DE2858092C2

DE2858092C2 - Anordnung zur Messung des Strömungsmitteldurchsatzes durch eine Leitung

Info

Publication number: DE2858092C2
Application number: DE2858092A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Asayama; Teruki Tokio/Tokyo Fukami; Masami Hyogo Kabuto; Kuniteru Okuda; Shunichi Wada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Oval Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Oval Engineering Co Ltd
Priority date: 1977-11-04
Filing date: 1978-11-03
Publication date: 1985-01-17
Also published as: US4392385A; FR2408119A1; US4380934A; FR2408119B1; DE2858091C2; DE2847835A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung des Strömungsmitteldurchsatzes durch eine Leitung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 3. 5s

Eine derartige Anordnung ist aus der US-PS 31 757 bekannt. Die bekannte Anordnung dient ebenfalls zur Messung des Strömungsmittcldurchsatzes durch eine Leitung und umfaßt ein in dieser Leitung sich quer zur Sirömungsrichiung erstreckendes Elemeni in wi Form eines Qucrstabcs zur Erzeugung einer Karman'schen Wirbclsiraße an der Stromabsciic dieses Elementes und einen Wirbeldctektor, der aus einem an der Leitung angeordneten Ultraschallscnder und einem gegenüberliegend ;wi der Leitung angeordneten Ultra- h^r, sclwllcinpfiiiiger besteht. Der Wirbeklelekior süenl zur Messung der /«hl der pro Zeiteinheit in der Kmman'schen Wirbelsiraße entstehenden Wirbel. Zur Ver hinderung einer Reflexion der vom Ultraschallsender ausgestrahlten Ultraschallwellen zurück zum Ultraschallsender sind dort die einander zugewandten Oberflächen des Ultraschallsenders sowie des Uliraschallempfängers jeweils kegelförmig ausgebildet, wobei die Kegelspitzen jeweils in das Leitungsinnere hineinragen.

Zur Verhinderung von Reflexionen der vom Uitraschallsender ausgestrahlten Ultraschallwellen zurück zum Ultraschallsender benötigt man bei der bekannten Anordnung somit speziell geformte piezoelektrischen Wandler. Dabei muß darauf geachtet werden, daß die kegelförmigen Oberflächen sehr genau bearbeitet und exakt zueinander ausgerichtet bzw. in den Leitungswänden der Leitung positioniert sind. Nur dann ist gewährleistet, daß die vom Ultraschallempfänger reflektierten Ultraschallwellen nicht zum Ultraschallsender zurück reflektiert werden. Die bekannte Anordnung ist somit in der Herstellung und Montage relativ aufwendig, da auf höchste Präzision geachtet werden muß.

Ferner kann bei der bekannten Anordnung nicht verhindert werden, daß durch die von der dem Ultraschallsender gegenüberliegenden Leitungswand reflektierten Ultraschallwellen Interferenzen auftreten. Zur Verhinderung einer Reflexion von Ultraschallwellen an der dem Ultraschallsender gegenüberliegenden Leitungswand sind bei der bekannten Anordnung keinerlei Maßnahmen getroffen. Dabei ist zu beachten, daß die Ultraschallwellen einige Male von der Innenwandflächc der Leitung reflektiert und dann als Störsignal vom Ultraschallempfänger abgenommen werderi können. Dieser Effekt kann insbesondere dann auftreten, wenn der Durchsatz von Luft gemessen werden soll, da sich die Ultraschallwellen in Luft mit einer von der Lufttemperatur stark abhängigen Geschwindigkeit ausbreiten. Wenn die Ultraschallwelle keine konstante Frequenz besitzt, ist die Änderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit mit einer Änderung ihrer Wellenlänge verbunden. Dies führt dann dazu, daß sich bei einer bestimmten Temperatur der Luft eine siehende Ultraschallwelle ausbildet, so daß der Ultraschallcmpfänger die vom Ultraschallsender abgestrahlte Ultraschallwelle nicht mehr normal abnehmen kann.

Da sich die vom Ultraschallsender abgestrahlte Ultraschallwelle mit der beschriebenen Ausdehnung durch das strömende Strömungsmittel hindurch ausbreitet, ist die lange Strecke zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger insofern nachteilig, als ein vom Ultraschallempfänger abgenommenes Ultraschallsignal nicht nur schwach ist, sondern auch mit dem Strömungsmittel driftet und dadurch gedämpft wird.

Der Erfindung üegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach im Aufbau und in der Montage ist und die sich trotz eines geringen Aufwandes durch eine äußerst genaue Messung der Durchsatzmenge eines Strömungsmittels über einen weiten Temperaturbereich auszeichnet, auch wenn es sich um ein Strömungsmittel handelt, in welchem sich Ultraschallwellen mit einer temperaturabhängig stark variierenden Geschwindigkeit ausbreiten, wobei für eine effektive Ausschaltung von Rück' strahlungs- und Intcrfercn/cffcktcn der ausgestrahlten Ultraschallwellen gesorgt wird

Die erfindungsgemäßc Lösung besteht darin, eine Anordnung der vorstehend genannten Art so auszubilden, tlaß die Leitung parallel /11 mindestens einem weiteren, vom Slrömuiigsiuillel iliiirhslrüiiilen. aber von der Leitung getrennten LciUingsnbschnill vorgesehen ist, und daß die Leitung mil einem schallabsorbicrcndcn

Material ausgekleidet ist, daß Ultraschallwellen absorbiert und dämpft.

Bei einer anderen Ausföhrungsform gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß sich am stromabseitigen Ende der Leitung ein erweiterter Leitungsabschnitt anschließt, dessen freier Querschnitt größer ist als derjenige der Leitung.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daO der erweiterte Leitungsabsch'.iitt einen gebogenen Abschnitt mit einer unregelmäßig gewellten Innenwand aufweist.

Die Erfindung ermöglicht somit eine einfach aufgebaute Anordnung zur Messung des Slrömungsmitteldurchsatzes durch eine Leitung, wobei diese Anordnung sehr genau arbeitet und temperaturabhängig von den Eigenschaften des Strömungsmittel ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 einen teilweise in Blockschaltbildern gehaltenen Teiiiängsschniü durch einen Strömungsmesser;

Fig.2 ein Ausführungsbeispiel eines Strömu:sgsmessers gemäß der Erfindung;

Fig.3 einen Querschnitt durch die Anordnung nach F ig. 2;

Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung; und in

F i g. 5 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 4.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Strömungsmesser ist eine Leitung 10 mit einem schallabsorbierenden Material 12 ausgekleidet, welches Ultraschallwellen absorbiert. Ein zu messendes Strömungsmittel durchströmt dabei die Leitung 10 in Richtung der Pfeile. Das schallabsorbierende Material 12 bildet die Innenwand der Leitung 10. Beispiele für solche Materialien sind Vliesstoffe, Glaswolle, Polyethylenschaum, Styrolschaum, Kunstleder usw.

Senkrecht zur Strömungsrichtung ist in der Leitung 10 ein Wirbelcrzeugerstab 14 mit einem Querschnitt in Form eines regelmäßigen Dreiecks so befestigt, daß seine eine Seite stromauf bzw. vor seiner Längsachse senkrecht zur Strömungsrichiung des Strömungsmittels liegt. Der Wirbeler/eugcrslab 14 erzeugt somit an seiner Rückseite eine Karman'sche Wirbelstraße 16.

Unmittelbar stromab des Wirbelerzeugerslabs 14 ist ein Ultraschallstrahler bzw. Ultraschallsender 18 angeordnet, dessen Abstrahlfläche bündig mit der Innenfläche des schallabsorbicrenden Materials 12 bzw. der Innenwandfläche der Leitung 10 abschließt und unmittelbar mit dem Strömungsmittel in Berührung steht. Der Ultraschallscnder 18 ist mit einem Ultraschalloszillator 20 verbunden. Dem Ultraschallscnder 18 unmittelbar gegenüberliegend ist. an der Leitung ein Ultraschallempfänger 22 vorgesehen, dessen Empfangsfläche ebenfalls bündig mit der innenwandfläche der Leitung !0 abschließt und mit dem Strömungsmittel in Berührung steht. Der Ultraschallempfänger 22 ist mit einem Ultraschallempfänger-Gleichrichter 24 verbunden.

Im Betrieb der Anordnung strömt das zu messende Strömungsmittel, beispielsweise Luft, durch das Innere der Leitung 10 in Richtung der Pfeile gemäß Fig. 1. wobei der Wirbelcrzcugcrstab 14 das fließende Strömungsmittel teilweise behindert, so daß an seiner Siromabscite eine Karman'sche Wirbelstraße 16 entsteht. Der Ultraschallscriclcr 18 wird dabei durch den Ultraschalloszillator 20 angesteuert, so daß er senkrecht zur Strömungsrichtung des .Strömungsmittel* und zum Ultraschallempfänder 22 hin eine Ultraschallwelle aussendet. Während sich die Ultraschallwella durch das Strömungsmittel hindurch ausbreitet, wird sie durch die Wirbel der Karman'schen Wirbelstraße 16 moduliert und dann vom Ultraschallempfänger 22 abgenommen, um in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt zu werden, das dann dem Ultraschallempfänger-Gleichrichter 24 eingespeist wird, der die pro Zeiteinheit erzeugten Wirbel der Karman'schen Wirbelstraße ίο 16 mißt und dabei in an sich gekannter Weise die Strömungs- bzw. Durchsatzmenge des Strömungsmittels bestimmt

Die vom Ultraschallsender 18 ausgestrahlte Ultraschallwelle breitet sich somit durch das strömende Strömungsmittel hindurch aus, während sie sich in diesem ausdehnt. Die Ultraschallwelle erreicht somit nicht nur den UltraschallempFänger 22, sondern auch den daneben befindlichen Teil der Innenwandfläche der Leitung 10. Da jedoch diese Innenwandfläche aus einem schallabsorbierenden Material 12 besteht. -A'ird die Ultraschallwelle von dieser Innenwand nich*. reflektiert. Auf diese Weise kann eine stabile Messung erzielt werden, ohne daß reflektierte Ultraschallwellen und infolgedessen eine stehende Ultraschallwelle auftreten.

Ersichtlicherweise braucht das schallabsorbierende Material 12 nur an dem Teil der Innenfläche der Leitung 10 angebracht zu werden, auf den die Ultraschallwelle auftrifft. Die Ultraschallwelle soll nämlich nur an einer Interferenz mit reflektierten Ultraschal.'wellen gehinden werden.

Das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß F i g. 2 und 3 umfaßt eine Leitungsanordnung mit einem rechteckigen Querschnitt, die in zwei parallele Abschnitte unterteilt ist, nämlich eine Leitung 10 und einen von der Leitung 10 getrennten Leitungsabschnitt 50. Dabei besitzt nur die Leitung IC die Bauteile bzw. Baugruppen 12, 14, 16, 18, 20 und 22 wie die Anordnung gemäß Fig. 1. während an ihrem Einlaßende ein Gleichrichter 26 angeordnet ist.

Die Strömlings- bzw. Durchsatzmenge des die Leitung i0 durchströmenden Strömungsinittels wird auf die vorher in Verbindung mit Fig. I beschriebenen Weise gemessen, worauf die Gcsamtsti-ömurigsmenge des Strömungsmittel in der Leitung 10 und dem Leitungsabschnitt 50 anhand der gemessenen Strömungsmenge bestimmt werden kann.

Die Ausführungsform gemäß Fig.2 und 3 bietet gegenüber derjenigen nach Fig. 1 den Vorteil, daß bei ersterer der Abstand zwischen dem Ultraschallsender 18 und dem UltraschaUempfänger 22 verkleinert ist, so daß eine schwache Ultraschallwelle verwendet werden kann. Außerdem kann die Menge des schallabsorbierenden Mii'.crials 12 aufgrund der Verkleinerung der Fläche verringert werden, auf welcher die eingesetzte Ultraschallwelle die Ini.tnwandfliichc der Leitung 10 erreicht.

Gewünschtenfalli. kann die Leitungsanordnung auch in mehr als zwei Leitungsabschnitte unterteilt sein, von denen nur ein Leitungsabschnitt im wesentlichen den

b(i Aufbau gcmülJ F i g. 1 zu besitzen braucht,

Die Ausführungsform gemäß F i g. 4 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. I darin, daß oei ersterer die Leitung 10 am stromabseitigen Ende in einen gegebenenfalls rohrförmig ausgebildeten erweiterten Lei-

b¹) tungsabschnitt 52 mit einem größeren Querschnitt als dem der Leitung 10 übergeht.

Bisher mußte die Leitung 10 einen geradlinigen Leilungsbercich oder Rohrabschnitt aufweisen, der sich

vom Wirbelerzeugerstab 14 in .Stromrichtting über eine Strecke L (vergleiche Fig.4) erstreckt, die mindestens dem 5fachen der Querabmessung bzw. des Durchmessers D (vergleiche Fig.4) entspricht. Bei der Ausführungüform gemäß Fig. 4 entspricht dagegen diese s Strecke L dem doppellen oder weniger tli'.s Durchmessers .D. Hierdurch ergibt sich eine Verkleinerung der Gesamtabmessung des Strömungsmessers.

Bei der Anordnung gemäß Fig.4 kann die vom Ultraschallsendcr 18 abgestrahlte Ultraschallwelle ersieht- licherwcisc die Innenwand des erweiterten Leitungsabschniits 52 erreichen. Es hai sich jedoch gezeigt, daß die von der Innenwand des erweiterten Lciiungsabschnitts 52 reflektierte Ultraschallwelle nahezu vollständig ausschwingt, bevor sie in die Leitung 10 ciniritt und den n Ultra.'ichallcmpfänger 22 erreicht. Der erweilcrte Leitungsabschnitt 52 hai somit keinen ungünstigen Einfluß auf die Messung der Strömungsmenge.

Wenn der erweiterie Leiiungsabschniil 52 im Anschluß an den gerade verlaufenden Abschnitt der Lei- tung IO abgebogen sein soll, wird sein abgebogener Abschnitt, wie bei A in F i g. 5 angedeutet, mil einer unregelmäßig gewellten Innenfläche verschen. Diese unregelmäßig gewellte Innenwandfläche bewirkt eine diffuse Reflexion der auf sie auftreffenden Ultraschallwelle, 2^r> so daß die von der Innenwand des erwcitcrien Leitungsabschnitts 52 reflektierte Ultraschallwelle an einem unmittelbaren Auftreffen auf den Ultraschallempfänger 22 gehindert wird.

Mit dem vorstehend beschriebenen Sirömungsmes- )o ser unter Ausnutzung der Karman'schen Wirbelstraße wird somit ersichtlicherwcisc eine Reflexion der abgestrahli.en Ultraschallwelle von einer Innenwand einer Leitung 10 verhindert, so daß auch die Entstehung einer steherden Ultraschallwelle aufgrund der Reflexion der js Ultraschallwelle innerhalb der Leiiung 10 verhindert wird.

Hierzu 3 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung des Strömungsmitteldurchsatzes durch eine Leitung (10), die ein in der Leitung (10) sich quer zur Slrömungsrichtung erstreckendes Element (14) zur Erzeugung einer Karman'schen Wirbelstraße (16) an der Stromabseite dieses Elements (14) und einen an der Leitung (10) angeordneten Wirbeldctektor umfaßt, der einen Ultraschallsender (18) und einen gegenüberliegend an der Leitung (10) angeordneten Ultraschallempfänger (22) aufweist und mit dem die Zahl der pro Zeiteinheit in der Karman'schen Wirbclstraße (16) entstehenden Wirbel meßbar ist. und die ferner Mittel ii zur Verhinderung von Störeffekten durch Reflexion der vom Ultraschallsender ausgestrahlten Ultraschallwellen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (10) parallel zu mindestens einem weiteren, vom Strömungsmittel durchströmten. aber von der Leitung (iö) getrennten Leitungsabschnitt (50) vorgesehen ist, und daß die Leitung (10) mit einem schallabsorbierenden Material (12) ausgekleidet ist, das Ultraschallwellen absorbiert und dämpft.

2. Anordnung zur Messung rjes Strömungsmitteldurchsatzes durch eine Leitung (10), die ein in der Leitung (10) sich quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Element (14) zur Erzeugung einer Karman'schen Wirbelstraße (16) an der Stromabseite dieses Elements (14) und einen an der Leitung (10) angeordneten Wirbeld-tcktor -.mfaßt. der einen Ultraschallsender (18) und einen gegenüberliegend an der Leitung (10) angeordrieten yitraschallempfänger (22) aufweist und mittels dem die Zahl der pro Zeiteinheit in der Karman'schen Wirbelstraße (16) entstehenden Wirbel meßbar ist, und die ferner Mittel zur Verhinderung von Störeffekten durch Reflexion der vom Ultraschallsender ausgestrahlten Ultraschallwellen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß sich am stromabscitigen Ende der Leitung (10) ein erweiterter Leitungsabschnitt (52) anschließt, dessen freier Querschnitt größer ist als derjenige der Leitung (10).

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erweiterte Leitungsabschnitt (52) einen gebogenen Abschnitt mit einer unregelmäßig gewellten Innenwand f/!^aufweist.