf 174 angebracht und wenn sie dort ortsfest gehalten wird, befindet sich ein Spalt zwischen den Oberflächen 190A und 186.
Die Konstruktion der Sensoranordnung 185 ermöglicht ebenfalls den Ausgleich von Unterschieden der Wärmeausdehnungszahlen zwischen den piezoelektrischen Sensorscheiben 205 und den Stützmuffen und -ringen, die im allgemeinen, wie noch erklärt wird, aus rostfreiem Stahl hergestellt werden.
Das untere Ende des Bewegungskoppelrohrs 197 weist eine dünne Membran 225 auf sich auf, die an ihrem äußerem Umfang an der unteren Kante des Rohrs 197 befestigt ist, wie bei 226 gezeigt ist. Die Membran weist eine mittlere Öffnung mit einem etwas kleineren Durchmesser aufals der zylindrische obere Kopf 177C des isolierten Abschnitts 177B des Schwingstabs 177. Wenn die Sensoranordnung 195 auf dem Stützkopf 174 in Position gebracht wird, wie oben erklärt, verformt sich die Membran 225 etwas um ihre Öffnung, um für eine Reibungsverbindung zwischen der Membran 225 und dem Schwingstab zu sorgen.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung weist der obere Endabschnitt 177C des Schwingstabs eine Masse 177D mit einer ausgewählten Größe oberhalb der Membran 225 auf, um für ein Gegengewicht zum Ausgleichen des unteren befeuchteten Abschnitts 177A des Schwingstabs zu sorgen, der sich unterhalb des Schwenkpunkts 181 befindet. Man kann leicht erkennen, daß durch die Auswahl der Masse des Abschnitts 177D, der sich innerhalb des Bewegungsübertragungs- oder -verbindungsrohrs 197 befindet, der untere befeuchtete Abschnitt 177A genau ausgeglichen werden kann, um die Auswirkungen der Beschleunigungskräfte auf den Schwingstab zu kompensieren.
Ebenso kann die Masse der Bewegungsübertragungs- oder -koppelanordnung 198 kompensiert werden durch die Auswahl der Masse des Kopfelements 199 auf gegenüberliegenden Seiten der Schwenkachse, die durch die untere Kante der Rippen 202 vom Verbindungsrohr 197 festgelegt wird.
Die Masse des Rohrs 197, die sich unterhalb der Schwenkachse auf den Rippen 202 befindet, muß durch die Masse des Kopfes 199 oberhalb dieser Schwenkachse kompensiert werden. Da die Schwenkachse unter Verwendung der Rippen 202 auf der unteren Seite des Kopfes 199 unterhalb der Sensoren gehalten wird, sind äußere Gewichte oder zusätzliche Gewichte nicht notwendig, weil sich die Einheit durch die richtige Auswahl der Masse des Kopfes 199 selbst ausgleichen kann.
Der Betrieb dieser Ausführungsform der Erfindung ist, soweit es die Erfassung betrifft, derselbe, und geeignete Leitungen 230 sind mit den piezoelektrischen Scheiben oder Kristallen 205A-205D verbunden, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die piezoelektrischen Scheiben auf einer Seite der Schwenkachse, die durch die Rippen 202 gebildet wird, unter größerer Druckbelastung stehen und auf der gegenüberliegenden Seite dieser Schwenkachse unter geringerer Druckbelastung stehen. Die piezoelektrischen Scheiben 205A-205D werden hinsichtlich der Polarität so ausgewählt, daß ihre Ausgangssignale sich, wie oben erklärt, addieren.
Da die Turbulenzsensoren der vorliegenden Erfindung bei sehr unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden müssen, können Schwierigkeiten mit den Wärmeausdehnungsdifferenzen zwischen den druckbelasteten Teilen auftreten. Der piezoelektrische Kristallwerkstoff weist einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf, z.B. im Bereich von einem Teil pro Million pro Grad F Temperaturveränderung, während die Edelstahlrohre und -muffen, die die Kristalle lagern, einen wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Man kann jedoch verschiedene Edelstähle erhalten, die unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten gegenüber anderen Arten aufweisen, aber alle weisen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, die größer sind, als der Ausdehnungskoeffizient von piezoelektrischen Werkstoffen.
Im Betrieb in einem weiten Bereich unterschiedlicher Temperaturen ist es dann möglich, daß ein Ausdehnungsunterschied die anfängliche Druckbelastung auf die piezoelektrischen Scheiben oder Kristalle so stark verringert, daß Probleme verursacht werden. Es sei noch einmal festgehalten, daß die Sensorscheiben immer unter einem gewissen Druck stehen sollten, selbst wenn der Schwingstab maximal schwenkt.
Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform der Erfindung kann diese Auswirkung zumindest teilweise ausgeglichen werden durch die Herstellung der Muffe 190 aus einem Werkstoff, der einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Kappe 212 und der Kopf 199 der Bewegungsübertragungsanordnung 198 und dadurch, daß die tatsächliche Achsenlänge der Muffe so auswählt wird, daß sie im richtigen Verhältnis zur Dicke der Sensorscheiben steht. Der Vorsprung 213 der Kappe 212 dehnt sich mit einer Geschwindigkeit unter zunehmenden Temperaturen aus und die Vorsprungsverlängerung oder -verkürzung entlang seiner Achse ist proportional zur Länge des Vorsprungs. Die Veränderung der Abmessungen der Stützmuffe 190 entlang ihrer Achse ist anders und proportional zu ihrer Länge. Die Achsenlänge der Muffe 190 zwischen den Oberflächen 191A und 195 wird so ausgewählt, daß sie die geringere Ausdehnung der piezoelektrischen Scheiben oder Kristalle 205 ausgleicht oder kompensiert. Die Abmessung kann so ausgewählt werden, daß die Vorspannung auf den Scheiben in der Höhe gemäß der Auslegung beibehalten wird. Die Kappe 212 wird so ausgewählt, daß sie einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als die Muffe 190 aufweist, um den Ausgleich zu erreichen. Die Scheiben 205 weisen einen wesentlich niedrigeren Koeffizienten auf. Der Ring 194 und die Bewegungsübertragungsanordnung 198 werden so ausgewählt, daß sie aus demselben Werkstoff wie die Kappe 212 bestehen.
Das Kopfelement 174 kann in das Strömungsmeßgehäuse 170 geschweißt werden, und da es eine Schweißstelle 221A gibt, die die Einheit ortsfest hält, gibt es keine Dichtungen, die in der Einheit versagen. Die Sensoranordnung 185 kann zur Wartung durch bloße Entfernung der Kopfschrauben, die die Sensoranordnung 185 in den Stützkopf 174 schrauben, und durch das Herunterziehen der Membran 225 vom zylindrischen Abschnitt 177C des Schwingstabs, der der isolierte, nicht-befeuchtete Abschnitt des Schwingstabs ist, entfernt werden.
Bei Strömungsgeschwindigkeiten, die nahe auf Null zugehen, liefert der vorliegende Sensor ein entsprechendes Ausgangssignal, ohne große Empfindlichkeit für Veränderungen des statischen Drucks. Statische Druckschwankungen bemerkt man bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten, da die statischen Druckveränderungen als Impuls in der Leitung erscheinen können, wie z.B. nahe einer Pumpe, wo bedeutendes Druckpulsieren erzeugt wird. Die Doppelmembranvorrichtungen nach dem Stand der Technik weisen eine größere Wahrscheinlichkeit auf, unter solchen Bedingungen ein falsches Signal zu erzeugen als dies bei dem vorliegenden Einzelmembransensor der Fall ist. Wenn sich der Strömungsmesser in einer Nebenleitung mit einer sehr geringen Strömung befindet und die Hauptleitung eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist, kann es aufgrund der statischen Druckveränderungen im Verhältnis zur Druckdifferenz zu wesentlichen Auswirkungen kommen.
Die verwendeten starren Isoliermembranen sind in der axialen Richtung des Fühlstabs sehr steif, da die Isoliermembran durch die Fühlmembran an deren beider Verbindungspunkt abgestützt wird. Die starre Isoliermembran reagiert somit, als ob sie eigentlich zwei getrennte Membranen wäre (jede von ihnen ein Halbkreis), wenn sie nach den Gleichtaktdruckauswirkungen auf eine solche Isoliermembran analysiert wird. Die viel größere Starrheit der Isoliermembran senkrecht zu ihrer Ebene im Vergleich zur Fühlmembran bedeutet, daß die Isoliermembran im Vergleich zur Fühlmembran im wesentlichen unbeeinflußt ist durch die Druckdifferenzen, die durch die Wirbelbildung verursacht werden. Eine gewisse Bewegung wird aufgrund der statischen Druckveränderungen auf die Isoliermembran übertragen, aber aufgrund des mechanischen Vorteils der Auswirkung auf den schwingenden Fühlstab durch die Fühlmembran im Gegensatz zur Auswirkung auf die Isoliermembran, sind die Bewegungsprobleme der Isoliermembran im wesentlichen verringert und stellen keinen bedeutenden Nachteil dar. Die Auswirkung der Steifheit und der Fläche der Isoliermembran kann durch Abschleifen auf der einen Hälfte der Isoliermembran oder der anderen abgeändert werden, um eine Seite der Isoliermembran dünner zu machen und die Auswirkung der Flächen- und der Steifheitsverhältnisse auszugleichen. Die Isoliermembranhälften können somit so hergestellt werden, daß sie ganz eng zusammenpassen, und unerwünschte unterschiedliche Bewegungen ansprechend auf statische Druckveränderungen der beiden unterschiedlichen Seiten werden vermieden.
Die Fühlmembran kann sehr dünn sein, da sie nur die durch Wirbelerzeugung verursachten Differenzdrücke aushalten muß. Die Isoliermembran andererseits muß den statischen Druck der Leitung aushalten, in der sie sich befindet. Die Isoliermembran ist somit kleiner und dicker als die Fühlmembran.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Sensor bei hohen Temperaturen arbeitet. Unter Verwendung von piezoelektrischen Kristallen, z.B., können 700 bis 1000º F toleriert werden, und da der Wirbelablösungsstab und der schwingende Fühlstab nicht geschweißt sein müssen (die Teile können in einem Stück hergestellt werden), unterliegen sie keinem Nachlassen der Festigkeit oder zunehmender Korrosion, die durch Schweißstellen verursacht werden. Die Anzahl der verwendeten Werkstoffe kann verringert werden, wodurch die Konstruktion vereinfacht wird. Dies ist auch von Vorteil, wenn man den Hochtemperaturbetrieb bedenkt.
Der schwingende Fühlsensor kann ein auswechselbares Modul sein, das, wenn gewünscht, mit der Isolier- und der Fühlmembran verbunden ist, und dies kann unter manchen Umständen einen gewissen Vorteil haben, aber würde mehr kosten, wenn das Problem der Abdichtung der Zwischenschicht des Schwingstabs und des mittleren Körperabschnitt 24, des Ablösungsstabs und der Membran 25 schwierig ist.
Piezoelektrische Kristalle oder andere Erfassungsvorrichtungen, die empfindlich sind für Kompression, Biegen oder Scherkraft können mit der Erfindung verwendet werden.
Wenn der Wirbelströmumgsmesser Drehschwingungen unterliegt, neigen der Schwingstab und die Sensoranordnung jeweils dazu, Drehschwingungen im Bezug auf das Gehäuse auszuführen. Dies kann beim Sensorausgangssignal zur Erzeugung von unerwünschtem Rauschen führen. Die Auswirkungen der Drehschwingung können jedoch verringert werden, indem man mechanische Parameter des Sensors auswählt, die für die Aufhebung der Kräfte sorgen. Der Schwingstab schwingt um seine Schwenkachse P1, wobei er eine erste Kraft F1 auf die Verbindung zwischen dem Schwingstab und der Sensoranordnung ausübt. Die Sensoranordnung schwingt um ihre Schwenkachse P2, wobei sie eine zweite Kraft F2 auf die Verbindung zwischen dem Schwingstab und der Sensoranordnung ausübt. Wenn die Kräfte F1 und F2 so ausgeglichen sind, daß sie im wesentlichen gleich und entgegengesetzt sind, wird jedoch das Rauschen beim Sensorausgangssignal verringert. Die Kraft F1 ist proportional zum Trägheitsdrehmoment des Schwingstabs geteilt durch den Hebel R1 zwischen der Schwenkachse P1 und der Verbindungsachse P3. Die Kraft F2 ist proportional zum zum Trägheitsdrehmoment der Sensoranordnung geteilt durch den Hebel R2 zwischen der Schwenkachse P2 und der Verbindungsachse P3. Die Längen der Hebel R1, R2 können durch Veränderungen der mechanischen Abmessungen zum Ausgleich der Kräfte eingestellt werden. Wie oben erklärt, können auch der Schwingstab und die Sensoranordnung im Bezug auf die translatorische (nicht-kreisförmige) Schwingung durch Hinzufügen oder Entfernen von Werkstoff an ausgewählten Stellen auf dem Schwingstab oder der Sensoranordnung ausgeglichen werden. Sowohl der Ausgleich der Dreh- als auch der translatorischen Schwingung des Strömungsmessers erreicht man somit durch die Auswahl der Werkstoffmengen und der Abstände zwischen den Schwenkachsen P1, P2 und der Verbindungsachse P3.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennen Fachleute, daß die Form und Details verändert werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Vorrichtung (10, 94, 160), die ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Fluidströmung anzeigt, mit:

einem Gehäuse (20, 95, 70), das einen Wirbelerzeugungskörper (19, 89, 171) für die Erzeugung von Wirbeln in dem Fluid als eine Funktion der Strömung aufweist, wobei der Wirbelerzeugungskörper (19, 89, 171) einen Kopfbereich (21, 172), einen Schwanzbereich (25) und einen Mittelbereich (24, 173) zwischen dem Kopf- und dem Schwanzbereich aufweist und das Gehäuse (20, 95, 170) eine Isolierkammer (42, 105, 182) in sich aufweist;

einer Isoliermembran (40, 104, 180), die in dem Gehäuse (20, 95, 170) für die Isolierung der Isolierkammer (42, 105, 182) von dem Fluid ausgebildet ist;

einer einzigen Fühlmembran (35, 100, 175), die für das Fluid für die seitliche Auslenkung ansprechend auf die Wirbel, die durch den Wirbelerzeugungskörper (19, 89, 171) ausgebildet werden, offen ist;

einem Stab (36, 101, 177), der mit der Fühlmembran (35, 100, 175) verbunden ist, um sich mit ihr seitlich zu bewegen und der sich zu einer Staboberfläche erstreckt, die in der Isolierkammer (42, 105, 182) angeordnet ist, wobei der Stab (36, 101, 177) die Auslenkung der Fühlmembran (35, 100, 175) auf die Staboberfläche überträgt und die Fühlmembran (35, 100, 175) sich sowohl stromauf als auch stromab von dem Stab (36, 101, 177) erstreckt und der Stab mit dem Wirbelerzeugungskörper (19, 89, 171) über die Fühlmembran (35, 100, 175) verbunden ist, um einen Aufbau ohne Spalten zu bilden, und wobei die Isoliermembran (40, 104, 180) abdichtend mit dem Stab (36, 101, 177) für die Isolierung der Isolierkammer (82, 105, 182) von dem Fluid verbunden ist; und

einer Fühlvorrichtung (48, 115, 185), die mit der Staboberfläche für die Erfassung der Auslenkung dieser und für die Erzeugung des Ausgangssignals verbunden ist, das die Strömung anzeigt.

2. Vorrichtung (10, 94, 160) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlmembran (35, 100, 175) mit der Isoliermembran (40, 104, 180) verbunden ist.

3. Vorrichtung (10, 94, 160) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (36, 101, 177) einstückig mit der Isoliermembran (40, 104, 180) verbunden ist und auf der Isoliermembran (40, 104, 180) schwenkbar ist.

4. Vorrichtung (10, 94, 160) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Staboberfläche ausgelenkt wird, indem der Stab (36, 101, 177) um einen Schwenkpunkt hin- und herbewegt wird, der durch die Isolatormembran (40, 104, 180) gebildet wird, wenn der Stab (36, 101, 177) durch die Fühlmembran (35, 100, 175) ausgelenkt wird.

5. Vorrichtung (10, 94, 160) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatormembran (40, 104, 180) als eine Funktion eines Gleichtaktdrucks in dem Fluid beweglich ist und die Fühlvorrichtung (48, 115, 185) so gelagert ist, daß sie für eine derartige Bewegung im wesentlichen unempfindlich ist.

6. Vorrichtung (10, 94, 160) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatormembran (40, 104, 180) und die Fühlmembran (35, 100, 175) Ebenen aufweisen, die im wesentlichen senkrecht zueinander sind, wobei die Isolatormembran (40, 104, 180) einen Wandbereich der Isolierkammer (42, 105, 185) bildet.

7. Vorrichtung (10, 160) nach Anspruch 6, und Bewegungserfassungsvorrichtung (50, 51, 54), (225, 197, 199), dadurch gekennzeichnet, daß sie auf dem Gehäuse (20, 170) auf einer gegenüberliegenden Seite der Isolatormembran (40, 180) gegenüber der Fühlmembran (135, 175) gelagert ist, wobei der Stab (36, 177) seine Staboberfläche auf der gleichen Seite der Isolatormembran (40, 175) wie die Fühlvorrichtung (48, 175) aufweist, wobei die Fühlvorrichtung (48, 185) eine Vorrichtung (50, 225) aufweist, die mit der Staboberfläche verbunden ist und sich mit der Staboberfläche bewegt, wenn die Fühlmembran (35, 175) ausgelenkt wird, und daß eine Piezoelektrikvorrichtung (70, 205) vorgesehen ist, die einen Bereich der Fühlvorrichtung (48, 185) bildet, mit welcher ein Ausgangssignal ansprechend auf die Bewegung der Staboberfläche erzeugbar ist.

8. Vorrichtung (10, 160) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (36, 177) einen Schwingstab aufweist, der einstückig an der Fühlmembran (36, 177) befestigt und in dem Gehäuse (20, 170) für die Schwenkbewegung um eine Achse (38, 178) abgestützt ist, die sich im allgemeinen parallel zur Ebene der Fühlmembran (35, 175) an der Isolatormembran (40, 180) erstreckt, wobei der Schwingstab (36, 177) einen Stabbereich (36B, 177B) auf einer gegenüberliegenden Seite der Isolatormembran (40, 180) gegenüber der Fühlmembran (35, 175) aufweist, daß ein Kippelement (54, 199) in dem Gehäuse (20, 170) gelagert ist, das von der Fühlmembran (35, 175) isoliert und von dem Stabbereich (36B, 177B) beabstandet ist, wobei das Kippelement (54, 199) um eine Achse gelenkig angebracht ist, die im wesentlichen parallel zur Ebene der Fühlmembran (35, 175) ist und mit dieser ausgerichtet ist, und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, das Kippelement (54, 199) und den Stabbereich (36B, 177B) zu verbinden, die eine dünne Membran (50, 225) mit einer Öffnung in der Mitte und einem äußeren Umfangsbereich aufweisen, der mit dem Kippelement (54, 199) an beabstandeten Stellen auf gegenüberliegenden Seiten des Stabbereichs (36B, 177B) verbunden ist, wobei der Stabbereich (36B, 177B) im wesentlichen zylindrisch ist und die Öffnung in der dünnen Membran (50, 225) von einem geringeren Durchmesser als die Größe des Stabbereichs (36B, 177B) ist, wodurch, wenn die Vorrichtung (10, 160) montiert wird, die dünne Membran (50, 225) über den Stabbereich (36B, 177B) geschoben wird, um einen Preßsitz zwischen der dünnen Membran (50, 225) und dem Stabbereich (36B, 177B) für die Übertragung von Bewegungen auf das Kippelement (54, 177) zu bilden.

9. Vorrichtung (10, 160) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung (48, 185) eine piezoelektrische Kristallvorrichtung (70, 205) aufweist, die an einer Stelle beabstandet von dem Stabbereich (36B, 177B) gelagert ist und daß das Kippelement (54, 199) sich bewegt, wenn der Stabbereich (36B, 177B) sich bewegt und den Oberflächenbereich antreibt, um dazu zu neigen, die Belastung auf die Piezoelektrikkristallvorrichtung (70, 205) auf gegenüberliegenden Seiten der Schwenkachse des Kippelements (54, 199) zu ändern.

10. Vorrichtung (10, 160) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung (48, 185) mindestens erste, zweite und dritte Bereiche aufweist, wobei der erste Bereich eine Stütze (51, 197) aufweist, der zweite Bereich das Kippelement (54, 199) für die Schrägstellung relativ zu der Stütze (51, 197) und der dritte Bereich ein Kappenelement (74, 212) aufweist, das relativ zu dem ersten Bereich (51, 197) gehalten ist, wobei die Piezoelektrikkristallvorrichtung (70, 205) unter Zusammendrücken zwischen dem zweiten Bereich (54, 199) und dem dritten Bereich (74, 212) unter Last steht, wenn der erste (51, 197) und der dritte (74, 212) Bereich zusammengedrückt werden.