CH655181A5 - Durchflussmesser fuer fluide medien. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Durchflussmesser für fluide Medien mit einem flügelartigen Organ, das im Strömungs weg eines Mediums angeordnet ist, wobei das flügelartige Organ um eine quer zur Strömungsrichtung des Mediums verlaufende Schwingachse schwingt und Mittel vorgesehen sind, um die Schwingungsfrequenz des genannten Organs in eine für die Durchflussmenge charakteristische Information umzuwandeln.

Es besteht auf mehreren technischen Gebieten ein Bedarf an einem einfachen und nicht allzu kostspieligen Durchflussmesser, welcher dennoch exakte und zuverlässige Messresultate liefert. Ein typisches Beispiel für einen dieser Anwendungsbereiche ist das Appartmenthaus bzw. eine aus mehreren Einfamilienhäusern bestehende Siedlung, wo Spar-massnahmen getroffen werden, und die Heizölkosten unter die einzelnen Verbraucher aufgeteilt werden müssen; die in den letzten Jahren eingetretenen Preiserhöhungen für Heizöl und andere Brennstoffe haben die Situation in diesen Anwendungsgebieten noch verschärft. Der bestehende Bedarf an Durchflussmessern kann durch die bekannten Flügelradzähler nicht gedeckt werden. Andererseits gibt es die konstruktiv einfachen Durchflussmesser mit einem flügeiförmigen Messorgan, das durch das strömende Medium in Vibration versetzt wird, wobei die Frequenz dieser Vibrationsbewegung gemessen und in eine charakteristische Anzeige für die pro Zeiteinheit durchströmende Mediummenge umgewandelt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit einen Durchflussmesser der zuletzt genannten Kategorie. Die bekannten Durchflussmesser dieser Art unterliegen jedoch verschiedenen einschneidenden Beschränkungen, deren wichtigste darin liegt, dass der Messbereich, innerhalb dessen die Messung mit akzeptabler Genauigkeit durchgeführt werden kann, relativ schmal ist. Dies trifft vorallem für niedrigere Durchflussgeschwindigkeiten, d.h. niedrige Reynolds-Zahlen zu, was beispielsweise für Zentralheizungsanlagen typisch ist. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Durchflussmesser liegt darin, dass die verfügbaren Kräfte, welche das flügeiförmige Betätigungsorgan in Schwingungen versetzen, so klein sind, dass empfindliche Mittel eingesetzt werden müssen, welche in diesem Zusammenhang zur Umwandlung der Schwingungsfrequenz in ein für die Durchflussmenge charakteristisches Mass unzweckmässig sind. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung ist in der US-PS 2 453 376 beschrieben, wobei ein an der Schwingwelle befestigter Arm zwischen einer Lichtquelle und einer photoelektrischen Zelle angeordnet ist.

Es besteht somit ein offensichtlicher Bedarf an einem Durchflussmesser, bei welchem das schwingende Organ durch relativ grosse Kräfte in Tätigkeit gesetzt wird, wobei die Signalübertragung auf andere Weise, beispielsweise auf induktivem Wege, erfolgen kann. Dieser Durchflussmesser sollte gemäss der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe einfach konstruiert und in der Herstellung nicht allzu kostspielig sein, sowie einen breiten Messbereich und im gesamten Messbereich eine hohe Messgenauigkeit aufweisen. Diese letztere Bedingung bedeutet in anderen Worten, dass der Durchflussmesser beispielsweise innerhalb eines Bereiches arbeiten sollte, dessen obere Grenze annähernd 200 mal höher als die untere Grenze liegt, bei einer Reynold'schen Zahl zwischen etwa 200 und 106.

Der erfindungsgemässe Durchflussmesser ist im unabhängigen Patentanspruch 1 definiert.

Nachstehend werden anhand der beiliegenden Zeichnung drei Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines Durchflussmessers gemäss einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2, wobei sich das schwingende Organ in seiner Mittelstellung befindet,

Fig. 4 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 3 und zeigt das schwingende Organ im Bereich einer der beiden Endlagen,

Fig. 5 ist eine Perspektivansicht eines schwingenden Organes gemäss einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 6 ist eine Schnittdarstellung ähnlich Fig. 3 und zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung.

Der Durchflussmesser weist ein Gehäuse 1 auf, an dessen Enden Anschlussnippel 2 und 3 vorgesehen sind, mittels welchen das Gehäuse in eine Leitung eingesetzt werden kann, durch welche das zu messende Medium strömt. Das Gehäuse 1 trägt einen Transmitter 4, der über ein Kabel 5 mit einer nicht dargestellten Schaltung verbunden ist, in welcher die elektrischen Impulse in eine Grösse umgewandelt werden, die für die Durchflussmenge charakteristisch ist. Der Messwertumformer kann einer beliebigen bekannten Konstruktion entsprechen und ist nicht beschrieben, da er im vorliegenden Zusammenhang ohne Belang ist. Von Bedeutung ist dagegen, dass die elektrischen Impulse vom Transmitter 4

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zweckmässigerweise induktiv erzeugt werden, beispielsweise durch eine Wicklung des Transmitters, welche innerhalb des Durchflussmessers ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Wenn sich das später noch zu beschreibende Messorgan im Magnetfeld bewegt, so entstehen innerhalb des Magnetfeldes typische Stromstärkenwechsel, die vom Transmitter wahrgenommen werden. Die Frequenz dieser Wechsel ist der Schwingfrequenz des Messorganes direkt proportional.

Wie die Figuren 2 bis 4 zeigen, ragen von der Innenseite des Gehäuses 2 einander diametral gegenüberliegende Vorsprünge 6 und 7 nach innen, die den Durchflussquerschnitt somit verengen, so dass an dieser Stelle eine Drosselung des effektiven Durchflusses entsteht. Im Bereich der Vorsprünge

6 und 7 ist das schwingende Messorgan 8 angeordnet, dessen Schwingwelle mit 9 bezeichnet ist. Das Messorgan 8 weist, in einer zur Schwingwelle 9 rechtwinkligen Ebene, einen praktisch T-förmigen Querschnitt auf. Es besitzt einen Abschnitt 8a in oder nahe einer zur Schwingachse parallelen Ebene, die senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums verläuft. Ferner weist das Messelement einen Abschnitt 8b auf,

welcher in einer durch die Schwingachse verlaufenden Ebene liegt, die mit der Strömungsrichtung des Mediums parallel ist.

Gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, liegt der Abschnitt 8a mit der Schwingachse in einer Ebene, welche durch die beiden Vorsprünge 6 und 7 verläuft. Diese Anordnung des schwingenden Messorganes 8 hat sich als vorteilhaft erwiesen, kann jedoch auch - wie später noch zu beschreiben sein wird -abgeändert werden. Ferner zeigen die Figuren 3 und 4, dass die der Strömungsrichtung zugewandten Flächen der Vorsprünge 6 und 7 in einer Ebene liegen, welche praktisch rechtwinklig zur Strömungsrichtung liegt (wobei die Strömungsrichtung in den Figuren 3 und 4 durch einen Pfeil gekennzeichnet ist) und dass das Profil der beiden Vorsprünge 6 und

7 demjenigen einer Messerschneide entspricht, deren Schneidkante der Strömungsrichtung zugewandt ist.

Der beschriebene Durchflussmesser arbeitet folgender-massen. Durch die Drosselung des effektiven Durchflussquerschnittes entsteht im Bereich der beiden Vorsprünge 6 und 7 eine Ablösung, so dass die Strömung turbulent wird; diese Turbulenz ergibt sich in einem Bereich, welcher, in Strömungsrichtung gesehen, etwas oberhalb der beiden Vorsprünge 6 und 7 beginnt und sich von hier eine beträchtliche Strecke in Richtung der Strömung erstreckt. Dadurch ergeben sich die beiden nachstehend beschriebenen, günstigen Wirkungen.

Eine Folge der Turbulenz, welche in den beiden Verzweigungen des Messorganes 8 entsteht, ist die Erzielung einer konstant niedrigen Reynold'schen Zahl, welche bei etwa 200 liegt. Im Prinzip wird die gesamte Betätigungskraft der Summe der beiden in Fig. 4 mit Fl und F2 bezeichneten Kräfte gleichkommen. Die Kraft F2 ist die Querkomponente derjenigen Kraft, die in der dargestellten Lage des Messorganes aufgrund des Strahlereffektes einen relativen Negativdruck erzeugt. Diese Funktion ist an sich bereits bekannt. Neu ist dagegen die Erkenntnis, dass die gesamte, auf das Messorgan wirkende Kraft durch die Kraftkomponente Fl verstellt wird, die in ähnlicher Weise auf der Gegenseite des Messorganes entsteht, wobei hier jedoch ein relativer Positivdruck auftritt. Da die gesamte, auf das Messorgan einwirkende Betätigungskraft auf diese Weise durch negative und positive Drücke erzeugt wird, entsteht ein «Wetterhahneffekt», der sich in getrennten Schwingbewegungen äussert, wobei vorallem selbst bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten eine ausreichend grosse Betätigungskraft für das Messorgan verfügbar ist. In anderen Worten bedeutet es, dass das Durchflussmessgerät einen grossen Messbereich aufweist,

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dessen untere Grenze bei sehr niedrigen Werten der Reynold'schen Zahl liegt. Wenn das Messorgan 8 gemäss Fig. 3 seine Mittellage passiert, dann weist der effektive Durchflussquerschnitt seinen Minimalwert auf, d.h. die Strömungsgeschwin-s digkeit durch beide, beidseits des Messorganes 8 liegende Öffnungen wird ihren Maximalwert erreichen. Da der dynamische Druck dann ebenfalls ein Maximum aufweist und das schwingende Messorgan in seiner Mittellage eine gewisse kinetische Energie besitzt, wird die Turbulenz innerhalb der io Strömung mit Sicherheit stets aufrechterhalten. Aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse wird die Mittellage des Messorganes vollständig unstabil sein, so dass keinerlei Risiko besteht, dass das schwingende Messorgan in dieser Lage,

wenn auch nur kurzzeitig, stehen bleibt.

15 Die andere vorteilhafte Wirkung der beschriebenen Anordnung bezieht sich nicht auf den Umfang des Messbereiches, sondern auf die Messgenauigkeit. Das Strömungslinienbild ergibt ein rechteckiges Geschwindigkeitsprofil über dem gesamten Strömungsquerschnitt. Zwar trifft es zu, dass 20 die Fläche dieses Rechteckes in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit variiert, doch bleibt deren Form - die für die hohe Messgenauigkeit massgebend ist - praktisch konstant. Der Hauptgrund hierfür liegt in der Verminderung der Grenzschichten.

25 Im Zusammenhang mit der Erläuterung der Gründe für das Anwachsen der auf das Messorgan wirkenden Betätigungskräfte wurde bereits erwähnt, dass auf einer Seite des Mittelabschnittes 8b ein relativer Negativdruck und auf der anderen Seite ein Positivdruck wirkt. Bei niedrigen Strö-30 mungsgeschwindigkeit wird sich die Tendenz ergeben, dass sich der Differenzdruck ausgleicht, da das Medium um die oberen bzW. unteren Kanten des Messorganes herumströmen wird. Man kann diesen Druckausgleich möglicherweise dadurch verhindern, dass das Messorgan so ausgelegt wird, 35 dass dessen obere bzw. untere Kanten möglichst nahe bei der Innenwand des Gehäuses 1 liegen. Wenn damit gerechnet werden muss, dass das strömende Medium Fremdkörper, beispielsweise Sandkörner im Wasser, enthält, so können diese Fremdkörper in den schmalen Durchgangsschlitzen 40 steckenbleiben und Betriebsstörungen verursachen, wobei schlimmstenfalls das Messorgan blockiert werden kann. Es ist daher in solchen Anwendungsfällen ratsam, das schwingende Messorgan gemäss Fig. 5 auszubilden. Wie die Figur zeigt, wurden oberhalb und unterhalb der Längskanten des 45 Abschnittes 8b flanschförmige Teile 8c und 8d angeordnet, welche das unerwünschte Überströmen des Mediums praktisch unmöglich machen.

Gemäss der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform weisen die Vorsprünge 6 und 7 ein abgerundetes Profil auf. so Ausserdem ist die der Strömungsrichtung zugewandte Grenzfläche des Messelementes konvex. Der Abschnitt 8b besitzt ferner an seinem freien Ende eine Wölbung 8e, welche die auf das Messorgan einwirkende Positivkraft verstärkt.

Der beschriebene Durchflussmesser kann in bezug auf die ss Konstruktion seiner Einzelteile weitgehend abgewandelt werden. So ist es zweckmässig, jedoch nicht notwendig, den Abschnitt 8a des Messorganes gleich dick auszubilden, wie die Vorsprünge 6 und 7. Ferner ergeben sich in vielen Fällen optimale Betriebsbedingungen, wenn der Abschnitt 8a des 60 Messorganes in seiner Symmetrielage praktisch in der gleichen Ebene liegt wie die beiden Vorsprünge. Da jedoch das Messorgan insbesondere in jenem Bereich liegen sollte, in welchem die Vorsprünge die Turbulenz erzeugen, kann die Schwingachse des Messorganes ebenfalls leicht oberhalb es bzw. unterhalb der Vorsprünge liegen. Ferner muss auch die Ausdehnung des Abschnittes 8b in der Strömungsrichtung nicht mit derjenigen des Turbulenzbereiches übereinstimmen, sondern kann entweder kürzer oder länger sein.

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Von ausschlaggebender Bedeutung ist im vorliegenden Zusammenhang lediglich die Tatsache, dass mit Hilfe von Vorsprüngen oder äquivalenten Mitteln eine Drosselung erzielt wird, durch welche sich eine turbulente Strömungszone ergibt, innerhalb welcher ein schwingendes Messorgan angeordnet ist, wobei die gesamte, auf das Messorgan einwirkende Betätigungskraft durch die beidseitig auf das Messorgan einwirkenden Positiv- und Negativdrücke erzeugt wird.

Der beschriebene Durchflussmesser lässt sich überall dort mit Vorteil einsetzen, wo in einem weiten Messbereich eine hohe Messgenauigkeit verlangt wird, und zwar insbesondere dann, wenn die untere Grenze dieses Messbereiches nied-5 rigen Werten der Reynold'schen Zahl entspricht. Ein besonderes Anwendungsgebiet des beschriebenen Durchflussmessers bietet auch die lebensmittelverarbeitende Industrie. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, dass der Durchflussmesser einfach konstruiert und daher sauber zu halten ist.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

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1. Durchflussmesser für fluide Medien mit einem flügelartigen Organ (8), das im Strömungsweg des Mediums angeordnet ist, wobei das flügelartige Organ (8) um eine quer zur Strömungsrichtung des Mediums verlaufende Schwingachse (9) schwingt und Mittel vorgesehen sind, um die Schwingungsfrequenz des genannten Organs in eine für die Durchflussmenge charakteristische Information umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenwand des Strömungsweges zwei einander gegenüberliegende Vorsprünge (6,7) so angeordnet sind, dass sie den wirksamen Durchflussquerschnitt des Strömungsweges lokal drosseln, so dass Ablösung auftritt und die Strömung in der gesamten Messzone turbulent wird, wobei das genannte schwingende Organ (8) einen ersten Abschnitt (8a) aufweist, welcher in oder nahe einer zur Schwingachse (9) parallelen, durch die beiden Vorsprünge (6,7) verlaufenden Ebene liegt, sowie einen zweiten Abschnitt (8b), der in einer Ebene liegt, welche die Schwingachse (9) einschliesst und parallel zur Hauptströmungsrichtung des Mediums ist, derart, dass beim Schwingen des Organs (8) zwischen seinen beiden Endlagen in den beiden Strömungszweigen zwischen dem schwingenden Organ (8) und dem jeweils benachbarten Vorsprung (6,7) gleichzeitig gleichgerichtete Richtungsänderungen erfolgen und der genannte zweite Abschnitt (8b) des schwingenden Organs (8) Kraftkomponenten ausgesetzt ist, welche quer zur Hauptströmungsrichtung wirken, wodurch die Schwingbewegungen des schwingenden Organs (8) verstärkt werden.

2. Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Strömungsrichtung zugewandte Fläche jedes Vorsprungs (6,7) in einer Ebene liegt, die praktisch rechtwinklig zur Hauptströmungsrichtung verläuft.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Durchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Vorsprung (6,7) das Profil einer Messerklinge aufweist, deren Schneidkante an der der Strömungsrichtung zugewandten Seite des Vorsprungs liegt.

4. Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (6,7) und der genannte erste Abschnitt (8a) des schwingenden Organs (8), in der Strömungsrichtung gemessen, praktisch die gleichen Dicken haben.