DE3032578C2

DE3032578C2 - Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen und dichteunabhängigen Bestimmung des Massenstroms

Info

Publication number: DE3032578C2
Application number: DE3032578A
Authority: DE
Inventors: Eugen Dipl.-Ing. Dr. 6232 Bad Soden Brockmann; Joerg Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Kolitsch; Norbert Dipl.-Ing. 6236 Eschborn Sparwel
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1980-08-29
Filing date: 1980-08-29
Publication date: 1983-11-03
Also published as: US4448081A; DE3173562D1; EP0046965B1; DE3032578A1; EP0046965A1; ATE17606T1

Description

J5

Die Erfindung betrifft ein Verfahren /ur dynamischen unddichteunahhängigen Bestimmung des Massenstroms von Fluidcn. bei dem in die Strömung ein einziger Störungskörper eingebracht wird, welcher Wirbel nach dem Prinzip der Karman'schcn Wirbclstraße erzeugt, sowie Vorrichtungen /ur Durchführung die·«.·. Verfahrens.

In der DF-AS 27 53 543 wird ein Sirömungsmesser zur Ermittlung des Massendurchfluss^ beschrieben. Dieser Störungskörper ist so ausgebildet, daß mit ihm die Frequenz der periodischen Wi. bei in bezug auf die Dichte des Sirömungsmiliels. durch Variation der Abmessungen des Siöri.ngskörpers. unü zwar des Produkles aus Durchflußquerschniusfläche A und charakteristischer Dimensionf/. verändert wird. Dabei wird die Frequenz zur Meßgröße für den Mussensirom. Dieser Strömungsmesser besiizi eine sehr komplizierte Konstruktion und Funktionsweise. Die Dichte wird nur bei Druck- und oder Tempcralurandcrungcn. nicht jedoch bei Änderungen der /us.tmmensel/iini. des Fluids richtig erlaßt. Das bedeutet, daß die Zusammensetzung des Strömungsmediums vorher bekannt sein muß. Ferner werden nur sehr langsame Änderungen der Dichte erfaßt. Der Druckverlusl ändert sich mit der Änderung des Produktes A χ ti. Die Stroiihalzahl ist bei Änderung des Produktes Λ χ el nicht konstant. Dadurch wird die Messung erschwert. Um Stroiihalzahl zu korrigieren und um getrennte Information über Di ,hie und Geschwindigkeit zu erhallen, mußte das Produkl A χ ι/ mit einem zusätzlichen Sensor miturfußl werden.

Ferner ist aus der US-PS 3885432 eine Vorrichtung bekannt, die die Messung der kinetischen Energie der Wirbel mit einem stromab vom Störungskörper befindlichen Druckaufnehmer gestattet. Die Frequenz des einen einzigen Signals stellt ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit dar. Ein wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung liegt darin, daß die im Wirbel enthaltene kinetische Energie nicht ohne weiteres in die kinetische Energie der Strömung umsetzbar ist. Hinzu kommt, daß der Zusammenhang der Wirbelausbildung und -energie von der Zähigkeit des Fluids, d. h. die Reibungseinflüssr. nicht berücksichtigt werden. Das Signal des Druckaufnehmers ist außerdem sehr stark von der Geometrie der Anordnung sowie der Positionierung des Aufnehmers abhängig-

Der vorliegenden Erfindung liegt d.'iier die Aufgabe zugrunde, eine einfache Methode bzw. eine Meßeinrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, ohne Kenntnis der Dichte des Strömungsmediums dynam^ch den Massenstrom zu bestimmen, d.h. auch unabhängig zu sein von Schwankungen der dynamischen Zusammensetzung, der Dichte und der Geschwindigkeit des Fluids. Darüber hinaus soll die Vorrichtung möglichst keine beweglichen Teile besitzen, wenig anfällig sein gegenüber Verschmutzung und keinen zu hohen Druckverlust an der Meßslefle bewirken.

Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 lösen läßt, dadurch, daß die kinetische Energie der Strömung bzw. der Staudruck direkt gemessen wird. Einige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 8 erläutert, während Ansprüche9 bis 20 Vorrichtung zur Bestimmung des Massenflusses betreffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe der dichteunabhängigen Massenstrombestimmung lassen sich erfindungsgemäß an einem einzigen in die Strömung eingebrachten Störungskörper die Geschwindigkeit r und der Staudruck

( _Λ 'ji^: J messen und zum Massenstrom m nach der Beziehung

nt =2

zusammensetzen, wobei A den Strömun^squerschniti und ο die Fluid-Dichte bezeichnen.

Der quer /ur Strömung eingesetzte Störungskörper dient einerseits da/u, an seiner Rückseite eine periodische Ablösung von Wirbeln zu erzeugen. Für die Frequenz/ dieser ablösenden Wirbel gilt die Beziehung

worin Sir die Strouhalzahl. r die Strömungsgeschwindigkeil und </die charakteristische Dicke des Stcrungskorpers sind. Die Strouhal/iihl k;snn für jeden Profilquerschnitt des Störungskörpers experimentell in Abhängigkeit von der Reynoldszahl ermittelt werden. Fine Messung der Wirbelfrequ.n/ liefert somit nach Gleichung Il unmittelbar die gesuchte Strömungsgeschwindigkeit. Dies wird in vielen Fällen dadurch erleichtert. d.'.O die Strouhalzahl in weiten Reynoldszahlenbercichen konstant ist.

Andererseils stellt der Störungskörper der Strömung einen mechanischen Widerstand entgegen. Die von der Strömungaufeinen elastisch verformbaren oderelastisch gelagerten Körper ausgeübte Kraft ist meßbar durch die am Körper oder an der Lagerung auftretende elastische Verformung entsprechend einer bekannten Federkennli-

nie. Zwischen dieser Strömungskruft/v und dem Staudruck der Strömung I - yr^J J besteht die Beziehung

F_n=C-J \_ΰΛ .4.. Ill

worin <·„ den Widerstandsbeiwert und A_w die vom Körper der Strömung entgegengesetzte Widerstandsfläche bedeuten. Der Widerstandsbeiwert kann für jeden Profilquerschnitt des Störungskörpers experimentell in Abhängigkeit von der Reynoldszahi ermittelt werden. Eine . Messung der Verformung des Störungskörpers liefert also über die Federkennlinie die Strömungskraft und somit über die Gleichung III den gesuchten Staudruck. Dies wird in vielen Fällen dadurch erleichtert, daß der Widerstandsbeiwert in weiten Reynoldszahlenbereichen konstant ist.

Es ist auch möglich, den Staudruck mittelbar an einem starren Körper zu ermitteln durch Anbringen einer Druckbohrung gegen die Strömungsrichtung, wobei der Gesamtdruck der Strömung gemessen wird. Durch Differenzschaltung mit einer Druckmeßbohrung, an welcher der statische Druck der Strömung gemessen wird, erhält man den dynamischen Druck.

Bei der Erfindung ist die separate Messung der Fluid-Dichte für die Bestimmung des Massenstroms nicht erforderlich. Dennoch ist es möglich, neben der Geschwindigkeit c. welche unmittelbar als Ergebnis der Wirbelfrequenzmessung auftritt, aus der Beziehung

rechnerisch die Dichte ο einfach aus dem dynamischen Druck (, »r^: J und der Geschwindigkeit /u ermitteln.

Das Meßverfahren beruht auf dem Prinzip, daß ein einziger Störungskörper in die Strömung eingebracht wird und daß sowohl die Frequenz der durch diesen Körper verursachten ablösenden Wirbel als auch die an *o diesem Körper wirkende Strömungskraft als Meßgrößen gewonnen werden.

Die Aufnahme der Frequenz der ablösenden Wirbel kann am Störungskörper selbst erfolgen, da die abwechselnde Wirbelablösung auf beiden Seiten der Umsirö- *s mung ein entsprechendes periodisches Druckgefälle am Körper quer zur Strömungsrichtung hervorruft und den Störungskörper zu Schwingungen quer zur Strömungsrichtung ϊ mit der Wirbelfrequenz anregt. Dieses Verhalten kann auch mit Hilfe der fluiddynamischen Auftriebs- w kraft F_A. die am Körper in der Strömung quer zur Strömungsrichtung auftritt, und einem periodisch mit der Zeit variablen Auftriebsbeiwert c_A{i) beschrieben werden mit der Beziehung

Für den Fall, daß das Querschnittsprofil des Stromungskörpers in Richtung der lluidd)iuinvischcn Aultriebskraft nicht symmetrisch ist. treten zusätzlich zur Biegung auch Torsions- bzw. Deviationsphänomene auf. Auch diese Weg- und Winkeländerungen können als Meßgröße erfaßt werden, um die Auftriebskraft zu bestimmen.

Speziell an einem starren, drehbar gelagerten Störungskörper kann die Drehbewegung gemessen werden, wobei der zeitlich ändernde Drchwinkcl der Auftriebskraft proportional und somit auch dem Produkt

<.,(')· -, L""'. das der Amplitude des Meßsignals entspricht.

Gleichzeitig kann aus der Frequenz des Signals die Wirbelablösefrequenz und damit die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden.

bine andere Möglichkeit der WirbeifrcquciiriVicsiüng ist gegeben durch das Anbringen von je einem Ultraschallsender und -empfänger an zwei gegenüberliegenden, zum Störungskörper parallelen Grenzflächen der Strömung in einer in Strömungsrichtung hinter dem Störungskörper liegenden Position, an der die Wirbel eine besonders gute Ausbildung besitzen. Beim Durchströmen eines Wirbels durch die Ultraschallstrecke moduliert der Wirbel als Dichteschwankung das akustische Signal. Ltfe Frequenz der auftretenden Modulationen ist dabei gleich der Wirbelfrequenz.

Die Strömungskraft kann indirekt über die elastische Verformung bzw. Durchbiegung des Störungskörpers oder dessen Lagerung in Strömungsrichtung mit Hilfe von Dehnungsstreifen, piezoresistiven Aufnehmern oder anderen Wegaufnehmern erfaßt werden. Hierzu muß die Federkennlinie des Körpers und die Lastverteilung, d.h. das Strömungsprofil. bekannt sein. Mittels des Widerstandswcries r« !äßi sich dar.rs mit Gleichung II! der dynamische Druck bzw. Staudruck berechnen.

Die Durchbiegung des Störungskörpers sowohl in Slrömungsrichiung als auch senkrecht dazu können auch kombiniert in einem einzigen Signal erfaßt werden. Hierbei wird die gesamte elastische Verformung aufgrund der aus Widerstands- und Auftriebskraft resultierenden Gesamt kraft

F=\ FK+F¹,

)-I or¹)-

in welcher I _n or¹ j den Staudruck und A_A die Auftriebs-

fläche des Korpers bedeuten. Die schwingende Verformung eines elastischen oder elastisch gelagerten Störungskörpers aufgrund dieser Auftriebskraft kann nun unmittelbar durch Dehnungsmeßstreifen, piezoresislive Aufnehmer oder andere Wegaufnehmer als elektrisches Signal erfaßt werden, wobei die Frequenz des Signals gleich der Wirbelfrequenz ist und nach Gleichung II die Geschwindigkeit der Strömung Hefen.

aufgenommen, wobei die mittlere Amplitude des oszillierenden Meßsignals der Durchbiegung aufgrund der Strömungskraft und die Frequenz der Oszillationen der Wirbelfrequenz entsprechen. Eine solche kombinierte Signalerfassung läßt sich technisch z.B. dadurch lösen, daß die Änderung des elektrischen Widerstandes des stromleitenden Störungskörpers oder stromleitender Teile davon gemessen wird, die der Längendehnung des Körpers aufgrund seiner Durchbiegung proportional ist. Als stromleitende Teile werden auch am Körper angebrachte Dehnungsmeßstreifen, piezoelektrische Aufnehmer oder andere Wegaufnehmer angesehen, wobei jeweils nur ein einziger Aufnehmer die gesamte oszillierende Verformung erfaßt.

Bei der Erfindung muß der Störungskörper für verschiedene Strömungsgeschwindigkeilsbereiche und Fluide entsprechend dimensioniert und profiliert werden, damit sowohl die Wirbelablösnng als auch die Widerstandskraft des Körpers gegen die Ström ung in besonders meßgünstige Wertebereiche fallen, in denen begrenzte Änderungen oder Schwankungen der Fluideigenschaften wie Dichte. Zähigkeit, chemische Zusammensetzung und

Geschwindigkeit, zu keinen nennenswerten Meßfehlern rühren.

Als Störungskörper eigenen sich in besonderem Maße glatte Stäbe, deren Querschnittsprofil in Ströinungsrichtung symmetrisch ist. Um eine gute und definierte Ablö- ■> sestelle für die Wirbel zu erreichen, können an der Rückseite des Profils scharfe Kanten vorgesehen werden. Weiterhin konsen zur Verstärkung der durch die Wirbelablösung senkrecht zur .Strömungsrichtung auftretenden oszillierenden Druckdifferenz an der Rückseite des Profils eine oder mehrere zur Strömlingsrichtung parallele Flächen angebracht werden. Zur Abweisung und zum Schulz vor Ablagerungen von Schmutzpartikeln. Feststoffteilchen. Flüssigkeitsiropfen. usw.. die sich im Fluid befinden können, besieht die Möglichkeit, auch die Vor- is derseitc des Profils entsprechend zu gestalten.

In solchen Fällen, in denen die Biegeverformungen des Siörunuskörpers sowohl in Strömungsrichtung als auch senkrecht dazu zur Messung herungezogen werden sollen, ist es auch möglich, die Biegeeigenschaften des Störungskörpcrs dadurch zu optimieren, daß der Störungskörper in zwei Teile längs seiner Achse aufgespalten wird, wobei jeder Teil für sich jeweils in einer der Richtungen das günstigste Flächenträgheitsmomenl besitzt. Beide Teile sind an den Enden fest zusammengefügt und stellen insgesamt einen einzigen Störungskörper dar. Der axiale Abstand beider Teile wird bestimmt durch die maximale Durchbiegung des vorderen Teils in Strömungsrichtung.

Da in geführten Strömungskanälen, z. B. einem Rohr, die Strcvihalzahl Sir und der Widerstandsbeiwert c». von JO der Kontraktionsziffer. d.h. vom Verhältnis der Strömungsflüche des Siörungskörpers zur Kanalquerschnittsflftche abhängen können, kann in günstigen Fällen, z. B. bei großen Kanaldurchmessern und schlanken Störungskörpern, eine künstliche Kontraktion hervorge- JS rufen werden. Dies ist insbesondere möglich durch Einsetzen von zwei parallel zur Strömungsrichiung und zum Störungskörper verlaufende Leitflächen in einem zu bestimmenden Absland vom Störungskörper. Diese Leitflächen können auch parallel zur Kanalwandung gekrümmt ausgeführt werden, so daß ein koaxialer innerer Kanal entsteht, in welchem die eigentliche Messung vorgenommen wird, wobei nur ein bestimmter Teil des Gesamtmassenstroms durch den inneren Kanal fließt. Der innere Kanal wird auf Stützen im eigentlichen größeren Kanal gehalten, wobei die Stützen hohl sind und die Fortleitung der elektrischen Meßsignalleitungen ermöglichen. Die Ausdehnung der Leitflächen in Strömungsrichtung vor und hinter dem Störungskörper sowie die Dichte der Leitflächen muß so bemessen sein, daß die Strömung im inneren Kanal sich hydrodynamisch voll ausbilden kann. Vorzugsweise soll die Einlaufkante der Leitflächen gut abgerundet sein.

Gegenüber den bekannten Verfahren zur Ermittlung des Massenstroms bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß das Querschnittsprofil des Störungskörpers derart ausgelegt werden kann, daß die Messung in bestimmten Grenzen unabhängig von Schwankungen der chemischen Zusammensetzung, der Dichte, der Viskosität und der Geschwindigkeit des Fluids ist. Darüber hinaus ist das Verfahren wenig anfällig gegen Verschmutzungen des Fluids und insgesamt wartungsarm, da auch keine beweglichen Teile vorhanden sind. Durch entsprechende Auslegung kann der Druckverlust an der Meßstelle gering gehalten werden. Bei der direkten Messung der Strömungskraft wird auch der Massenanteil von Verschmutzungen oder andersphasiger Bestandteile im Fluid im Gesamimassenstrom mit berücksichtigt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Vereinfachung

Fig. la und Ib die periodische Wirbelablösung an einem Störungskörper nach dem Prinzip der Karman'schen Wirbelstraße (rt) und die Wirkungsweise der Strömungskräfle auf den Störungskörper (Λ);

Fig. 2 eine mögliche Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein elastischer Slörungskörper gleichzeitig als Meßwertaufnehmer für die Verformung aufgrund der Widerstands- und der Auftriebskräfte dient;

Fig. 3 eine mögliche Ausführiingsform der Erfindung, bei welcher ein einziger Dehndraht oder ein anderer einzelner Meßweriaufnehmer im Slörungskörper eingesetzt ist. der sowohl die Verformung aufgrund der Widerstands- als auch der Auftriebskraft erfaßt:

F i g. 4 eine mögliche Ausführungsform der Erfindung, bei welcher zwei Meßwertaufnehmer im Störungskörper eingesetzt sind, wobei einer nur die Verformung aufgrund der Widerslandskraft, der andere nur die Verformung aufgrund der Auftriebskraft, erfaßt;

Fig. 5 eine mögliche Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Störungskörper zweigeteilt ist und jedes Teil einen Meßwertaufnehmer enthält, welcher die der Hauptachse seines Flächenträgheitsmoments entsprechende überwiegende Verformung aufgrund der Widerstands- oder der Auftriebskraft erfaßt:

Fig. 6 eine erfindungsgemäße Ausführungsform. bei der zusätzlich zum Störungskörper eine Ultraschallmeßslrecke vorgesehen ist;

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Ausführungsform. bei der ein starrer Störungskörper elastisch gelagert ist:

Fig. 8 eine Vorrichtung, die einen drehbar gelagerten, starren Störungskörper enthält:

Fig. 9 eine Vorrichtung, bestehend aus einem starren mit Bohrungen versehenen Störungikörper. die unbeweglich in der Strömung anzubringen ist:

Fig. 10a- 1Oe mögliche Ausführungsformen des Störungskörpers und

Fig. 11 a u. lib Möglichkeiten zur Veränderung des Kontraktionsverhältnisses im Strömungskanal.

Wird ein Störungskörper I in die Strömung eingebracht, so lösen sich periodisch Wirbel ab. wie es in Fig. I a schematisch dargestellt ist. Aus den auf den Störungskörper wirkenden Strömungskräflen. d.h. der Widerstandskraft F_w und den fiuiddynamischen Auftriebskräften F_A. resultiert eine Verformung eines elastischen Störungskörpers oder seiner elastischen Lagerung. Hier wurde anstelle von Widerstandskörper der Ausdruck Störungskörper gewählt, weil der Körper außer zur reinen Aufnahme der Widerstandskraft zur Erzeugung von Wirbeln dienen soll.

Die Vorrichtung in Fig. 2 besteht aus einem Dehndraht 1 als Störungskörper, der in einem Halter 2 beidseitig eingespannt ist. Durch Verschaltung in eine Meßbrücke 3 wird die Drahtverformung in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Nach der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform wird mit einem einzigen Meßwertaufnehmer4 die Verformung des Störungskörpers 1 erfaßt. Bei allen erfindungsgemäß eingesetzten Störungskörpern können diese zur Verbesserung des Biegeverhaltens hohl ausgeführt und/ oder mit einem biegeelastischen Material, z. B. Kunststoff, beschichtet sein.

Zur Gewinnung von zwei Signalen können bei einer in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform in einen hohlen oder massiven Störungskörper 1 zwei Meßwertaufnehmer5 und 6 eingebracht werden, die so ausgerichtet sind, daß

einer 5 die Verformung durch die Widerstandskraft und der ander 6 nur die Verformung durch die Auftriebskräfte erfaßt.

Gemäß Fig. 5 kann der Störungskörper zur Verbesserung der Biegeeigenschaften hinsichtlich der Wirkung von Widerstandskraft und Auftriebskraft zweigeteilt ausgeführt sein. Die zueinander senkrecht stehenden Teile? und 8 mit eingebauten Meßwertaufnehmern9 und 10 werden an den Enden miteinander befestigt. Zwischen beiden Teilen verbleibt ein Abstund, um die Durchbiegung des vorderen Teils aufgrund der Widerslandskraft zu ermöglichen.

Die Wirbelfrequenz und somil die Strömungsgeschwindigkeit kann berührungslos stromab vom Slörungskörper I mittels einer aus Sender9 und Empfänfer 10 bestehenden Ultraschallmeßstrecke gemessen werden, wie es aus Fig. 6 hervorgeht. Sender und Empfänger werden vorzugsweise an der KanaiauBenwauu angebracht und angepaßt.

Gemäß einer in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Störungskörper 1 durch eine elastische Lagerung 11, z. B. ein Federelement, in der Strömung gehalten. Der Störungskörper 1 weist eine quer zur Strömungsrichtung stehende Platte 12 auf. Auf der Rückseite ist eine weitere parallel zur .Strömungsrichtung stehende Platte 13 vorgesehen. Diese T-förmige Verlängerung des Siörungskörpers verstärkt das Torsionsmoment. Als Meßwertaufnehmer dienen Dehnungsmeßstreifen 14, die kreuzweise auf der Vorder- und Rückseite der Lagerung 11 angebracht sind. Das gewonnene Ausgangssignal wird wie bei den oben beschriebenen Vorrichtungen ausgewertet.

Aus Fig. 8 geht hervor, daß ebenfalls ein Slörungskörper 1 verwendet wird, der auf der Rückseite cine T-(brmigc Verlängerung aufweist. Er kann um eine quer zur Strörr.ürsgsrichiun» stehende Achse Drehschwingungen ausführen. Durch eine Drehfeder 15 wird eine Rückstellkraft in die Ruhelage bewirkt. Ein Drehpotentiometer 16 dient hierbei als Meßwertaufnehmer. Aus dem gewonnenen Signal werden in diesem Fall die Amplitude und die Frequenz ausgewertet.

Die in Fig. 9 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem starren Störungskörper 1 mit quer und parallel zur Strömungsrichtung gerichteten Flächen. Zur Bestimmung des Staudrucks sind zwei Bohrungen 17 und 18 vorgesehen, von denen eine zur Vorderfläche und die andere zu einer Fläche führt, die nicht im Tojwasser liegt. Zwei weitere Öffnungen 19 und 20, die miteinander durch einen Kanal 21 verbunden sind, enden im Totwasserbereich auf zwei Seitenflächen.

die sich gegenüberstehen. Zur Frequenzmessung wird ein Heißdrahtanemomenter 22 verwendet. Die Signale werden in einer entsprechenden Elektronik 23 ausgewertet.

Der Störungskörpsr kann verschiedene Querschnittsprofile besitzen. In Fig. IOa werden an der Rückseite des Störungskörpers scharfe Kanten 24 zur besseren Ablösung der Wirbel angebracht.
Gemäß Fig. 10b kann an der Rückseite des Störungskörpers eine parallel zur Strömungsrichlung verlaufende Fläche 25 zur Verstärkung der Auftriebskräfte vorgesehen sein.

Eine weitere Verbesserung kann mit der in Fig. lOe gezeigten Ausführiingsform erzielt werden, bei der an der

!5 Rückseite des Störungskörpers eine parallel zur Strömungsrichiung verlaufende Fläche 25 und zusätzlich am Ende dieser Fläche zur besseren Formung der Wirbel ausgebildete Lciif!ügc!26 »r.gobruch! sind.

Ferner können gemäß Fig. 1Od ander Vorderseite des .Störungskörpers schräg zur Slrömungsrichtung geneigte Flächen 27 vorhanden sein, um Schmut/tcilchen oder ähnliche im Fluid befindliche Partikel abzuweisen.

Nach der in Fig. 1Oe gezeigten Ausführung wird zum selben Zweck die Vorderseite des Störungskörpers gut abgerundet.

Zur Anpassung des Siörungskörpers an die Sirömungsverhältnisse kann der Querschnitt des Sirömungskanals verändert werden. In Fig. 11a wird dies durch Anbringung von zwei ebenen, dünnwandigen und gegebencnfalls durch Stützen gehaltenen Leitflächen 28 parallel zur Strömung sowie parallel und in gleichem Abstand zum Störungskörper 1 erzielt. Dabei sollten die Einlaufkanten gut gerundel und die Längen der Flächen 28 vor und hinter dem Störungskörper 1 so bemessen »ein. daß die Strömung im so gebildeten inneren Meßkanal, durch welchen nur ein Teilmasserstrom des Fluids strömt, hydrodynamisch ausgebildet ist.

Gemäß Fig. 11b wird derselbe Effekt durch Anbringung eines koaxialen Meßkanals29 im Strömungskanal erreicht, wobei durch diesen Meßkanal nut -in Teilmassenslrom des Fluids strömt und der Störungskörper 1 nur in diesem Meßkanal eingesetzt wird. Die Meßkanalwand sollte dünn und am Einlauf gut gerundet sein. Die Länge des Meßkanals sollte vor und hinter dem Störungskörper eine hydrodynamisch ausgebildete Strömung gewährleisten. Der Meßkanal wird von Stützen 30 gehallen, welche hohl ausgeführt sind und somit die Fortleitung der elektrischen Signalleitungcn von dem oder von den Meßwertaufnehmern durch die Meßkanaiwand und durch die äußere Kanalwand ermöglichen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

•5

Patentansprüche:

I. Verfahren zur dynamischen und dichteunabhängigen Bestimmung des Massenstroms von FIu- iden, bei dem in die Strömung ein einziger Störungskörper eingebracht wird, welcher Wirbel nach dem Prinzip der Karman'schen Wirbelstraße erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß über die Wirkung des Strömungswiderstandes unmittelbar am Stö-

rungskörper der Staudruck I , gr²) und über die Wirkung der Wirbelablösung am Störungskörper die Geschwindigkeit (r) der Strömung ermittelt und der Massenstrom mit Hilfe der Gleichung

-r. A

bestimmt wird, wobei y die Fliud-Dichic und A der Querschnitt des Strömungskanals bedeuten.
2. Verfahren nach Anspruch '.. dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisch verformbarer Störungskörper oder ein starrer, elastisch gelagerter Störungskörper verwendet wird, wobei aus der Verformung aufgrund der Widerstandskraft der Staudruck und aus der Verformung aufgrund der durch die Wirbelablösung erzeugten fluiddynamischen Auftriebskräfte die Geschwindigkeit ermittelt werden und daß aus der von Wid. rstandskraft und fluiddynamischen Auftriebskräften resultierende» Verformung mindestens ein elektrisches Signal gewonnen wird, dessen Amplitude ein Maß für de-.i Shwdruck und dessen Frequenz ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte elektrische Signale gewonnen werden, von denen eines ein Maß für den Staudruck und das andere ein Maß für die Strömungv geschwindigkeit ist.
4. Verfahren nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß ein starrer, drehbar gelagerter Störungskörper verwendet wird, wobei aus der Bewegung des Störungskörpers aufgrund der fluiddynamischen Auftriebskräfte ein einziges Signal gewonnen wird, dessen Amplitude ein Maß für den Staudruck und dessen Frequenz ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist.
5. Verfahren nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß ein starrer, fest eingespannter Störungs- körper verwendet wird, an dem der Staudruck als Meßgröße selbst als elektrisches Signal erfaßt wird und daß aus der Wirkung der durch die Wirbelablösung senkrecht zur Strömungsrichtung hervorgerufenen Druckdifferenz ein weiteres elektrisches Signal gewonnen wird, dessen Frequenz ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist.
6. Verfahren nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, diiü ein elastisch verformbarer Störungskörper verwendet wird, durch dessen Verformung aufgrund der Widerstandskraft der Staudruck ermittelt wird, und daß aus einer stromab vom Störungskörper mit Hilfe einer aus Sender und Empfänger bestehenden Ultraschallmeßslrecke ein weiteres elektrisches Signal gewonnen wird, welches ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnenen elek trischen Signale mit konventionellen elektronischen Schaltungen in analoger oder digitaler Form weiterverarbeitet und in die Ausgabegrößen Massenstrom. Strömungsgeschwindigkeit. Volumenstrom und Fluid-Dichte umgewandelt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die MessuDg lediglich in einem Teilquerschiwtl des Strömungskanals durchgeführt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus einem ein- oder beidseitig eingespannten Störungskörper(l) besteht, der selbst als Meßwertaufnehmer dient oder an dem ein oder zwei Meßwertaufnehiner (4,5,6,14) vorgesehen sind, und daß eine Auswerteelektronik zur Verarbeitung des gewonnenen Signals vorhanden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Störungskörper (1) elastisch verformbar, elektrisch leitfähig und zylindrisch geformt ist und einen geringen Durchmesser besitzt und daß der elektrische Widerstand des Störungskörpers sich bei der Verformung ändert (Fig. 2).
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Störungskörper (I) elastisch verformbar ist urni ein einziger Meßwertuufnehmer (4) vorgesehen ist (Fig. 3).
12. Vorrichtung nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet. d:->ß der Störungskörper (I) elastisch verformbar ist und zwei senkrecht zueinander angeordnete Meßwertaufnehmer (5,6) vorgesehen sind, wobei jeweils der eine vornehmlich die Widerstandskraft und der andere vornehmlich die fluiddynamische Auftriebskraft erfaßt (Fig. 4).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12. dadurch gekennzeichnet, daß der Störungskörper (I) zweigeteilt ist. wobei die beiden Teile (7.*) an den Enden miteinander verbunden sind und daß dv. FUichenträgheiismomente der beiden Teile jeweils so optimiert sind, daß ein Teil vornehmlich die Widerstandskraft und der andere Teil vornehmlich die fluiddynamisehe Auftriebskraft erfaßt (Fig. 5).
14. Vorrichtung nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Slörungskörper (1) elastisch verformbar ist und zur Messung der Widerslandskraft der Sfömung dient und daß eine aus einem Sender (9) und f.mpfängcr (10) bestehende, an der Kanalwand anbringbare Lltraschallmeßslrecke vorgesehen ist. die zur Messung der Wirbelfrequen/ dient (Fig. 6).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche9 bis 14. dadurch gekennzeichnet, daß bei großen Abmessungen des Störungskörperpnifils. die durch eine strömungsiechnische Optimierung gefordert werden, zur Verbesserung des Biegeverhaltens der Störungskörper ( I (oder Zeile davon hohl ausgeführt und oder mit einem bicgeelastischen Material, z. B. Kunststoff, beschichtet sind.
16. Nach Anspruch9, dydurgh gekennzeichnet, daß der Störungskörper (I) starr und elastisch gelagert (11) ist und/oder zwei Meßwertiiufnchmcr (5, 6) vorgesehen sind (Fig. 7).
17. Vorrichtung nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Störungskörper (I) suirr und drehbar gelagert ist und Drehschwingungen um eine Achse senkrecht zur Strömungsrichmng ausführen kann und daß ein Drehmelder (14) ;ils McUwcriaulnehmer vorgesehen ist (Fig. H).
18. Vorrichtung nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Störungskörper (1) starr und fest eingespannt ist und daß an dem Störungskörper mindestens drei Bohrungen (17, 18, 21) vorgesehen sind, wobei mindestens eine Bohrung (17) auf der Vorderfläche endet und die übrigen Bohrungen (18, 21) zu den seitlichen Flächen parallel zur Strömungsrichtung führen und daß die vordere (12) und eine der seitlichen (18) Öffnungen zur Erfassung des Staudrucks und die seitlichen, sich gegenüberliegenden Öffnungen (!9,20) zur Ermittlung der Wirbelablösefrequenz dienen und daß Meßfühler vorhanden sind, welche die erfaßten Druckwerte in elektrische Signale umwandeln (Fig. 9).
19. Vorrichtung nach Anspruch 18. dadurch ge- !5 kennzeichnet, daß zwei seilliche, sich gegenüberliegende Öffnungen (19, 20) miteinander verbunden sind und in den Verbindungskanul (21) ein Hcißdruhuinemometer (22) vorgesehen ist. mit dem die Frequenz der sich aufgrund der Druckschwankungen einstellenden oszillierenden Strömung gemein wird (Fig. 9).
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche9 bis 19. dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Störungskörpers gegen die Strömungsrichtung gekrümmt oder spitz ausgeführt ist. an der Rückseite des Störungskörpers eine oder mehrere parallel zur Strömungsrichtung verlaufende ebene Flächen angebracht sind, wobei an deren Ende vorzugsweise gegen die Strömungsricht ung geneigte Abweisflächen mit scharfen Kanten vorgesehen sind und oder die äußeren Kanten des Störungskörpers scharf ausgebildet sind ( Fia. 10).