專利名稱：渦流頻率-流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的用于測量通過管道的液體或氣體介質(zhì)流量的渦流頻率-流量計。
渦流頻率-流量計利用在一個設(shè)置在流體中的扁平的阻流體上的渦流分離。在此存在這種現(xiàn)象，即，渦流交變地被位于阻流體繞流表面對面的側(cè)面分離。由此構(gòu)成一個所謂的卡曼渦流街，即，渦流在其消散之前，在阻流體后面在流體中還保持一段距離。渦流頻率-流量計充分利用這樣的知識，對于一定的阻流體輪廓在一個大的流動速度范圍上在渦流分離與流動速度之間存在著線性關(guān)系，換句話說，通過測量頻率可以直接推斷出流動速度并由此推斷出流體流量。因此除了一個阻流體以外用于測量渦流分離或由此產(chǎn)生的流體參數(shù)變化(如壓力、速度、溫度)的傳感機構(gòu)也屬于一個具有渦流頻率-流量計的測量裝置的結(jié)構(gòu)。
對于首先在文獻中描述的且也首先在商業(yè)上應(yīng)用的渦流頻率-流量計，阻流體由一個桿型材構(gòu)成，它徑向地在通流橫截面里延伸。在GB 140 12 72，US 4 206 642，US 4 285 247，DE 37 14 344 C2，DE 4102 920 C2，US 3 979 954，EP 0 077 764，US 4 434 668，US 4 922 759，US5 214 965，US 5 321 990和EP 0 666 468中可以找到具有這種繞流體的渦流頻率-流量計的示例。
后來對渦流頻率-流量計添加了一種環(huán)狀阻流體。與桿狀阻流體相比對于相同的、純粹的通流橫截面阻隔(壓力損失)環(huán)狀阻流體具有更小的截面寬度。由此對于相同的繞流速度產(chǎn)生更高的渦流頻率，即，與桿狀阻流體相比測量分辨率更好。在GB 1 502 260，WO88/04410，DE 32 20 539，DE 28 02 009，US 5 170 671，US 5 289 726，JP560 22 963，JP 59 19 8317，JP 11 48 912，JP 11 48 913和JP 11 48914中可以找到具有一個環(huán)狀阻流體的渦流頻率-流量計的示例。目前具有一個環(huán)狀阻流體的渦流頻率-流量計沒有在實踐中付諸實施。
在DE 28 02 009中描述了一種具有一個環(huán)狀阻流體的渦流頻率-流量計。在一個實施例中這種阻流體具有一個矩形橫截面，即，它具有平行于流動方向的、在兩個流動方向上被渦流分離棱邊限定的側(cè)面，其中所述阻流體的橫截面在分離棱邊之間在流動方向和垂直于流動方向上是對稱的。因此它適合于在兩個方向上測量流動。徑向支桿將阻流體同心地固定在管道里面。為了測量阻流體上的渦流分離在阻流體本身上或在其周圍、例如管壁上配有壓力靈敏或速度靈敏探測器。DE 28 02 009沒有給出這種探測器的布置和結(jié)構(gòu)的詳細說明。
GB 140 12 72描述了一種具有一個桿狀阻流體的渦流頻率-流量計，該阻流體同樣構(gòu)成在兩個方向上的流量測量。這個阻流體在徑向和軸向上中間地具有一個通孔，它從阻流體的一個側(cè)面延伸到另一側(cè)面并在兩側(cè)通過與側(cè)面平齊密封的膜片封閉。該通孔充滿油，使膜片液壓地相互連接。在通孔中設(shè)置一個壓電傳感器，它檢測通過膜片由于渦流分離通過充滿的油傳遞的壓力脈沖。
因此本發(fā)明的目的是，提供一種渦流頻率-流量計，它不僅能夠在兩個流動方向上進行測量工作而且還能夠以簡單的機構(gòu)實現(xiàn)流動方向的測量。
這個目的按照本發(fā)明通過具有權(quán)利要求1特征的渦流頻率-流量計而實現(xiàn)。
本來就存在的且必需的至少一個傳感器在流動方向上看去偏心地設(shè)置在分離棱邊之間，僅僅由此就不僅能夠在兩個流動方向上進行測量，而且也能夠附加地測量流動方向。這種效果由此實現(xiàn)，由于軸向相對于兩個分離棱邊之間的中間位置錯置至少一個傳感器使得由于渦流分離產(chǎn)生的如壓力、溫度和速度的參數(shù)變化在兩個流動方向上是不同的，因此根據(jù)這個差別可以識別流動方向。對于這種解決方案不需要關(guān)于渦流頻率-流量計設(shè)計結(jié)構(gòu)以及附加測量裝置方面的更多費用。將實際測得的頻率和振幅與在一定條件下測得的頻率-振幅特性進行比較，其結(jié)論明確地對應(yīng)于一個確定的流動方向，但是這個優(yōu)點是通過增加數(shù)據(jù)處理費用換來的。
數(shù)據(jù)處理費用在本發(fā)明的另一設(shè)計方案中由此避免，即，上述至少一個傳感器對應(yīng)一個在流動方向上與之錯置的并位于同一流動線上的第二個傳感器。對于這種傳感器布置可以無需與存儲的頻率-振幅特性進行比較地獲得流動方向，將實際測得的振幅直接相互比較，其中由振幅差獲得流動方向。對于相應(yīng)的特性為了獲得流動方向也可以考慮兩個傳感器信號在時間上的偏差。
代替這兩個傳感器在流動方向上前后的布置也可以將這兩個傳感器分布在桿狀阻流體的高度上或一個環(huán)狀阻流體的圓周上并在流動方向上相互錯開地設(shè)置。通過這種布置伴隨著識別流動方向的優(yōu)點還具有可以測得流動非對稱性的優(yōu)點。不言而喻，傳感器數(shù)量的增加提高了非對稱測量的精度。
如果傳感器在相反的方向上偏心地設(shè)置在分離棱邊之間，即相互間具有盡可能大的距離是有優(yōu)點的，因為這時兩個流動方向的信號差最大。
在這方面如果采用微型傳感器對本發(fā)明的設(shè)計方案是有利的。由于微型傳感器微小的尺寸它們可以非常緊密地靠近在分離棱邊上，因此一方面在軸線上錯置的傳感器之間最佳地得到大的距離，另一方面得到強的信號。
如果在本發(fā)明的設(shè)計方案中對于位于阻流體側(cè)面上對面設(shè)置的測量位置，將它們通過通孔相互連接，則顯示出另一優(yōu)點。由此使兩側(cè)的壓力下降和壓力增加相加，使得與沒有這種連接的測量點比較得到一個倍增的壓力振幅，由此產(chǎn)生一個非常高的測量靈敏性。因此壓差傳感器尤其適用于這種解決方案。
此外，如果通孔兩側(cè)通過基本上與外側(cè)和內(nèi)側(cè)表面平齊密封的膜片進行封閉是有利的。由此避免通孔的阻塞以及避免通過通孔的橫流形成渦流。
下面借助于實施例詳細描述本發(fā)明；在附圖中

圖1為一個安裝在管道里的渦流頻率-流量計的原理截面圖，該流量計具有環(huán)狀阻流體和一個在阻流體后面形成的卡曼渦流街，圖2-8為一個安裝在管道里的渦流頻率-流量計的原理截面圖，該流量計具有桿狀阻流體和不同的傳感器布置圖9為一個用于表示兩個流動方向信號差的壓力-時間曲線圖，圖10以放大的比例示出圖2中的A-A截面圖，圖11以放大的比例示出圖3中的B-B截面圖，圖12，13為渦流頻率-流量計的立體圖，該流量計具有一個環(huán)狀阻流體和不同的傳感器布置，圖14為不同的可能的阻流體橫截面。
圖1示出一個管道1，一個渦流頻率-流量計2裝進管道里面。這個流量計由一個外卡緊環(huán)3和一個內(nèi)阻流環(huán)4組成，其中所述阻流環(huán)4通過三個徑向上以120°角間距設(shè)置的、在圖1中未示出的支桿與所述卡緊環(huán)3剛性連接。這些支桿5在圖12和13中示出，其中在這里配有兩個或四個支桿5用于固定阻流環(huán)4。所述卡緊環(huán)3用于將所述渦流頻率-流量計2裝進管道1里面，該流量計夾緊在兩個未示出的法蘭之間。流量計的內(nèi)徑等于管道1的內(nèi)徑R0，因此使管道的內(nèi)壁6通過卡緊環(huán)3的內(nèi)側(cè)連續(xù)地過渡并且在這里不產(chǎn)生渦流。所述阻流環(huán)4的繞流面7(流動方向通過箭頭20表示)設(shè)計成一個在流動技術(shù)上扁平的、垂直于流動平面，通過尖銳的分離棱邊8和9限定該平面的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。在這個分離棱邊8，9上環(huán)渦流10和11以相同的頻率交變地分離，其中環(huán)渦流10對應(yīng)于較大的分離棱邊8直徑而環(huán)渦流11對應(yīng)于較小的分離棱邊9的直徑。因為阻流環(huán)4通過支桿同心地固定在管道1里面，所以阻流環(huán)在形成滿管流動的情況下位于一個圓形等流速線上，如同由在圖1中所示的渦流速度箭頭12所給出的那樣。由此可以非常均勻地實現(xiàn)渦流分離，使得環(huán)渦流10和11在其分散之前還相對較長地在渦流頻率-流量計2后面保留所謂的卡曼渦街。
對于在實施例中所選擇的桿狀和環(huán)狀阻流體4，其橫截面13為矩形。這樣的橫截面13對于其兩個主軸19，22在流動方向20，21和垂直于流動方向20，21上是對稱的，使得在與流動方向21(見圖1)相反繞流渦流頻率-流量計2時出現(xiàn)相同的特性(所述渦流10，11從分離棱邊8.1和9.1分離)，換句話說，對于這種橫截面一個對于兩個繞流方向一定的繞流速度產(chǎn)生相同的頻率。盡管在兩個方向上存在體積流測量的可能，但是通過渦流頻率-流量計能夠減少信號處理費用。
在圖14中示例性地示出所述阻流體4的其它橫截面13，它們構(gòu)成在兩個流動方向上的測量體。在下面的描述中以一個矩形橫截面(圖14.2，14.3)為例，其中這些敘述對于其它橫截面當(dāng)然也是有效的。
對于裝進阻流環(huán)4的傳感器涉及微型傳感器16(圖10，11)。它們在圖2至8和12和13中僅象征性地通過圓圈表示。如同已經(jīng)述及的，在所述分離棱邊8，9或8.1，9.1上分離的渦流導(dǎo)致局部的速度和壓力波動。因此所有能夠測量這些數(shù)值或與這些數(shù)值有關(guān)的參數(shù)的測量原理都是適用的。因此適用的傳感器示例為壓差傳感器、絕對壓力傳感器、流體總阻傳感器、流體摩擦傳感器、熱損失傳感器和熱分布傳感器。這些傳感器類型對于專業(yè)人員通常是已知的，因此也能夠?qū)⑦@些結(jié)構(gòu)原理轉(zhuǎn)用于微技術(shù)，即可以使這些已知的傳感器類型微型化。因此微型傳感器16在圖10，11中以黑盒子形式表示，因為在這里重要的是通過微型傳感器16實現(xiàn)的測量原理，而不是其準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)。
對于所選的實施例使用壓差傳感器16，但是本發(fā)明不局限于此。在通過壓差傳感器16進行測量時呈現(xiàn)兩個測量點16.1，16.2，它們位于所述橫截面13的側(cè)面17，18上。所述測量點16.1，16.2通過一個通孔23相互連接。如圖10和11所示，對于測量點16.1，16.2不僅關(guān)系到壓差-微型傳感器16而且關(guān)系到通孔23的輸出。通過通孔23將壓差疊加到側(cè)面17，18上。因為由于渦流交變地分散，在兩個側(cè)面17，18中的一側(cè)上的壓力升高基本等于另一側(cè)上的壓力下降，因此導(dǎo)致信號振幅倍增，即導(dǎo)致大的測量信號強度，由此使測量靈敏性大大提高。
下面借助于圖2至8詳細描述按照本發(fā)明的用于測量流動方向的傳感器布置。這些附圖示出一個裝進管道1里面的渦流頻率-流量計2，它具有一個桿狀的阻流體4。在這里示出渦流的流動箭頭12。
為了測量流量和流動方向在原理上一個傳感器16就足夠了。這種簡單的情況在圖2中表示。由這個示意圖可以看出，所述壓差-微型傳感器16設(shè)置在管道軸線的高度上并與流動方向20相反地、即向著分離棱邊8，9位移。對于這種布置在相同流動速度的前提下在來自方向20的繞流情況下所測得的壓力振幅要大于在來自方向21的繞流情況下所測得的壓力振幅。這個事實在圖9中的曲線中表示，其中曲線A從屬于流動方向20而曲線B從屬于流動方向21。但是，因為兩個頻率、即在流動方向20或21上的兩個速度可以從屬于一個振幅值，所以僅僅通過振幅還不能夠推斷出流動方向20，21。為此還必需一個由下面確定的條件獲得的頻率-振幅副的通用特性曲線族，將實際測量值與它們進行比較。對于只安裝一個傳感器16的布置則要增加數(shù)據(jù)處理費用。
通過如圖3所示的布置可以避免這種費用。在這里配有兩個壓差-微型傳感器16，它們位于一個高度上，在圖示情況下位于管道軸線的高度上。兩個壓差-微型傳感器16相對于橫截面13的主軸19平均地位移到分離棱邊8，8.1或9，9.1(見圖11)。傳感器16與兩個流動方向20，21相反的布置提高了方向識別的可靠性并主要減少了數(shù)據(jù)處理費用，因為可以直接進行信號振幅比較(見圖9)，而無需象圖2所示的布置那樣必需追溯到被存儲的特性曲線族。與這種布置相比的另一優(yōu)點在于增加了測量盈余。
與圖2所示布置相比增加測量盈余也可以通過圖4所示的傳感器分布實現(xiàn)。在這里兩個壓差-微型傳感器16在同一方向上、即向著分離棱邊8，9以相同的長度布置，其中傳感器16與管道軸線的距離rM是相等的。除了測量流量和流動方向20，21以外，如果增加相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理費用，通過這種布置存在著測量通流非對稱性的可能性。在識別流動方向20，21方面存在與圖2所示布置相同的缺陷。但是這種缺陷可以與圖3的解決方案類似地通過倍增的傳感器16得到解決，這一點在圖5中表示。
但是也可以通過更簡單的、在圖6中所示的解決方案避免這種缺陷。在這里兩個以與管道軸線相等距離設(shè)置的壓差-微型傳感器16在相反的方向上錯開地設(shè)置。因為它們對于對稱的繞流由于對于管道軸線相等的距離檢測到相同的局部通流速度、即頻率，這種涉及到測量流動方向20，21的布置對應(yīng)于圖3所示的傳感器布置具有能夠測量通流非對稱性的優(yōu)點。
當(dāng)然，通過增加分布在阻流體4高度上的傳感器16數(shù)量提高了非對稱測量的精度。圖7示出一種傳感器布置，其中與在圖6中所示的布置相比增加了一個第三的中間測量點。因為對于這個中間位置不存在比較位置，所以這個位置設(shè)置在分離棱邊8，9與8.1，9.1的中間。同樣可以設(shè)想將這個中間的測量位置布置在這個或另一個流動方向20，21上，以使這個測量位置的信號振幅對于一定的主流動方向20，21最大化。
在圖8中示出一個阻流體4，它具有四個成對布置的壓差-微型傳感器16，其中一對壓差-微型傳感器16對于管道軸線分別具有相等的距離rM1或rM2。如圖5所示布置那樣，這種布置也產(chǎn)生一個關(guān)于流動方向20，21識別的盈余。
作為測量位置布置的另一變化可以設(shè)想，所有測量位置在一個方向上布置在管道軸線下方而所有測量位置在另一方向上布置在管道軸線上方。
圖12和13示出具有環(huán)狀阻流體4的渦流頻率-流量計2，其傳感器布置可以與圖6或8進行比較。因此對于桿狀阻流體4的描述也相應(yīng)有效。
權(quán)利要求
1.一種用于測量通過管道(1)的液體或氣體介質(zhì)流量的渦流頻率-流量計，該流量計具有一個固定在管道中的阻流體(4)，它具有基本平行于流動方向的、在兩個流動方向(20，21)上被渦流分離棱邊(8，8.1；9，9.1)限定的側(cè)面(17，18)，其中分離棱邊(8，8.1；9，9.1)之間的阻流體(4)的橫截面在流動方向(20，21)上和垂直于流動方向(20，21)上是基本對稱的并在兩個側(cè)面(17，18)中的至少一個側(cè)面上設(shè)置至少一個傳感器(16)用于測量從分離棱邊(8，8.1；9，9.1)周期性分離的渦流(10，11)，其特征在于，為了測量流動方向至少一個傳感器(16)在流動方向(20，21)上看去偏心地設(shè)置在分離棱邊(8，8.1；9，9.1)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的渦流頻率-流量計，其特征在于，所述阻流體(4)是桿狀、環(huán)狀或至少部分環(huán)狀的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的渦流頻率-流量計，其特征在于，所述至少一個傳感器(16)對應(yīng)一個在流動方向(20，21)上與之錯開的且位于同一流動線上的第二個傳感器(16)。
4.如權(quán)利要求2或3所述的渦流頻率-流量計，其特征在于，具有至少兩個在所述桿狀阻流體(4)高度上或所述至少部分環(huán)狀的阻流體(4)圓周上分布的且在流動方向(20，21)上相互錯開的傳感器(16)。
5.如權(quán)利要求4所述的渦流頻率-流量計，其特征在于，所述傳感器(16)成對地布置并且一對傳感器(16)與管道軸線的距離是相等的。
6.如權(quán)利要求3至5中任一項所述的渦流頻率-流量計，其特征在于，所述傳感器(16)在相反的方向上偏心地設(shè)置在分離棱邊(8，8.1；9，9.1)之間。
7.如上述權(quán)利要求中任一項所述的渦流頻率-流量計，其特征在于，對于在所述阻流體(4)側(cè)面(17，18)上位于對面的測量位置(16.1，16.2)，將這些位置通過一個通孔(23)相互連接。
8.如權(quán)利要求7所述的渦流頻率-流量計，其特征在于，所述通孔(23)在兩側(cè)通過基本上與側(cè)面(17，18)表面平齊密封的膜片封閉。
9.如上述權(quán)利要求中任一項所述的渦流頻率-流量計，其特征在于，所述傳感器(16)是微型傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量通過管道的液體或氣體介質(zhì)流量的渦流頻率－流量計，該流量計具有一個固定在管道中的阻流體，它具有基本平行于流動方向的、在兩個流動方向上被渦流分離棱邊限定的側(cè)面，其中在兩個側(cè)面中的至少一個側(cè)面上設(shè)置至少一個傳感器用于測量從分離棱邊周期性分離的渦流。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，進一步改進這樣一種形式的渦流頻率－流量計，使得該流量計不僅能夠在兩個流動方向上進行測量工作而且還能夠以簡單的機構(gòu)測量流動方向。這個技術(shù)問題由此得到解決，至少一個傳感器(16)在流動方向(20，21)上看去偏心地設(shè)置在分離棱邊(8，8.1；9，9.1)之間。
文檔編號G01F1/00GK1503897SQ02808463
公開日2004年6月9日 申請日期2002年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月17日
發(fā)明者O·伯貝里, O 伯貝里 申請人:H·邁內(nèi)克有限公司, H 邁內(nèi)克有限公司