Wirbelfrequenz-Strömungsmesser nutzen die regelmäßige Wir- belablösung an einem in der Fluidströmung angeordneten stumpfen Staukörper. Dabei besteht das Phänomen, daß sich die Wirbel al- ternierend von gegenüberliegenden Seiten der angeströmten Fläche des Staukörpers ablösen. Es bildet sich dadurch eine sogenannte von-Kärmänsche Wirbelstraße aus, d. h., die Wirbel bleiben noch eine ganze Strecke hinter dem Staukörper in der Strömung erhal- ten, ehe sie sich auflösen. Wirbelfrequenz-Strömungsmesser nut- zen die Erkenntnis aus, daß für bestimmte Staukörperprofile über einen großen Bereich der Strömungsgeschwindigkeit eine lineare Abhängigkeit zwischen der Frequenz der Wirbelablösung und der Strömungsgeschwindigkeit besteht, mit anderen Worten, durch Er- fassung dieser Frequenz kann direkt auf die Strömungsgeschwin- digkeit und damit auf die Durchflußmenge des Fluids durch die Rohrleitung geschlossen werden. Neben einem Staukörper gehören daher auch Sensormittel zur Erfassung der Wirbelablösungen bzw. von daraus resultierenden Parameteränderungen des strömenden Fluids (z. B. Druck, Geschwindigkeit, Temperatur) zum Aufbau ei- ner Meßanordnung mit einem Wirbelfrequenz-Strömungsmesser.

Bei den zuerst in der Literatur beschriebenen und auch zu- erst kommerziell eingesetzten Wirbelfrequenz-Strömungsmessern besteht der Staukörper aus einem Stabprofil, welches sich dia- metral im Strömungsquerschnitt erstreckt. Beispiele für Wirbel- frequenz-Strömungsmesser mit derartigen Anströmkörpern sind in GB 140 12 72, US 4 206 642, US 4 285 247, DE 37 14 344 C2, DE 41 02 920 C2, US 3 979 954, EP 0 077 764, US 4 434 668, US 4 922 759, US 5 214 965, US 5 321 990 und EP 0 666 468 zu finden.

Später kamen dann Wirbelfrequenz-Strömungsmesser mit einem ringförmigen Staukörper hinzu. Diese haben im Vergleich zu stab- förmigen Staukörpern bei gleicher, absoluter Verblockung des Strömungsquerschnitts (Druckverlust) eine geringere Profilbrei- te. Daraus resultiert eine höhere Wirbelfrequenz bei gleicher Anströmungsgeschwindigkeit, d. h., die Meßauflösung ist im Ver- gleich mit stabförmigen Staukörpern besser Beispiele für Wirbel- frequenz-Strömungsmesser mit ringförmigem Staukörper sind in GB 1 502 260, WO 88/04410, DE 32 20 539, DE 28 02 009, US 5 170 671, US 5 289 726, JP 560 22 963, JP 59 19 8317, JP 11 48 912, JP 11 48 913 und JP 11 48 914 zu finden. Eine Umsetzung von Wir- belfrequenz-Strömungsmessern mit einem ringförmigen Staukörper in die Praxis erfolgte bisher nicht.

In der DE 28 02 009 ist ein Wirbelfrequenz-Strömungsmesser mit einem ringförmigen Staukörper beschrieben. In einer Ausfüh- rungsform hat dieser Staukörper einen rechteckigen Querschnitt, d. h., er besitzt parallel zur Strömung ausgerichtete, in beiden Strömungsrichtungen von Wirbelablösekanten begrenzte Seitenflä- chen, wobei der Querschnitt des Staukörpers zwischen den Ablöse- kanten in und quer zur Strömungsrichtung symmetrisch ist. Er ist damit zur Strömungsmessung in beiden Richtungen geeignet. Radia- le Streben haltern den Staukörper konzentrisch in der Rohrlei- tung. Zur Erfassung der Wirbelablösung am Staukörper sind an diesem selbst oder in seiner Umgebung, z. B. der Rohrwandung, druck-oder geschwindigkeitsempfindliche Meßfühler vorgesehen.

Nähere Angaben zur Anordnung und Ausbildung dieser Meßfühler sind der DE 28 02 009 nicht entnehmbar.

Die GB 140 12 72 beschreibt einen Wirbelfrequenz- Strömungsmesser mit einem stabförmigen Staukörper, der ebenfalls eine Durchflußmessung in beiden Richtungen gestattet. Radial und axial mittig weist dieser Staukörper eine Durchgangsbohrung auf, die sich von einer zur anderen Seitenfläche des Staukörpers er- streckt und beidseitig durch bündig mit den Seitenflächen ab- schließende Membranen verschlossen ist. Die Durchgangsbohrung ist mit Öl gefüllt, so daß die Membranen hydraulisch miteinander verbunden sind. In der Durchgangsbohrung ist ein piezoelektri- scher Sensor angeordnet, der die durch die Membranen aufgrund der Wirbelablösungen über die Ölfüllung übertragenen Druckimpul- se detektiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wirbelfre- quenz-Strömungsmesser zur Verfügung zu stellen, der nicht nur einen Meßbetrieb in beiden Strömungsrichtungen sondern darüber hinaus auch mit einfachen Mitteln eine Erfassung der Strömungs- richtung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Wirbelfrequenz- Strömungsmesser gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Allein dadurch, daß der ohnehin vorhandene und erforderli- che, mindestens eine Sensor in Strömungsrichtung gesehen außer- mittig zwischen den Ablösekanten angeordnet ist, kann nicht nur in beiden Strömungsrichtungen gemessen, sondern zusätzlich auch noch die Strömungsrichtung erfaßt werden. Dieser Effekt resul- tiert daraus, daß die aus der Wirbelablösung resultierenden Pa- rameteränderungen, z. B. des Drucks, der Temperatur und der Ge- schwindigkeit, aufgrund des axialen Versatzes des mindestens ei- nen Sensors gegenüber einer mittigen Lage zwischen den Ablöse- kanten in beiden Strömungsrichtungen unterschiedlich sind, so daß aufgrund dieser Unterschiede die Strömungsrichtung erkannt werden kann. Mehraufwendungen hinsichtlich der konstruktiven Ge- staltung des Wirbelfrequenz-Strömungsmessers sowie zusätzliche Meßeinrichtungen sind bei dieser Lösung nicht erforderlich. Al- lerdings wird dieser Vorteil mit einer Erhöhung des Datenverar- beitungsaufwandes erkauft, indem die aktuell gemessene Frequenz und Amplitude mit unter definierten Bedingungen ermittelten Fre- quenz-Amplituden-Paaren verglichen wird, deren Kombinationen eindeutig einer bestimmten Strömungsrichtung zugeordnet sind.

Der Signalverarbeitungsaufwand kann in weiterer Ausgestal- tung der Erfindung dadurch vermindert werden, daß dem mindestens einen Sensor ein zweiter, dazu in Strömungsrichtung versetzter und auf dem gleichen Strömungsfaden liegender Sensor zugeordnet ist. Bei einer derartigen Anordnung der Sensoren kann die An- strömrichtung ohne Vergleich mit abgespeicherten Frequenz- Amplituden-Paaren ermittelt werden, indem die aktuell gemessenen Amplituden direkt miteinander verglichen werden, wobei sich aus dem Amplitudenunterschied die Strömungsrichtung ergibt. Eventu- ell kann bei entsprechenden Verhältnissen auch der zeitliche Versatz der Signale beider Sensoren für die Ermittlung der Strö- mungsrichtung herangezogen werden.

Anstelle des Versatzes hintereinander in Strömungsrichtung von zwei Sensoren können diese auch über die Höhe eines stabför- migen bzw. auf den Umfang eines ringförmigen Staukörpers ver- teilt und in Strömungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sein. Durch diese Anordnung gesellt sich zum Vorteil des Erken- nens der Strömungsrichtung noch der Vorteil, Strömungsasymmet- rien erfassen zu können. Dabei versteht es sich, daß eine Ver- größerung der Anzahl der Sensoren die Genauigkeit der Asymmet- rieerfassung erhöht.

Es ist von Vorteil, wenn die Sensoren in entgegengesetzten Richtungen außermittig zwischen den Ablösekanten angeordnet sind, d. h. mit möglichst großem Abstand voneinander, weil dann der Signalunterschied beider Strömungsrichtungen am größten ist.

In dieser Hinsicht ist es in Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, wenn Mikrosensoren eingesetzt werden. Diese können auf Grund ihrer geringen Abmessungen sehr dicht an die Ablöse- kanten herangesetzt werden, so daß sich zum einen ein optimal großer Abstand zwischen axial versetzten Sensoren ergibt und zum anderen ein starkes Signal.

Ein weiterer Vorteil stellt sich ein, wenn in Ausgestaltung der Erfindung bei sich auf den Seitenflächen des Staukörpers ge- gen überliegenden Meßstellen diese über Durchgangsbohrungen mit- einander verbunden sind. Dadurch addieren sich die wechselseiti- gen Druckabsenkungen und-erhöhungen, so daß sich im Vergleich mit Meßpunkten ohne eine derartige Verbindung eine doppelte Druckamplitude ergibt, woraus eine sehr hohe Meßempfindlichkeit resultiert. Diese Lösung ist daher insbesondere für Differenz- drucksensoren interessant.

Es ist dabei weiterhin vorteilhaft, wenn die Durchgangsboh- rungen beidseitig durch im wesentlichen bündig mit der Oberflä- che der Außenseite und Innenseite abschließende Membranen ver- schlossen sind. Verstopfungen der Durchgangsbohrungen sowie die Wirbelbildung störende Querströmungen durch die Durchgangsboh- rungen werden dadurch vermieden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei- spielen näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigt : Fig. 1 eine prinzipielle Schnittdarstellung ei- nes in eine Rohrleitung eingebauten Wir- belfrequenz-Strömungsmessers mit ring- förmigem Staukörper und einer dahinter ausgebildeten von-Kärmänschen Wirbel- straße, Fig. 2-8 prinzipielle Schnittdarstellungen eines in eine Rohrleitung eingebauten Wirbel- frequenz-Strömungsmessers mit stabförmi- gem Staukörper und verschiedenen Sensor- anordnungen, Fig. 9 ein prinzipielles Druck-Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Signalunterschiede beider Strömungsrichtungen, Fig. 10 einen Schnitt A-A gemäß Fig. 2 in ver- größertem Maßstab, Fig. 11 einen Schnitt B-B gemäß Fig. 3 in ver- größertem Maßstab, Fig. 12,13 perspektivische Darstellungen von Wir- belfrequenz-Strömungsmessern mit einem ringförmigen Staukörper und verschiede- nen Sensoranordnungen, und Fig. 14 verschiedene, mögliche Querschnitte der Staukörper.

Fig. 1 zeigt eine Rohrleitung 1, in die ein Wirbelfrequenz- Strömungsmesser 2 eingebaut ist. Dieser besteht aus einem äuße- ren Klemmring 3 und einem inneren Stauring 4, wobei der Stauring 4 über drei radiale in einem Winkelabstand von 120° angeordnete - in Fig. 1 nicht dargestellte-Streben mit dem Klemmring 3 starr verbunden ist. Derartige Streben 5 sind in den Fig. 12 und 13 gezeigt, wobei hier zwei bzw. vier Streben 5 zur Halterung des Staurings 4 vorgesehen sind. Der Klemmring 3 dient dem Ein- bau des Wirbelfrequenz-Strömungsmessers 2 in die Rohrleitung 1, indem er zwischen zwei nicht weiter dargestellte Flansche einge- klemmt wird. Sein Innendurchmesser entspricht dem Innendurchmes- ser Ro der Rohrleitung 1, so daß dessen Innenwandung 6 durch die Innenseite des Klemmringes 3 kontinuierlich fortgesetzt wird und hier keine Verwirbelungen auftreten. Die angeströmte Fläche 7 des Stauringes 4 (die Strömungsrichtung ist durch einen Pfeil 20 angedeutet), ist als eine strömungstechnisch stumpfe, senk- recht zur Strömung stehende Fläche ausgelegt, die innen und au- ßen durch scharfe Ablösekanten 8 und 9 begrenzt ist. An diesen Ablösekanten 8,9 lösen sich alternierend mit gleicher Frequenz Ringwirbel 10 und 11 ab, wobei die Ringwirbel 10 größeren Durch- messers der Ablösekante 8 und die Ringwirbel 11 kleineren Durch- messers der Ablösekante 9 zuzuordnen sind. Da der Stauring 4 ü- ber die Streben konzentrisch in der Rohrleitung 1 gehalten ist, liegt er im Fall einer voll ausgebildeten Rohrströmung auf einer kreisförmigen Isotache, wie sich aus dem in Fig. 1 eingezeichne- ten turbulenten Geschwindigkeitsprofil 12 ergibt. Dadurch kann die Wirbelablösung sehr homogen erfolgen, so daß die Ringwirbel 10 bzw. 11 noch relativ lange hinter dem Wirbelfrequenz- Strömungsmesser 2 als sogenannte von-Kärmänsche Wirbelstraße er- halten bleiben, ehe sie sich auflösen.

Bei den in den Ausführungsbeispielen gewählten stab-und ringförmigen Staukörpern 4 haben deren Querschnitte 13 Rechteck- form. Ein derartiger Querschnitt 13 ist zu seinen beiden Haupt- achsen 19,22 in und quer zur Strömungsrichtung 20,21 symmet- risch, so daß bei einer Anströmung des Wirbelfrequenz- Strömungsmessers 2 entgegen der Strömungsrichtung 21 (Fig. 1) sich identische Verhältnisse einstellen (Die Wirbel 10,11 lö- sen sich dann von den Ablösekanten 8.1 und 9.1 ab), mit anderen Worten, bei einem derartigen Querschnitt führt eine bestimmte Anströmgeschwindigkeit für beide Anströmrichtungen zur gleichen Frequenz. Trotz der Möglichkeit der Volumenstrommessung in beide Richtungen bleibt hierdurch der Signalverarbeitungsaufwand ge- ring.

In Fig. 14 sind beispielsweise weitere Querschnitte 13 der Staukörper 4 dargestellt, die eine Messung in beiden Strömungs- richtungen gestatten. In den unten stehenden Erläuterungen wird exemplarisch an einem rechteckigen Querschnitt (Fig. 14.2,14.3) festgehalten, wobei diese Ausführungen natürlich auch für die anderen Querschnitte gelten.

Bei den in den Stauring 4 eingebauten Sensoren handelt es sich um Mikrosensoren 16 (Fig. 10,11). Sie sind in den Figuren 2 bis 8 und 12 und 13 lediglich symbolisch durch Kreise darge- stellt. Wie schon erläutert, führen die sich an den Ablösekanten 8,9 bzw. 8.1,9.1 ablösenden Wirbel zu lokalen Geschwindig- keits-und Druckschwankungen. Daher sind alle Meßprinzipien ge- eignet, die eine Erfassung dieser Größen bzw. von diesen abhän- gigen Parametern ermöglichen. Beispiele für geeignete Sensoren sind daher : Differenzdrucksensoren, Absolutdrucksensoren, Strö- mungsgesamtwiderstandssensoren, Strömungsreibungssensoren, Wär- meverlustsensoren und Wärmeverteilungssensoren. Diese Sensoren- typen sind dem Fachmann allgemein bekannt, so daß auch eine Um- setzung dieser Konstruktionsprinzipien in die Mikrotechnik mög- lich ist, diese bekannten Sensortypen also miniaturisierbar sind. Die Mikrosensoren 16 sind daher in den Fig. 10,11 in Black-Box-Art dargestellt, da es hier auf das mit den Mikrosen- soren 16 verwirklichte Meßprinzip, nicht aber auf deren exakte Konstruktion ankommt.

Bei den gewählten Ausführungsbeispielen kommen Differenz- druck-Mikrosensoren 16 zum Einsatz, obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Bei der Messung mit Differenzdruck- Mikrosensoren 16 liegen zwei Meßpunkte 16.1 und 16.2 vor, die auf den Seitenflächen 17,18 des Querschnitts 13 liegen. Die Meßpunkte 16.1,16.2 sind durch eine Durchgangsbohrung 23 mit- einander verbunden. Bei den Meßpunkten 16.1,16.2 kann es sich sowohl um Differenzdruck-Mikrosensoren 16 als auch um die Aus- lässe der Durchgangsbohrungen 23 handeln, wie in den Figuren 10 und 11 dargestellt. Über die Durchgangsbohrung 23 werden die Druckunterschiede auf den Seitenflächen 17,18 überlagert. Da infolge der alternierenden Ablösung der Wirbel einem Druckan- stieg auf der einen Seite 17,18 ein ungefähr gleich großer Druckabfall auf der anderen Seite 18,17 gegenübersteht, kommt es zu einer Verdoppelung der Signalamplitude, d. h., zu einer großen Meßsignalverstärkung, wodurch die Meßempfindlichkeit we- sentlich erhöht wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung von Sensoren zur Erfassung der Strömungsrichtung wird nachstehend anhand der Figuren 2 bis 8 näher erläutert. Diese Figuren zeigen einen in eine Rohrlei- tung 1 eingebauten Wirbelfrequenz-Strömungsmesser 2 mit einem stabförmigen Staukörper 4. Es liegt ein turbulentes Strömungs- profil 12 vor.

Zur Erfassung der Duchflußmenge und der Strömungsrichtung ist im Prinzip ein Sensor 16 ausreichend. Dieser einfachste Fall ist in Figur 2 dargestellt. Aus dieser Abbildung geht hervor, daß der Differenzdruck-Mikrosensor 16 in Höhe der Rohrachse an- geordnet und entgegen der Strömungsrichtung 20, also zu den Ab- lösekanten 8,9 hin verschoben ist. Bei dieser Anordnung ist die gemessene Druckamplitude, gleiche Strömungsgeschwindigkeiten vorausgesetzt, bei einer Anströmung aus Richtung 20 größer als bei einer Anströmung aus Richtung 21. Dieser Sachverhalt ist in dem Diagramm gemäß Figur 9 dargestellt, in dem die Kurve A der Strömungsrichtung 20 und die Kurve B der Strömungsrichtung 21 zuzuordnen ist. Da aber einem Amplitudenwert zwei Frequenzen, d. h. zwei Geschwindigkeiten, nämlich in Strömungsrichtung 20 o- der 21, zugeordnet werden können, ist die Amplitude allein nicht hinreichend, um auf die Strömungsrichtung 20,21 schließen zu können. Hinzu kommen muß noch ein Kennfeld von unter definierten Bedingungen ermittelten Frequenz-Amplituden-Paaren, mit denen die aktuell gemessenen Werte verglichen werden. Bei der Anord- nung mit nur einem versetzten Sensor 16 erhöht sich also der Da- tenverarbeitungsaufwand.

Dieser Aufwand wird mit einer Anordnung gemäß Fig. 3 vermie- den. Hier sind zwei Differenzdruck-Mikrosensoren 16 vorgesehen, die auf gleicher Höhe, in diesem Fall auf Höhe der Rohrachse, liegen. Beide Differenzdruck-Mikrosensoren 16 sind gleichermaßen gegenüber der Hauptachse 19 des Querschnitts 13 zu den Ablöse- kanten 8,8.1 bzw. 9,9.1 verschoben (Fig. 11). Dieser Versatz der Sensoren 16 entgegen der beiden Strömungsrichtungen 20,21 erhöht die Sicherheit der Richtungserkennung und verringert vor allem den Datenverarbeitungsaufwand, da ein Vergleich der Sig- nalamplituden direkt durchgeführt werden kann (Fig. 9), ohne auf ein gespeichertes Kennfeld, wie bei der Anordnung gemäß Fig. 2 zurückgreifen zu müssen. Ein weiterer Vorteil gegenüber dieser Anordnung liegt in der Erhöhung der Meßredundanz.

Eine Erhöhung der Meßredundanz gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 2 wird auch durch eine Sensorverteilung nach Fig. 4 er- reicht. Hier sind zwei Differenzdruck-Mikrosensoren 16 in glei- cher Richtung, nämlich zu den Ablösekanten 8,9 hin, um gleiche Weglängen versetzt, wobei der Abstand rM der Sensoren 16 zur Rohrachse gleich ist. Neben der Erfassung der Durchflußmenge und der Strömungsrichtung 20,21 besteht mit dieser Anordnung die Möglichkeit, Strömungsasymmetrien zu erfassen, wenn ein entspre- chender Datenverarbeitungsaufwand betrieben wird. Hinsichtlich der Erkennung der Strömungsrichtung 20,21 besteht der gleiche Nachteil wie bei der Sensoranordnung gemäß Fig. 2. Dieser Nach- teil kann aber analog zu der Lösung gemäß Fig. 3 durch eine Ver- doppelung der Sensoren 16 abgestellt werden, was in Fig. 5 dar- gestellt ist.

Dieser Nachteil ist aber auch durch eine einfachere, in Fig.

6 dargestellte Lösung vermeidbar. Hier sind zwei im gleichen Ab- stand rM von der Rohrachse angeordnete Differenzdruck- Mikrosensoren 16 in entgegengesetzten Richtungen versetzt ange- ordnet. Da sie bei symmetrischer Anströmung aufgrund des glei- chen Abstandes zur Rohrachse gleiche lokale Strömungsgeschwin- digkeiten, d. h. Frequenzen detektieren, entspricht diese Anord- nung, was die Erfassung der Strömungsrichtung 20,21 betrifft, der Sensoranordnung gemäß Fig. 3, bietet aber demgegenüber den Vorteil, Strömungsasymmetrien erfassen zu können.

Es versteht sich, daß durch eine Erhöhung der Anzahl von ü- ber die Höhe des Staukörpers 4 verteilten Sensoren 16 die Genau- igkeit der Asymmetrieerfassung erhöht wird. Fig. 7 zeigt eine Sensoranordnung, bei der zu der in Fig. 6 dargestellten Anord- nung eine dritte, mittige Meßstelle hinzukommt. Da es zu dieser mittigen Position keine Vergleichsposition gibt, ist diese mit- tig zwischen den Ablösekanten 8,9 und 8,1,9,1 angeordnet. Ein Versatz dieser mittigen Meßstelle in die eine oder andere Strö- mungsrichtung 20,21 ist ebenfalls denkbar, um die Signalampli- tude dieser Meßstelle bei einer bestimmten Haupt- Strömungsrichtung 20,21 zu maximieren.

In Fig. 8 ist ein Staukörper 4 mit vier paarweise versetzten Differenzdruck-Mikrosensoren 16 gezeigt, wobei die Differenz- druck-Mikrosensoren 16 eines Paares jeweils gleiche Abstände r bzw. rM2 von der Rohrachse haben. Diese Anordnung führt, wie die Anordnung gemäß Fig. 5 auch, zu einer Redundanz bezüglich der Erkennung der Strömungsrichtung 20,21.

Als weitere Variante eines Meßstellenversatzes ist denkbar, alle Meßstellen unterhalb der Rohrachse in eine Richtung und al- le Meßstellen oberhalb der Rohrachse in die andere Richtung zu versetzen.

Die Fig. 12 und 13 zeigen Wirbelfrequenz-Strömungsmesser 2 mit ringförmigen Staukörpern 4, deren Sensoranordnung mit der gemäß Fig. 6 bzw. 8 vergleichbar ist. Das zu den stabförmigen Staukörpern 4 Gesagte gilt daher entsprechend.