DE2036597B2 - Stroemungsgeschwindigkeitsmesser - Google Patents

Description

sind. Dies vereinfacht insbesondere die nachträgliche sendet. Die Schaltung A liefert dann ein neues Impuls-Ausrüstung von Rohrleitungen mit einer derartigen signal zum Sender 4, wenn er ein Signal vom Empfän-Meßeinrichtung wesentlich; es gestattet femer ein gei 5 erhält. Wird dieser Vorgatg wiederholt, so erhält leichtes Wechseln der Meßstelle. man am Ausgang der Schaltung A ein periodisches Der erfindungsgemäße Strömungsgeschwindigkeits- 5 Signal Po, dessen Wiederholungsfrequenz proportional messer kann auch bei undurchsichtigen oder stark ver- zum Kehrwert der Zeit ist, die das vom Sender 4 ausgeunreinigten Strömungsmedien ohne weiteres einge- sandte Ultraschallsignal zum Durchlaufen der Strecke setzt werden. Die Funktion ist ferner von Unregel- zwischen dem Sender 4 und dem Empfänger 5 in der mäßigkeiten der Strömung, etwa von Druckschwan- Strömung F benötigt. Es handelt sich um eine sogekungen, weitgehend unabhängig. io nannte »Sing around«-Ausbildung, wobei die Fre-Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einiger in quenz des am Ausgang der Schaltung A vorhandenen den Zeichnungen veranschaulichter Ausführungsbei- Signals Po als »Sing around«-Frequenz bezeichnet spiele beschrieben. Es zeigt wird.

F i g. 1 die bekannte Bildung von Karman-Wirbeln Die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispieles

stromabwärts eines Strömungshindernisses, 15 soll im folgenden an Hand der F i g. 4 A bis 4 C

F i g. 2 A ein teilweise geschnittenes Ausführungs- erläutert werden.

beispiel der Erfindung, Das Ultraschallsignal durchsetzt das Medium mit

F i g. 2 B einen Querschnitt längs der Linie 115-115 einer konstanten Geschwindigkeit. Herrscht in dem

in F i g. 2 A, Medium jedoch eine Strömung mit einer Geschwindig-

F i g. 3 eine Schemadarstellung, die die Verbindung ao keitskomponente einer Richtung, die mit der Be-

der Ausführung gemäß den F i g. 2 A und 2 B mit wegungsrichtung des Ultraschallsignals zosammen-

den elektrischen Schaltungselementen veranschaulicht, fällt, so ändert sich die Bewegungsgeschwindigkeit

F i g. 4 A bis 4 C Schemadarstellungen zur Erläute- des Ultiaschallsignals im Medium in Abhängigkeit

rung der Wirkungsweise der Ausführung der F i g. 2 A von der Größe und Richtung dieser Geschwindig-

und 2 B, 25 keitskomponente des Mediums.

F i g. 5 ein Diagramm des Ausgangssignals der An- a) Ist kein Wirbel 2 in dem Ultraschallweg SP vor-

ordnung gemäß F i g. 3, handen, längs dem die Ultraschallwellen vom Sender 4

F i g. 6 A eine teilweise geschnittene Schemaansicht zum Empfänger 5 sich ausbreiten (vgl. F i g. 4 A), ist

eines weiteren Ausführungsbeispieles, also in diesem Weg SP keine Geschwindigkeitskompo-

F i g. 6 B einen Querschnitt längs der Linie VIJ5-VI5 30 nente der Strömung des Mediums mit einer Richtung

der F i g. 6 A, vorhanden, die mit der des Ultraschallsignals zusam-

F i g. 7 A und 7 B Diagramme der Ausgangssignale menfällt, so ergibt sich die Zeit τ₀ des sich vom Sender4

des Ausführungsbeispieles der F i g. 6 A und 6 B, zum Empfänger 5 ausbreitenden Ultraschallsignals, also

F i g. 8 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Aus- die Strecke zum Durchlaufen des Weges SP, aus folgen-

führungsbeispieles der Erfindung, 35 der Gleichung:

Fig. 9 A und 9 B Diagramme der Ausgangs- _ D

signale der Anordnung gemäß F i g. 8, ^T° ~ y '

F i g. 10 A eine Schemadarstellung ähnlich F i g. 2 A

unter Verwendung eines anderen Strömungshindernis- Hierbei bedeutet V die Geschwindigkeit des Ultra-

ses, 40 schallsignals im Medium F und D die Länge des Weges

F i g. 10 B einen Querschnitt längs der Linie XB-XB SP, d. h. den Abstand zwischen dem Sender 4 und dem

der F i g. 10 A. Empfänger 5.

Ein Strömungshindernis in Form eines zylindrischen b) Ist ein nach innen drehender Wirbel 2 in der BeGegenstandes 1 ist gemäß den F i g. 2 A und 2 B in wegungsbahn SP vorhanden und ist die quergerichtete eine Strömung F so eingetaucht, daß seine Längsachse 45 Geschwindigkeitskomponente des Wirbels 2 vom Empetwa einen rechten Winkel mit der Strömungsrichtung fänger zum Sender gerichtet (vgl. in F i g. 4 B die bildet. Von dem die Wirbel erzeugenden Stab 1 lösen Komponente F₁), so ergibt sich die Ausbreitungszeit T₁ sich nach innen drehende Karman-Wirbel 2 ab. Die des Ultraschallsignals vom Sender 4 zum Empfänger S Strömung F durchsetzt eine Rohrleitung 3. Auf der durch das Medium aus folgender Gleichung:
Leitung 3 ist stromabwärts des Stabes 1 ein Ultraschall- 50

sender 4 angebracht, der einen Ultraschallstrahl durch _χ __ __<? ι ^ ~ z_, (2)

die Strömung sendet. Auf der dem Sender 4 gegen- ^x V-V₁ V
überliegenden Seite der Rohrleitung 3 ist ein Ultraschallempfänger S angebracht, der die vom Sender 4 Hierbei ist d der Ersatzdurchmesser des Karmanausgesandten Ultraschallsignale aufnimmt. Der Sender 4 55 Wirbels 2.

und der Empfänger S sind so angeordnet, daß ihre c) Strömt der betrachtete Wirbel 2 aus der Lage der

Verbindungslinie etwa rechte Winkel sowohl mit der F i g. 4 B in die Lage gemäß F i g. 4 C, so kehrt sich

Strömungsrichtung F als auch mit der Längsachse des die Richtung der in der Bewegungsbahn SP liegenden

Stabes 1 bildet. Sender 4 und Empfänger 5 bilden eine Geschwindigkeitskomponente des Wirbels 2 um (vgl.

Einrichtung zur Ermittlung der pro Zeiteinheit passie- 60 in F i g. 4 C die Komponente K_?); die Ausbreitungs-

renden, vom Stab 1 abgelösten Wirbel. zeit τ₂ des Ultraschallsignals ergibt sich dann aus fol-

Das in F i g. 3 dargestellte Prinzipschaltbild mit dem gender Gleichung:

Ausführungsbeispiel der F i g. 2 A und 2 B enthält eine , η — ti

Schaltung A mit einem Impulsgenerator und einem Ver- _{Ta =} \. .. .... (3)

stärker, ferner einen Demodulator DM für Frequenz- 65 V+ V·;. V
modulationssignale sowie einen Zähler CO. Die Schaltung A liefert ein Impulssignal an den Ultraschallsen- Wie eine Betrachtung der Fälle a), b) und c) zeigt, der 4, der Ultraschallsignale zum Empfänger 5 hin aus- vergrößert bzw. verringert sich die Ausbreitungszeit τ

des die Strecke SP durchsetzenden Ultraschallsignals signale sind proportional zur Vibrationszahl des Vibra-

gegenüber der Zeit τ₀ beim Hindurchlaufen eines tors 6 unterbrochen.

Karman-Wirbels durch den Ausbreitungsweg SP Das in F i g. 7 A dargestellte Ausgangssignal des

der Ultraschallwellen. Empfängers 5 ergibt sich, wenn die Strömungsge-

Das Diagramm der F i g. 5 zeigt die Beziehung 5 schwindigkeit des Strömungsmittels (Mediums) F klein

zwischen der Ausbreitungszeit τ des Ultraschallsignals und infolgedessen auch die Vibrationszahl des Vibra-

und der Zeit 1. Die Zahl der Änderungen der Zeit τ tors 6 verhältnismäßig klein ist. Das in F i g. 7 B dar-

pro Zeiteinheit entspricht der Anzahl der Wirbel, die gestellteAusgangssignaldesEmpfängersSergibtsichda-

den Ausbreitungsweg SP passieren, d. h. der Zahl der gegen bei verhältnismäßig großer Strömungsgeschwin-

sich von dem Stab 1 ablösenden Wirbel. io digkeit und entsprechend großer Vibrationszahl des

Hieraus ergibt sich, daß sich die Frequenz des Aus- Vibrators 6.

gangssignals Po am Ausgang der Schaltung A (F i g. 3) Man kann infolgedessen die Strömungsgeschwindigmit der Anzahl der Änderungen der Ausbreitungszeit τ keit bzw. die Strömungsmenge durch Zählen der unterdes Ultraschallsignals ändert. Anders ausgedrückt: brochenen Ausgangssignale des Empfängers 5 messen. Man erhält am Ausgangsanschluß der Schaltung A ein 15 Die Schaltungselemente A, DM und CO erfüllen zu Signal Po, das mit der Zahl der den Ausbreitungsweg diesem Zweck die gleichen Funktionen wie gemäß SP passierenden Karman-Wirbel frequenzmoduliert ist. F i g. 3.

Dieses Signal Po wird durch den Demodulator DM Bei dem in F i g. 8 dargestellten weiteren Aus-

demoduliert; sein Ausgangssignal wird dem Zähler CO führungsbeispiel sind gleichfalls ein zur Wirbelerzeu-

zugeführt, dessen Zählwert ein Maß für die Strömungs- ao gung dienender Stab 1, eine Welle 7 und ein Vibrator 6

geschwindigkeit ist. in der Leitung 3 angebracht. Der Ultraschallsender 4

Das in F i g. 6 dargestellte weitere Ausführungsbei- und der Empfänger 5 sind jedoch auf einer einzigen spiel der Erfindung enthält wie das zuvor erläuterte Bei- Seite, und zwar auf der der Seite 6 A des Vibrators 6 spiel einen in die Strömung F (das Medium) eingetauch- gegenüberliegenden Seite der Leitung 3 angeordnet, ten, die Karman-Wirbel erzeugenden Stab 1. Ein as Der Vibrator 6 besteht aus den Teilen 61 und 62, wobei plattenförmiger Vibrator 6 besteht aus einem die Ultra- der näher an der Welle 7 befindliche Teil 61 aus einem schallwellen reflektierenden Material und ist zum Material besteht, das die Ultraschallwelle nicht reflek-Zwecke der Vibration auf einer Welle 7 angeordnet. tieren kann, während der anschließende Teil 62 aus Die Welle 7 ist in der Rohrleitung 3 stromabwärts des einem reflektierenden Material besteht. Eine Schal-Stabes 1 so angeordnet, daß ihre Achse etwa parallel 30 tung A mit einem Impulsgenerator und einem Verzu der des Stabes 1 liegt. Die Stärke L des Vibrators 6 stärker liefert einen Impuls an den Sender 4 zur Erist größer als der Durchmesser des Ultraschallstrahles zeugung von Ultraschallsignalen. Das vom Sender 4 gewählt; befindet sich der Vibrator 6 daher in der Lage emittierte Ultraschallsignal ist auf den Vibrator 6 gegemäß F i g. 6 B, so kann das vom Sender 4 ausge- richtet, wird von diesem reflektiert und dann durch den sandte Ultraschallsignal nicht zum Empfänger 5 gelan- 35 Empfänger 5 aufgenommen. Die Schaltung A liefert gen. Der Vibrator 6 führt nun um die Welle 7 in Rieh- ein neues Impulssignal an den Generator 4, wenn der tung der Pfeile a_x bzw. a₂ (F i g. 6 B) eine hin- und Empfänger 5 das reflektierte Ultraschallsignal aufgehergehende Flatterbewegung in Abhängigkeit von den nommen hat. Diese Elemente arbeiten somit ebenso wie durch den Stab 1 erzeugten Wirbeln aus. Die Anzahl bei der Ausführung gemäß F i g. 3 entsprechend einer der Vibrationen des Vibrators 6 ist dabei streng propor- 40 »Sing around«-Anordnung. Wie zuvor sind noch ein tional zur Zahl der vom Stab 1 erzeugten Wirbel, d. h. Frequenzmodulationsdemodulator DM und ein Zähler zur Zahl der Karman-Wirbel. Der Ultraschallsender 4 CO vorgesehen.

und der Ultraschallempfängers sind an der Rohr- Die Ausbreitungszeit τ des Ultraschallsignals vom

leitung 3 stromabwärts des Stabes 1 so angebracht, daß Sender 4 zum vibrator 6 und von diesem zum Emp-

die den Sender 4 und dem Empfänger 5 verbindende 45 fänger 5 ergibt sich aus folgender Gleichung:
Linie etwa parallel zur Achse der Welle 7 verläuft. Der

vom Sender 4 emittierte Ultraschallstrahl wird auf der d

dem Sender 4 gegenüberhegenden Seite vom Vibrator6 ^τ — * — · (4)
reflektiert, wenn sich dieser in der Lage gemäß F i g. 6 B

befindet. 50

Wird nun der Vibrator 6 in Richtung des Pfeiles O₁ Hierbei ist D der doppelte Abstand zwischen

oder a₂ durch einen Karman-Wirbel2 gedreht und Sender4 bzw. Empfängers und Vibrator6, V die

dadurch gegenüber der Bewegungsbahn SP ausge- Geschwindigkeit des Ultraschallsignals im Strö-

lenkt, so gelangt das Ultraschallsignal vom Sender 4 mungsmittel.F und ύ eine Konstante,
zum Empfänger 5. Kehrt dann der Vibrator 6 aus seiner 55 Bei der Ausführung gemäß F i g. 8 ändert sich die

Ablenkstellung wieder in die Mittellage, d. h. in die Übertragungslänge D des Ultraschallsignals entspre-

Bewegungsbahn SP gemäß F i g. 6 B zurück, so wird chend den Vibrationen des Vibrators 6; demgemäC das vom Sender 4 ausgesandte Ultraschallsignal wieder ändert sich auch die Zeit τ mit der Vibration des Vibra-

durch den Vibrator 6 reflektiert und kann daher nicht tors 6. Entsprechend schwankt daher auch die Frezum Empfänger 5 gelangen. Der geschilderte Vorgang 60 quenz der Impulse, die von der Schaltung A abgegeber

wiederholt sich dann bei jedem Vorbeilaufen eines werden (vgl. Fig.9). Das SignalPo wird daher ent

Karman-Wirbels am Vibrator 6. sprechend der Vibration des Vibrators 6 frequenzmo·

Werden dem Ultraschallsender 4 von einem Impuls- duliert F i g. 9 A zeigt den Fall einer verhältnismäßig

signalgenerator OS laufend Impulssignale zugeführt, so hohen Geschwindigkeit der Strömung jF, während ü

emittiert der Sender 4 laufend Ultraschallsignale in 65 F i g. 9 B der Fall einer verhältnismäßig geringen Ge

Richtung auf den Empfänger 5. Man erhält dann an schwindigkeit dargestellt ist. Da das Ultraschalisigna

den Ausgangsanschlüssen des Empfängers 5 Ausgangs- im allgemeinen in der Strömung F gedämpft wird, is

signale gemäß den F i g. 7 A und 7 B. Diese Ausgangs- das Ausgangssignal Po leicht amplitudenmoduliert

entsprechend der Vibration des Vibrators 6 (vgl. F i g. 9 A und 9 B). Das Ausgangssignal Po des Empfängers 5 wird durch den Demodulator DM demoduliert und durch den Zähler CO gezählt, der somit ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit der Strömung liefert.

Das in den F i g. 10 A und 10 B dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet zur Erzeugung der Karman-Wirbel als Strömungshindernis einen Stab 1 mit einer Anzahl von Querbohrungen 11, durch die das Strömungsmittel in beiden Richtungen frei hindurchströ-

men kann, wodurch eine Stabilisierung in der Erzeugung der Karman-Wirbel erreicht wird. Die auf den Stab 1 auftreffende Strömung wird in zwei Teilströme F₁ und F₂ unterteilt, die unter Bildung der Karman-Wirbel die beiden Seiten des Stabes 1 umströmen. Durch das von den Querbohrungen 11 bewirkte, periodische Ansaugen und Anstoßen der Strömung werden abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten des Stabes 1 im ganzen axialen Längsbereich gleichmäßige Bedingungen für die Bildung und das Ablösen der Karman-Wirbel geschaffen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 eingetaucht (vgl. Fig. 1), so bilden sich stromab- Patentansprüche: waits von diesem Strömungshindernis in regelmäßigen Abständen abwechselnd auf beiden Seiten nach innen

1. Strömungsgeschwindigkeitsmesser, bei dem in drehende Wirbel (2), die vom Strömungshindernis 1 in einer vom Strömungsmedium durchsetzten Leitung 5 zwei parallelen Reihen gegeneinander versetzt stromern zur Erzeugung von Karman-Wirbeln dienendes, abwärts wandern. Die Bildung dieser sogenannten längliches Strömungshindernis und stromabwärts Karman-Wirbel erfolgt abwechselnd auf beiden Seiten von diesem eine die gebildeten Karman-Wirbel des Strömungshindernisses in periodischer Folge. Die längs einer etwa senkrecht zur Strömungsrichtung Frequenz dieser Karman-Wirbel hängt von der Ströverlaufenden Linie berührungsfrei abtastende Ein- io mungsgeschwindigkeit ab. Auf diesem physikalischen richtung vorgesehen ist, dadurch gekenn- Vorgang beruhend wurden Strömungsgeschwindigkeitszeichnet, daß die Abtasteinrichtung durch messer entwickelt, die die Frequenz der auftretenden einen Ultraschallsender (4) und einen Ultraschall- Karman-Wirbel bestimmen und hierdurch die Ströempfänger (S) gebildet wird und ein Zähler (A, DM, mungsgeschwindigkeit messen.

CO) vorgesehen ist, der die Frequenz der Änderung 15 Es ist bekannt, zu diesem Zweck stromabwärts des

derAusbreitungszeitderUltraschallsignaleermittelt. Strömungshindernisses als Sensor einen Hitzdraht an-

2. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach An- zuordnen. Er unterliegt jedoch einer beträchtlichen spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultra- Korrosion. Es ist weiterhin bekannt, stromabwärts des schallsender (4) und der Ultraschallempfänger (S) Strömungshindernisses einen Vibrator anzuordnen, so angeordnet sind, daß die Ultraschallsignale 20 dessen Vibration unmittelbar mechanisch gemessen das Strömungsmedium längs einer etwa senkrecht wird. Zu diesem Zweck muß die Achse des Vibrators zur Längsachse des Strömungshindernisses (1) durch die Wandung der Rohrleitung hindurchgeführt verlaufenden Linie durchsetzen. werden, was wegen der erforderlichen Abdichtung

3. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach An- konstruktiv aufwendig ist.

spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler 25 Man hat weiterhin die Karman-Wirbel bereits

eine Schaltung (A) zur Erzeugung von Impulssigna- unmittelbar an der Ablösezone der Grenzschicht ge-

len enthält, deren Frequenz der Ausbreitungszeit zählt. Die exakte Druckmessung an diesen Ablöse-

der Ultraschallsignale umgekehrt proportional ist, zonen bereitet jedoch vor allem bei verunreinigten

wobei diese Schaltung (A) beim Empfang von Signa- Strömungsmedien sowie beim Auftreten von Druck-

len des Ultraschallempfangers (5) Impulssignale an 30 Schwankungen im Strömungsmittel Schwierigkeiten, da

den Ultraschallsender (4) abgibt, und daß an diese dann das Ablösen der Grenzschicht unter Bildung der

Schaltung (A) ein zur Demodulation der Impuls- Karman-Wirbel leicht instabil wird, zumindest was die

signale dienender Demodulator (DM) angeschlos- örtliche Lage der Grenzschichtablösung anbelangt,

sen ist, dem eine Einrichtung (CO) zur Zählung der Es ist schließlich ein Strömungsgeschwindigkeits-

Ausgangssignale des Demodulators nachgeschaltet 35 messer entwickelt worden, der die Karman-Wirbel

ist. stromabwärts vom Strömungshindernis längs einer

4. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach An- etwa senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromab- Linie berührungsfrei durch einen Lichtstrahl abtastet, wärts des Strömungshindernisses (1) ein Vibrator Hierbei muß allerdings die Rohrleitung, die das zu (6) mit parallel zur Längsachse des Strömungs- 40 messende Strömungsmedium führt, mit Fenstern für hindernisses liegender Vibrationssache (7) so ange- den eintretenden und austretenden Lichtstrahl verordnet ist, daß er die gleichfalls parallel hierzu sehen werden, was verhältnismäßig kostspielig ist und verlaufenden Ultraschallsignale bei seiner Vibra- einen nachträglichen Anbau der Meßeinrichtung an tionsbewegung periodisch unterbricht (F i g. 6). vorhandene Leitungen bzw. einen Wechsel der Meß-

5. Strömungsgeschwindigkeitsmesser nach den 45 stelle außerordentlich erschwert. Ungünstig ist ferner, Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß daß mit der bekannten Einrichtung eine Messung von stromabwärts des Strömungshindernisses (1) ein undurchsichtigen oder stark verunreinigten Strömungs-Vibrator (6) mit parallel zur Längsachse des medien nicht möglich ist.

Strömungshindernisses liegender Vibrationsachse (7) Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

so angeordnet ist, daß er die senkrecht zur Längs- 50 unter Vermeidung der Mangel der bekannten Ausfüh-

achse des Strömungshindernisses verlaufenden rangen einen mit einer berührungsfrei arbeitenden

Ultraschallsignale zu dem auf der gleichen Seite wie Abtasteinrichtung versehenen Strömungsgeschwindig-

der Ultraschallsender (4) angeordneten Ultraschall- keitsmesser zu entwickeln, der sich leicht bei vorhande-

empfänger (5) hin reflektiert (F i g. 8). nen Rohrleitungen an beliebiger, gewünschter Stelle

55 anbringen läßt, einfach aufgebaut ist und auch bei

stark verunreinigten sowie undurchsichtigen Strömungsmedien eine zuverlässige Messung gestattet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

Die Erfindung betrifft einen Strömungsgeschwindig- löst, daß die Abtasteinrichtung durch einen Ultrakeitsmesser, bei dem in einer vom Strömungsmedium 60 schallsender und einen Ultraschallempfänger gebildet durchsetzten Leitung ein zur Erzeugung von Karman- wird und ein Zähler vorgesehen ist, der die Frequenz der Wirbeln dienendes, längliches Strömungshindernis Änderung der Ausbreitungszeit der Ultraschallsignale und stromabwärts von diesem eine die gebildeten ermittelt. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungs-Karman-Wirbel längs einer etwa senkrecht zur Strö- gemäßen Ausführung besteht in der Möglichkeit, die mungsrichtung verlaufenden Linie berührungsfrei ab- 65 beiden Hauptelemente der Abtasteinrichtung, nämlich tastende Einrichtung vorgesehen ist. den Ultraschallsender und den Ultraschallempfänger, Wird ein längliches Strömungshindernis 1 (beispiels- von außen an die Wand der Rohrleitung anzusetzen, weise ein zylindrischer Gegenstand) in eine Strömung F ohne daß Durchbrüche, Fenster od. dgl. erforderlich