DE2204269C3 - Länglicher Wirbelkörper zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels in einer Leitung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen länglichen Wirbelkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er Gegenstand des älteren Patents 20 37 198 ist.

Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels in einer Leitung ist es bekannt (DE-OS 12 96 798), einen Wirbelkörper mit dreieckförmigem Querschnitt mit seiner Basisfläche entgegen der Strömungsrichtung des Strömungsmittels in die Leitung einzusetzen und die in der Turbulenzzone des Wirbelkörpers hervorgerufenen Druckschwankungen mit einem an der Leitungswand angebrachten Druckfühler zu erfassen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Da die Meßempfindlichkeit und -genauigkeit dieser Druckschwankungserfassung begrenzt ist, geht ein weiterer bekannter Vorschlag (»Control Engineering«, Januar 1966, Seite 103) dahin, im Inneren eines zylindrischen Wirbelkörpers einen Differenzdruckfühler anzuordnen und die beiden Druckaufnahmeflächen des Fühlers über diametral liegende Stichkanäle mit der Außenseite des Wirbelkörpers zu verbinden. Die beiden Stichkanäle können dabei nach dem älteren Vorschlag (DE-PS 20 37 198) sowohl quer zur Strömungsrichtung als auch quer zur Längsachse des Wirbelkörpers orientiert sein. Die Anbringung eines Druckfühlers im Inneren des Wirbelkörpers hat jedoch den Nachteil, daß bei einem Defekt oder zur Wartung des Druckfühlers der Wirbelkörper aus der Leitung

ίο ausgebaut werden muß, was eine Unterbrechung des Strömungsmittelflusses für die Dauer der Reparaturbzw. Wartungsarbeiten bedingt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, einen Wirbelkörper der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welcher bei unverändert hoher Meßempfindlichkeit und -genauigkeit einen mühelosen Ausbau des Druckfühlers im eingebauten Zustand ohne Unterbrechung des Stromungsmittelflusses gestattet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Wirbelkörpers nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der wesentliche technische Fortschritt der Erfindung

λ besteht in der Verbesserung der Wartungsfähigkeit des Druckfuhlers an Ort und Stelle, da der Druckfühler ohne Ausbau des Wirbelkörpers entfernt werden kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch die von einem bekannten Wirbelkörper hervorgerufenen Strömungszonen in einer Leitung;

Fig.2A und 2B eine perspektivische Ansicht bzw. eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wirbelkörpers;

Fig. 2C einen Schnitt längs der Schnittlinie 2C-IC in Fig. 2A,und

Fig. 3 einen Schnitt ähnlich wie gemäß Fig. 2C, jedoch durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wirbelkörpers, welches eine Verringerung der erfaßten Wirbelablösungsfrequenz gestattet.

Bevor die Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert werden sollen, erscheint es zweckmäßig, anhand des Strömungsprofils eines bekannten Wirbelkörpers die prinzipielle Wirkungsweise eines Wirbelkörpers und der darauf fußenden Strömungsgeschwindigkeitsmessung darzulegen. Der in Fig. 1 mit 5 bezeichnete Wirbelkörper (nachstehend als »Körper« bezeichnet), weist einen dreieckförmigen Querschnitt auf und ist mit seiner Basis 6 über den Durchmesser einer Leitung 1 innerhalb der Leitung 1 angebracht, wobei die Basis 6 stromaufwärts liegt. Infolge der Stauwirkung der durch die Basis 6 verlaufenden Körperfläche ergeben sich stromabwärts des Körpers 5 zwei Wirbelschleppen, welche jeweils durch eine Scherungsschicht eingehüllt und begrenzt werden. Die beiden Scherungsschichten trennen gleichzeitig eine unmittelbar hinter dem Körper 5 in dessen »Windschatten« erzeugte Zone hoher periodischer Turbulenz von zwei Zonen geringer periodischer Turbulenz oberhalb und unterhalb des Körpers 5. Dabei beginnen die beiden Wirbelschleppen in der Nähe der durch die Ecken 9, 10 des Querschnittsprofils des Körpers 5 verlaufenden Kanten.

Ausgehend von diesen Kanten verbreitern sich die Wirbelschleppen keilförmig stromabwärts bis zur innenwand der Leitung 1. Für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit werden nach dem eingangs

erörterten Stand der Technik sowohl eine der beiden Wirbeischleppen (Anbringung des Fühlers an der Leitungswand) als auch die Zone hoher periodischer Turbulenz (Anbringung des Fühlers innerhalb des Wirbelkörpers) herangezogen. In jedem Falle stellen die in der betreffenden Wirbelzone vorhandenen Druckschwankungen ein Maß für die zu messende Strömungsgeschwindigkeit dar.

Um eine meßtechnisch erforderliche kontinuierliche Strömungsoszillation bzw. Wirbelablösung aufrecht zu erhalten, muß der in F i g. 1 dargestellte Körpei 5 bestimmten Größenverhältnissen genügen, wie im einzelnen in der DE-OS 12 96 798 dargelegt ist. Beispielsweise soll der Quotient aus axialer Länge des Körpers 5 und Länge der Basis 6 einen Wert zwischen 1 und 2 besitzen. Ferner soll der Quotient aus Länge der Basis 6 und Innendurchmesser der Leitung 1 einen Wert zwischen 0,15 und 0,4 besitzen. Falls, wie aus Fig. 2A ersichtlich ist, zwischen der Basis und den Seiten des Dreieckprofils des Körpers 5 senkrecht zur Basis 6 verlaufende Zwischenstücke eingefügt sind, so soll die auf die Basislänge bezogene Länge dieser Zwischenstücke einen Wert von 0,3 und weniger besitzen.

Die vorgenannten Kriterien sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2A—2C erfüllt. Der Wirbelkörper 11, welcher typischerweise über einen Durchmesser einer nicht veranschaulichten Leitung sowie zwischen deren Wandungen angeordnet ist, umfaßt eine Basisfläche 13, welche senkrecht zu der Strömungsmittelströmung in der Leitung angeordnet ist, sowie ein Paar konvergierender stromabwärtiger Flächen 15, 17. Der Querschnitt des Wirbelkörpers 11 ist demgemäß, wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, im wesentlichen dreieckig. Um eine Strömungsoszillation zu erfassen, ist der Körper 11 mit einer länglichen ersten Öffnung 19 r> versehen, welche zwischen den stromabwärtigen Flächen 15,17 in einer Strömungszone hoher Turbulenz verläuft. Die Längsachse 19a der öffnung 19 liegt in einer Ebene senkrecht zu der Strömungsmittelströmung und verläuft senkrecht zu der Querachse Ils, welche über die Längsabmessung des Wirbelkörpers 11 verläuft. Zusätzlich ist der Körper 11 mit einer länglichen zweiten öffnung 21 versehen, welche lediglich entsprechend der besonderen Darstellung mit ihrer Längsachse parallel zu der Querachse 1 la verläuft. v> Die öffnung 21 verbindet die erste Öffnung 19 und das Äußere der nicht veranschaulichten Leitung dient zur Aufnahme eines Fühlers 23 zur Erfassung von Strömungsänderungen in der ersten öffnung 19. Gemäß F i g. 2B ist der Fühler 23 an dem Ende eines Halters 25 angebracht, welcher in die zweite Öffnung 21 eingesetzt ist, so daß der Fühler 23 in die erste öffnung 19 hineinragt. Zur Erzielung einer optimalen Empfindlichkeit ist der Fühler 23 zwischen den Seiten 27, 29 der öffnung 19 angeordnet, wobei die genaue Lage empirisch zu bestimmen ist. Wenn beispielsweise der Fühler 23 zu dicht an der Seite 27 angebracht wird, kann sich die Strömung des Strömungsmittels durch die Öffnung 19 verengen and damit die Empfindlichkeit reduzieren. Der Fühler 23 kann in beliebiger Weise ausgebildet sein und beispielsweise auf eine Kraft, einen Druck, eine Geschwindigkeit, eine Verschiebung, eine Temperatur oder die Dichte ansprechen, wobei solche Fühler Stand der Technik sind.

Wenn im Betrieb ein Strömungsmittel (Gas oder Flüssigkeit) die Basis 13 des Wirbelkörpers Il umströmt, tritt eine Wirbelablösung längs der stromabwärtigen Flächen 15, 17 auf. Diese Wirbel erzeugen in dem Strömungsmittel innerhalb der ersten öffnung 19 Druck- und Geschwindigkeitsänderungen, wobei ein entsprechendes elektrisches Signal durch den Fühler 23 erzeugt wird. Wenn beispielsweise der Fühler 23 aus einem Heißleiter besteht, erzeugen die durch die Temperatur induzierten Widerstandsänderungen elektrische Impulse, welche mittels nicht gezeigter, den hohl ausgebildeten Halter 25 hindurchgeführter elektrischer Leitungen an eine geeignete elektrische Auswerteschaltung, wie beispielsweise einen Verstärker, ein kompensierendes Netzwerk und ein Filter übertragen werden. Bei diesem Ausrührungsbeispiel ist die Frequenz der elektrischen Impulse proportional der tatsächlichen Wirbelablösungsfrequenz und damit proportional der Strömungsgeschwindigkeit, da der Fühler 23 auf wirbelinduzierte Änderungen an beiden Enden 31, 33 (F i g. 2C) der ersten Öffnung 19 anspricht.

Wenn die Wirbelatlösungsfrequenz so hoch wie in Hochgeschwindigkeits-Gasströmungssystemen ist, s;o daß aufgrund konstruktiver Erwägungen ein Betrieb des zugeordneten elektronischen Gerätes bei geringeren Frequenzen erforderlich ist, kann es günstig sein, vom Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß F i g. 3 Gebrauch zu machen. In diesem Fall ist der Wirbelkörper 111 identisch mit demjenigen gemäß Fig. 2A — 2C, mit der Ausnahme, daß die Längsachse 190a einer ersten Öffnung 119 in einem stumpfen Winkel zu der Querachse Uta des Wirbelkörpers 111 orientiert ist. Die Wirkung dieses Winkels besteht darin, daß die Fläche des Fühlers 123 unmittelbar dem Strömungsmittel ausgesetzt ist, welches in das Ende 131 der Öffnung 119 strömt, jedoch durch den Endabschnitt des Halters 125 gegenüber einer unmittelbaren Beaufschlagung seitens des Strömungsmittels geschützt ist, welches in das Ende 133 der öffnung 119 strömt. Folglich spricht der Fühler 123 lediglich auf die Hälfte der wirbelinduzierten Änderungen an. Die gemessene elektrische Signalfrequenz beträgt daher die Hälfte der tatsächlichen Wirbelablösungsfrequenz.

Bei den dargestellten Ausführungsl'ormen läßt sich auch ohne Verwendung zweier in einer elektrischen Brückenschaltung angeordneter Fühler eine gute Signalqualität erzielen, unbeschadet der Tatsache, daß der Fühler 23 (oder 123) in der Nähe von und in Verbindung mit einer hochturbulenten Strömungszone angeordnet ist, wo die Störungspegel besonders hoch sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Länglicher Wirbelkörper zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels in einer Leitung, mit einer Basisfläche, welche zur Erzeugung von Strömungswirbeln senkrecht zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels verläuft und mit einer ersten Öffnung, welche sowohl quer zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels als auch quer zur Längsachse des Wirbelkörpers verläuft und zur Aufnahme eines Teils der Strömung ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine zweite Öffnung (21; 121), die eine Verbindung zwischen der ersten Öffnung (19; 119) und dem Äußeren der Leitung (1) herstellt und zur Aufnahme zumindest eines entfernbaren Fühlers (23; 123) für wirbelbedingte Strömungsgeschwindigkeitsänderungen innerhalb der ersten Öffnung (19; 119) ausgebildet ist.

2. Wirbelkörper nach Anspruch 1, mit einem Paar konvergierender Flächen, welche von der Basisfläche stromabwärts verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung (19; 119) zwischen den konvergierenden Flächen (15,17) angeordnet ist.

3. Wirbelkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung (19; 119) mit ihrer Längsachse (19a^ senkrecht zu der Längsachse (lindes Wirbelkörpers(11) verläuft.

4. Wirbelkörper nach Anspruch 3, mit einer ebenen Basisfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der ersten Öffnung (19; 119) in einer parallel zu der Basisfläche (13) verlaufenden Ebene liegt.

5. Wirbelkörper nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Halter (25; 125) zum Einsetzen in die zweite Öffnung (21; 121) und zumindest einen am Ende des Halters (25; 125) angebrachten Fühler (23; 123), wobei der Halter (25; 125) in der zweiten Öffnung (21; 121) so angeordnet ist, daß der Fühler (23; 123) innerhalb der ersten Öffnung (19; 119) liegt.

6. Wirbelkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen etwa der halben Wirbelablösefrequenz die Längsachse (\\9a) der ersten Öffnung (119) stumpfwinklig zu der Längsachse (11 \a)des Wirbelkörpers (111) ausgerichtet ist (F ig. 3).