DE3914569C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser nach dem Prinzip der Fluidoszillatoren mit einem Gehäuse mit einem Eingang und einem Ausgang sowie Mitteln zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahles mit zwei entgegengesetzt drehenden Primärwirbeln und mindestens einem Meßkanal, wobei zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Gehäuses eine Kammer ausgebildet ist, so daß der Flüssigkeitsstrahl durch die Vorrichtung hindurch in die Kammer hinein und durch den Ausgang aus der Kammer herausfließt, und wobei in der Kammer zwei Keile angeordnet sind, die mit ihren Innenseiten einen Kanal bilden, in den die Vorrichtung den Flüssigkeitsstrahl hineinleitet.

Ein Durchflußmesser dieser Art ist durch JP 59-1 87 221 A in Patents Abstr. of Japan, Sect. P. Vol. 9 (1985), Nr. 48 (P-338) bekannt. Die einander zugekehrten Innenseiten der beiden Keile sind bei diesem bekannten Durchflußmesser eben. Dieser bekannte Durchflußmesser arbeitet nur bei einem sehr begrenzten Durchflußmengenbereich, da die Wirbelbildung nicht bei jeder Durchflußmenge gleichmäßig erfolgt.

Wie die DE-OS 29 24 675 zeigt, ist es bei Durchflußmessern auch bekannt, den Durchflußkanal konvergierend auszubilden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Durchflußmesser der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß in einem sehr großen Bereich der Durchflußmenge eine hohe Meßgenauigkeit erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Innenseiten der beiden Keile konvex gewölbt sind und der Kanal konvergierend ausgebildet ist, während die Außenseiten der Keile eben sind, daß die dem Eingang zugekehrten Spitzenabschnitte der Keile abgerundete Übergänge zwischen den Innenseiten und den Außenseiten der Keile bilden, und daß der konvergierende Kanal in einen Luftspalt zwischen den Keilen übergeht, der sich zum Ausgang hin wieder entsprechend den konvex ausgebildeten Innenseiten der Keile erweitert.

Mit dieser Ausgestaltung und Anordnung der Keile wird erreicht, daß über einen wesentlich größeren Bereich der Durchflußmenge die Wirbelbildung gleichmäßig ist (d. h. die Frequenz der Wirbel gleich bleibt), wobei nur ein kleiner Teil des Flüssigkeitsstrahles durch den Luftspalt zum Ausgang gelangt, während der Großteil des Flüssigkeitsstrahles über die Innenseiten der Keile hochsteigt und über die abgerundeten Spitzenabschnitte als wenig gestörte Primärwirbel auf die Außenseiten der Keile gelangt. Damit wird über einen sehr großen Bereich der Durchflußmenge eine hohe Meßgenauigkeit erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Durchflußmessers sind den Unteransprüchen und der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 im Schnitt einen Durchflußmesser mit einem eingeschlossenen Wirbelpaar nach dem Prinzip der Fluidoszillation

Fig. 2 eine Ansicht in den Ausgang des Durchflußmessers nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des Durchflußmessers nach Fig. 1, wobei die Schraffur nicht gezeichnet ist, um die Abmessungen leichter einzeichnen und lesen zu können,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Keiles, wie er der Fig. 3 zu entnehmen ist, und

Fig. 5 eine ermittelte Abhängigkeit der Frequenz und des Druckabfalles von der Durchflußmenge bei einem typischen Durchflußmesser mit einem eingeschlossenen Wirbelpaar nach Fig. 3 und 4.

In Fig. 1 ist der Querschnitt durch einen Durchflußmesser mit einem eingeschlossenen Wirbelpaar nach der Erfindung gezeigt. Der Durchflußmesser 6 hat ein Gehäuse 7 mit dem als Eingangsdüse ausgebildeten Eingang 8 und dem Ausgang 25. Die Eingangsdüse des Eingangs 8 gibt einen Flüssigkeitsstrahl ab, der zwei entgegengesetzt drehende Primärwirbel um die Strömungsmittellinie 10 und eine Vielzahl von Sekundärwirbeln erzeugt. Die Eingangsdüse richtet den Flüssigkeitsstrahl entlang der Strömungsmittellinie 10 in die Kammer 9. Es ist allgemein bekannt, daß es auch andere Verfahren gibt, um einen Flüssigkeitsdüsenstrahl zu erzeugen und auszurichten, wie z.B. anders ausgebildete Düsen, ein langer Durchlauf einer Röhre, einer kreisförmigen Blendenscheibe in einer Rohrleitung und dgl.

Die Keile 11 und 16 sind in der Kammer 9 befestigt. Dabei sind die Außenseiten 13 und 18 der Keile 11 und 16 eben. Die Innenseiten 12 und 17 der Keile 11 und 16 haben eine konvexe Wölbung. Es ist wichtig, daß die Innenseiten 12 und 17 der Keile 11 und 16 eine konvexe Wölbung aufweisen und symmetrisch zur Strömungsmittellinie 10 angeordnet sind, so daß der Durchflußmesser mit dem eingeschlossenen Wirbelpaar einen großen Arbeitsbereich für die Durchflußmenge erhält. Sind nämlich die Innenseiten 12 und 17 der Keile 11 und 16 eben ausgebildet, dann arbeitet der Durchflußmesser mit dem eingeschlossenen Wirbelpaar nur in einem begrenzten Arbeitsbereich der Durchflußmenge. Die dem Eingang 8 zugekehrten Spitzenabschnitte 14 und 19 der Keile 11 und 16 bilden abgerundete Übergänge zwischen den Innenseiten 12 und 17 und den Außenseiten 13 und 18.

Der Luftspalt 20 wird zwischen der Innenseite 12 des Keiles 11 und der Innenseite 17 des Keiles 16 gebildet. Der konvergierende Kanal 15 entsteht zwischen den oberen, dem Eingang 8 zugekehrten Abschnitten der Innenseiten 12 und 17 der Keile 11 und 16. Der konvergierende Kanal 15 geht in den Luftspalt 20 über. Die Eingangsdüse des Eingangs 8 richtet den Flüssigkeitsstrahl in den konvergierenden Kanal 15. Ein Teil des Flüssigkeitsstrahles fließt durch den Luftspalt 20 zwischen den Keilen 11 und 16, der Hauptanteil des Flüssigkeitsstrahles fließt jedoch an den Innenseiten 12 und 17 hoch und über die Spitzenabschnitte 14 und 19 der Keile 11 und 16 zu den Außenseiten 13 und 18 und über diese zum Ausgang 25. Ein kleiner Prozentsatz, ungefähr weniger als 15%, fließen durch den Luftspalt 20 zwischen den Keilen 11 und 16 und bringen die beste Lösung für einen Durchflußmesser 6 mit einem eingeschlossenen Wirbelpaar.

Es ist offensichtlich, daß die Eingangsdüse des Einganges 8 und der Ausgang 25 dicht mit einer Rohrleitung, einer Röhre, einem Schlauch oder dgl. verbunden sind. Es ist außerdem selbstverständlich, daß das Gehäuse 7 verschiedene äußere Formen haben kann, daß es in eine Rohrleitung einbezogen oder in einem Flüssigkeitsstrom angeordnet sein kann. Auch die Eingangsdüse im Eingang 8 kann unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen oder als langer gerader Durchlauf einer Röhre, Rohrleitung oder eines Kanals ausgebildet sein. Es ist jedoch wichtig, daß der Flüssigkeitsstrahl in bezug auf die Strömungsmittellinie 10 zwei entgegengesetzt drehende Wirbel aufweist.

Die Keile 11 und 16 können verschiedene konvexe Form haben, die den konvergierenden Kanal 5 und den Luftspalt 20 bilden. Die Keile 11 und 16 können aus verschiedenen Materialien bestehen, wie Kunststoff, Acrylharz, Metall, Glas oder dgl. Die Keile 11 und 16 erstrecken sich über die gesamte Dicke der Kammer 9, wie die Ansicht nach Fig. 2 erkennen läßt. Die Keile 11 und 16 sowie die Kammer 9 können einen großen Dickenbereich umfassen, ohne daß dadurch die Gesamtleistung des Durchflußmessers 6 mit dem eingeschlossenen Wirbelpaar beeinträchtigt wird.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ungefähr zwischen der Seitenwand der Kammer 9 und den Spitzenabschnitten 14 und 19 der Keile 11 und 16 die Meßkanäle 21 und 22 angeordnet. Die Meßkanäle 21 und 22 können selbstverständlich auch an anderen Stellen der Kammer 9 angeordnet sein, die eine genaue Erfassung der Schwingungsfrequenz des Flüssigkeitsstrahles zulassen.

Die Instabilität des eingeschlossenen Wirbelpaares bildet die Meßfunktion und klassifiziert den Durchflußmesser als einen Flüssigkeits-Durchflußmesser. Das Wirbeleinschlußprinzip unterscheidet sich grundsätzlich von den Prinzipien anderer bekannter Durchflußmesser. Die bekannten Durchflußmesser verwenden entweder Klippenkörper, den Coanda- Effekt oder eine Flüssigkeitsrückkopplungsschleife, um ein schwankendes Drucksignal zu erzeugen. Das Wirbeleinschlußverfahren dagegen verwendet zwei Meßflüssigkeitsstrahlen, die zwei entgegengesetzt drehende Primärwirbel bilden. Die beiden entgegengesetzt drehenden Wirbel, das Wirbelpaar, sind in dem konvergierenden Kanal 15 eingeschlossen.

Ein Teil des Flüssigkeitsstrahles fließt durch den Luftspalt 20 zwischen den Keilen 11 und 16, aber der Hauptteil des Flüssigkeitsstrahles läuft über die Spitzenabschnitte 14 und 19 auf die Außenseiten 13 und 18 der Keile 11 und 16 und an diesen entlang zum Ausgang 25. Das in dem konvergierenden Kanal 15 eingeschlossene Wirbelpaar ist instabil und bewegt sich in wechselnder Bewegung in den Kanal 15 hinein und aus dem Kanal 5 heraus. Die Wirbelbewegung erzeugt abwechselnd hohe und niedrige Drücke, die mittels Druckwandler erfaßt werden, welche an die Meßkanäle 21 und 22 angeschlossen sind. Da sowohl das Geschwindigkeitsbild als auch das Druckbild in der Kammer 9 mit einer der Durchflußmenge proportionalen Frequenz schwingt, kann jede Art Durchflußmeßeinrichtung, wie Hitzdrähte, Thermistoren, Laser-Windstärkemesser, Absolut- und Differentialdruckwandler oder dgl. verwendet werden, um die Flüssigkeitsschwankungen feststellen und festhalten zu können.

Da die durch den Flüssigkeitsstrahl eingeführte Flüssigkeit sowohl durch den Luftspalt 20 als auch um die Keile 11 und 16 fließt, arbeitet ein Durchflußmesser mit dem eingeschlossenen Wirbelpaar bei einem gegebenen Gesamtdruckabfall am Durchflußmesser mit einer größeren Durchflußmenge wie vergleichsweise andere bekannte Durchflußmesser. Ein Durchflußmesser mit einem eingeschlossenen Wirbelpaar kann das Volumen der Durchflußmenge sowohl eines laminaren als auch eines turbulenten Flüssigkeitsstromes messen. Der Durchflußmesser 6 mit dem eingeschlossenen Wirbelpaar läßt über einen großen Arbeitsbereich der Durchflußmenge eine genaue Messung des Flüssigkeitsstromes zu.

Der konvergierende Kanal 15 hindert die entgegengesetzt drehenden Wirbel des Flüssigkeitsstrahles an der Abflußbewegung. Die Wirbel schwingen innerhalb des konvergierenden Kanals 15 hin und her. Diese Schwingungen erzeugen eine Druckschwankung in dem Flüssigkeitsstrom mit einer Frequenz, die zur Durchflußmenge proportional ist. Die Frequenz der Schwingung ist zur Durchflußmenge annähernd linear.

Die untere Grenze der Durchflußmenge, die von einem Durchflußmesser 6 mit eingeschlossenem Wirbelpaar erfaßt werden kann, hängt von der Reynold′schen Zahl (dem Verhältnis der Trägheitskräfte zu den Zähigkeitskräften) ab. Unterhalb einer bestimmten Reynold′schen Zahl schwingt das Wirbelpaar nicht mehr und es entsteht daher auch kein Drucksignal. Die obere Grenze der Durchflußmenge durch den Durchflußmesser 6 mit eingeschlossenem Wirbelpaar wird durch den zulässigen Gesamtdruckabfall am Durchflußmesser bestimmt.

Der Durchflußmesser 6 mit eingeschlossenem Wirbelpaar verwendet ein schwingendes Flußmuster, das sich grundsätzlich von den Flußmustern anderer bekannter Durchflußmesser unterscheidet. Die Druckschwankungen, die durch die in dem konvergierenden Kanal 15 schwingenden, eingeschlossenen Wirbel entstehen, erstrecken sich über einen großen Arbeitsbereich und liefern eine genauere Eichung und Meßgenauigkeit als die bekannten Durchflußmesser. Der Durchflußmesser 6 mit eingeschlossenem Wirbelpaar hat über den Eichbereich keinen Signalverlust und bei einer gegebenen Durchflußmenge stets dieselbe Frequenz.

Andere bekannte Durchflußmesser, die keine sich bewegenden Teile aufweisen, haben eine Stoßstelle, die auf einer zur Achse des Flüssigkeitsstrahles konkaven Oberfläche liegt. Die konkave Oberfläche hat einen geschlossenen Boden. Der Durchflußmesser 6 mit eingeschlossenem Wirbelpaar hat eine Stoßstelle zwischen zwei konvexen Oberflächen, wobei ein Teil des Flüssigkeitsstrahles durch einen Luftspalt 20 zwischen den konvexen Oberflächen fließt. Es ist hierbei wichtig, daß ein Teil des Flüssigkeitsstrahles durch den Luftspalt 20 fließt, um den Gesamtwirkungsgrad des Durchflußmessers 6 mit eingeschlossenem Wirbelpaar durch Reduzierung des Gesamtdruckabfalles am Durchflußmesser zu erhöhen.

Das folgende Ausführungsbeispiel zeigt in Einzelheiten eine spezifische Ausgestaltung, die nur beispielhaft aber nicht einschränkend betrachtet werden darf.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Durchflußmessers 6 mit eingeschlossenem Wirbelpaar mit folgenden Abmessungen:

A = 0,56 cm,
B = 0,28 cm,
C = 3,17 cm,
D = 3,53 cm,
E = 12 cm,
F = 10°,
G = 0,71 cm,
H = 1,19 cm,
I = 7,28 cm,
J = 0,1 cm,
K = 0,56 cm,
L = 10 cm.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Keiles 16 mit folgenden Abmessungen:

M = 0,51 cm,
N = 3,17 cm,
P = 1,78 cm,
Q = 1,78 cm,
R = 2,18 cm.

In dem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Kammer 9 und der Keile 11 und 16 jeweils 2,38 cm.

In Fig. 5 ist die ermittelte Graphik der Frequenz und des Druckabfalles in Abhängigkeit der Durchflußmenge für einen typischen Durchflußmesser 6 mit eingeschlossenem Wirbelpaar mit den vorstehenden Abmessungen aufgezeichnet.

Der Anwendungsbereich ist im allgemeinen als Maximal-Durchflußmenge bei einem vorgegebenen Gesamtdruckabfall, dividiert durch die Minimal-Durchflußmenge, definiert. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Anwendungsbereich als die Durchflußmenge definiert, bei der der Druckabfall 15 mm Wassersäule geteilt durch die Minimal-Durchflußmenge ist. Es ergibt sich dann ein Anwendungsbereich von 70. Wenn für die obere Durchflußmenge keine Beschränkung auferlegt ist, kann der Anwendungsbereich mindestens 200 betragen.

Die nachstehenden Testdaten zeigen die Wirkung des Wölbungsradius der Innenseiten 12 und 17. Bei den vorstehend aufgeführten Abmessungen, mit Ausnahme von B=0,076 cm, und einem Wölbungsradius von 3,17 cm der konvexen Kurven, wird eine Minimal-Durchflußmenge von 19,220 cm³ pro Stunde erreicht. Wenn die Innenseiten 12 und 17 einen unendlichen Radius haben, d.h. eben sind, dann beträgt die Minimal-Durchflußmenge 26,900 cm³ pro Stunde. Wenn die Innenseiten 12 und 17 einen Wölbungsradius von 3,17 cm einer konkaven Kurve haben, dann tritt keine Schwingung mehr auf.

Während in der vorstehenden Beschreibung ein ganz spezielles Ausführungsbeispiel beschrieben und viele Einzelheiten zum Zwecke der Erläuterung vorausgesetzt wurden, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß zusätzliche Ausführungsbeispiele möglich sind und daß bestimmte, hier erläuterte Einzelheiten wesentlich variiert werden können.

Claims (9)

1. Durchflußmesser nach dem Prinzip der Fluidoszillation mit einem Gehäuse mit einem Eingang und einem Ausgang sowie Mitteln zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahles mit zwei entgegengesetzt drehenden Primärwirbeln und mindestens einem Meßkanal, wobei zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Gehäuses eine Kammer ausgebildet ist, so daß der Flüssigkeitsstrahl durch die Vorrichtung hindurch in die Kammer hinein und durch den Ausgang aus der Kammer herausfließt, und wobei in der Kammer zwei Keile angeordnet sind, die mit ihren Innenseiten einen Kanal bilden, in den die Vorrichtung den Flüssigkeitsstrahl hineinleitet, dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenseiten (12, 17) der beiden Keile (11, 16) konvex gewölbt sind und der Kanal (15) konvergierend ausgebildet ist, während die Außenseiten (13, 18) der Keile (11, 16) eben sind,
daß die dem Eingang (8) zugekehrten Spitzenabschnitte (14, 19) der Keile (11, 16) abgerundete Übergänge zwischen den Innenseiten (12, 17) und den Außenseiten (13, 18) der Keile (11, 16) bilden, und
daß der konvergierende Kanal (15) in einen Luftspalt (20) zwischen den Keilen (11, 16) übergeht, der sich zum Ausgang (25) hin wieder entsprechend den konvex ausgebildeten Innenseiten (12, 17) der Keile (11, 16) erweitert.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseiten (12, 17) der Keile (11, 16) symmetrisch zu einer Strömungsmittellinie (10) des Flüssigkeitsstrahles angeordnet sind.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (8) eine als Eingangsdüse ausgebildete Vorrichtung aufweist.

4. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (9) und die Keile (11, 16) gleiche Dicke, z. B. 2,38 cm aufweisen.

5. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexen Innenseiten (12, 17) der Keile (11, 16) in den dem Eingang (8) zugekehrten Abschnitten mit einem ersten Radius (N) von etwa 3,17 cm und in dem dem Ausgang (25) zugekehrten Abschnitt mit einem zweiten Radius (P) von 1,78 cm gewölbt sind, wobei der Übergangsradius (M) der Spitzenabschnitte (14, 19) 0,51 cm beträgt.

6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (J) des Luftspalts (20) 0,1 cm beträgt.

7. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die abgerundeten Spitzenabschnitte (14, 19) im Abstand (H) von 1,19 cm von der Strömungsmittellinie (10) des konvergierenden Kanals (15) angeordnet sind.

8. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen diesen Seitenwänden der Kammer (9) und den dem Eingang (8) zugekehrten Spitzenabschnitten (14, 19) der Keile (11, 16) jeweils ein Meßkanal (21, 22) angeordnet ist.

9. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkanäle (21, 22) mit einem Differenzdruckwandler verbunden sind.