Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Massendurchflusses eines in einer Rohrleitung strömenden Fluids mittels eines Wirbel- Strömungsmeßgeräts.

Für die Messung von Durchflüssen von in Rohrleitung strömenden Fluiden, insb. von Gas-oder Dampfströmungen im Hochtemperatur-und/oder Hochdruckbereich, werden häufig Wirbel-Strömungsmeßgeräte verwendet.

Typische Varianten in Aufbau und Verwendung solcher Wirbel- Strömungsmeßgeräte sind beispielsweise in der US-A 44 48 081, der US-A 45 23 477, der US-A 47 16 770, der US-A 48 07 481, der US-A 48 76 897, der US- A 49 73 062, der US-A 50 60 522, der US-A 51 21 658, US-A 51 52 181, der US-A 53 21 990, der US-A 54 29 001, der US-A 55 69 859, der US-A 58 04 740, der US-A 60 03 384, der US-B 61 70 338, der US-B 63 51 999 oder der US-B 63 52 000 beschrieben.

Die Funktionsweise üblicher Wirbel-Strömungsmeßgeräte beruht auf der Ausnutzung von periodischen Druckschwankungen in einer Kärmän'schen Wirbelstraße. Diese entsteht bekanntlich, wenn ein Fluid gegen ein Strömungshindernis, insb. einen Staukörper, strömen gelassen wird. Von diesem Staukörper lösen sich auf seiner stromabwärtigen Seite periodisch Wirbel ab, die die erwähnte Wirbelstraße bilden. Die Wiederholfrequenz mit der die Wirbel gebildet werden ist über einen weiten Reynoldszahlbereich proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, wodurch mittels solcher Wirbel-Strömungsmeßgeräte der Volumendurchfluß praktisch direkt gemessen werden kann.

Ein Wirbel-Strömungsmeßgerät der beschriebenen Art umfaßt üblicherweise ein Meßrohr vorgegebener Länge in dessen Lumen, vorzugsweise entlang eines Durchmessers des Meßrohrs, der erwähnte Staukörper angeordnet ist.

Das Meßrohr ist einlaßseitig und auslaßseitig in eine das zu messende Fluid führende Rohrleitung eingesetzt, so daß im Betrieb des Wirbel- Strömungsmeßgeräts das Fluid durch das ein-und auslaßseitig mit der Rohrleitung kommunizierende Meßrohr hindurchströmen gelassen und dabei gegen den Staukörper geführt werden kann.

Charakteristisch für solche Wirbel erzeugenden Staukörper ist, daß sie auf ihrer stromaufwärtigen Seite eine weitgehend ebene Anströmfläche aufweisen, die unter Bildung wenigstens zweier möglichst scharfer Abreiß-oder auch Abstreifkanten seitlich abrupt enden gelassen wird. Ausgehend von den Abrißkanten verjüngen sich die Staukörper dann auf der stromabwärtigen Seite.

Dies kann z. B. stetig gleichmäßig oder, wie z. B. in der US-A 55 69 859 gezeigt, auch stufenweise erfolgen. Neben den beiden Abreißkanten kann der Staukörper auch noch weitere Abreißkanten aufweisen.

Schließlich sitzt wenigstens ein Sensorelement im Staukörper oder ist stromabwärts des Staukörpers von innen an der Wand des Meßrohrs oder von außen an der Wand oder innerhalb der Wand angeordnet. Die mit den Wirbeln verbundenen Druckschwankungen werden mittels des im Staukörper selbst oder mittels eines stromabwärts von ihm angeordneten Sensorelements, das z. B. kapazitiv, induktiv oder piezoelektrisch wirken kann, aber auch ein Ultraschallsensor sein kann, erfaßt und in elektrisch verarbeitbare Signale umgewandelt. Diese Signale haben eine Frequenz, die direkt proportional zum Volumendurchfluß im Meßrohr ist.

Die vom Sensorelement erzeugten elektrischen Signale werden von einer entsprechenden Auswerte-Elektronik des Wirbel-Strömungsmeßgeräts

verarbeitet und können z. B. vor Ort zur Anzeige gebracht und/oder in übergeordneten Auswerte-Einheiten weiterverarbeitet werden.

Wie bereits erwähnt, kann mittels derartiger Wirbel-Strömungsmeßgeräte eine Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Fluids und/oder davon abgeleitet der Volumendurchfluß praktisch direkt gemessen werden. Ausgehend vom gemessenen Volumendurchfluß und einer zu diesem simultan oder auch nachträglich ermittelten momentanen Dichte des Fluids kann, wie z. B. auch in der WO-A 95/11 425, der US-A 48 76 897, der US-A 49 41 361, der US-A 51 21 658 oder der US-A 54 29 001 beschrieben, ein momentaner Massendurchfluß indirekt ermittelt werden. Wie in der US-A 44 48 081, der US-A 45 23 477, der US-A 48 07 481, der US-A 49 73 062, der US-A 50 60 522, der US-A 51 52 181, der US-A 54 29 001, der US-A 58 04 740 oder der US-B 61 70 338 gezeigt, ist es ferner auch möglich, mittels solcher Wirbel-Strömungsmeßgeräte den Massendurchfluß ausgehend vom gemessenen Volumendurchfluß und einem in Strömungsrichtung im Fluid wirkenden dynamischen Druck zu ermitteln.

Insbesondere in der WO-A 95/11 425, der US-A 54 29 001 oder der US-B 61 70 338 wird vorgeschlagen, den dynamischen Druck anhand eines, insb. zeitlich gemittelten, Amplitudenverlaufs eines sich mit der Wiederholfrequenz der Wirbel periodisch ändernden Wirbelmeßsignals zu bestimmen, daß mit einem in der Wirbelstraße örtlich erfaßten zeitlichen Druckverlauf korrespondiert.

Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß der Amplitudenverlauf oder auch der mittlere Amplitudenverlauf eines derartigen Wirbelmeßsignals praktisch nur bei einer stationären Strömung proportional zum dynamischen Druck ist.

Überdies wird z. B. in der US-A 44 48 081 vorgeschlagen, den dynamischen Druck anhand zeitlicher Amplitudenverläufe von elastischen Verformungen des angeströmten Staukörpers zu bestimmen.

Im Gegensatz dazu wird z. B. bei dem in der US-A 51 52 181 beschriebenen Wirbel-Strömungsmeßgerät der dynamische Druck zum Zwecke der Massendurchflußmessung in einem weitgehend wirbelfreien Bereich des strömenden Fluids erfaßt, und zwar durch im Lumen des Meßrohrs stromaufwärts des Staukörpers angeordnete zusätzliche Drucksensoren.

Ausgehend von vorgenanntem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Messung des Massedurchflusses mittels Wirbel- Strömungsmeßgeräten dahingehend zu verbessern, daß sie auch bei instationärer, insb. auch gestörter, Strömung eine hohe Genauigkeit aufweist.

Ferner soll die verbesserte Messung auch mit herkömmlichen Wirbel- Strömungsaufnehmer-Typen durchführbar sein. Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, unter Verwendung der in Wirbel-Strömungsmeßgeräten der beschriebenen Art erzeugten Meßsignale, insb. des Wirbelmeßsignals, weitere das Fluid oder die Fluidströmung repräsentierende Meßgrößen, insb. eine Viskosität des Fluids, zu erfassen.

Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Ermitteln eines Massendurchflusses eines in einer Rohrleitung strömenden Fluids, welches Verfahren folgende Schritte umfaßt : - Erzeugen von, insb. Kärmänschen, Wirbeln im strömenden Fluid mittels eines von Fluid umströmten, wenigstens zwei Abreißkanten aufweisenden Staukörpers und Ermitteln einer Wiederholfrequenz mit der die Wirbel erzeugt werden, - Erzeugen eines Strömungsmeßwerts, der einen Volumenstrom oder eine Strömungsgeschwindigkeit repräsentiert, anhand der ermittelten Wiederholfrequenz, - örtliches Erfassen eines im strömenden Fluid wirkenden ersten Drucks an einem ersten Meßpunkt, der bezüglich der Strömungsrichtung neben den beiden Abreißkanten des Staukörpers oder stromabwärts wenigstens einer der Abreißkanten angeordnet ist und/oder der innerhalb einer zwischen den

beiden Abreißkanten gebildeten Anströmfläche des Staukörpers angeordnet ist, und - örtliches Erfassen eines im strömenden Fluid wirkenden zweiten Drucks an einem zweiten Meßpunkt, der in Strömungsrichtung vom ersten Meßpunkt beabstandet ist, -- wobei unter Einwirkung der erzeugten Wirbel wenigstens einer der erfaßten Drücke zumindest zeitweise sich mit der Wiederholfrequenz periodisch ändern gelassen wird, - Erzeugen eines Druckmeßwerts, der einen im zeitlichen Mittel in Strömungsrichtung wirkenden mittleren dynamischen Druck repräsentiert, unter Verwendung des erfaßten ersten Drucks und des erfaßten zweiten Drucks, sowie - Erzeugen eines den Massendurchfluß repräsentierenden Massendurchflußmeßwerts unter Verwendung des Druckmeßwerts und des Strömungsmeßwerts.

Nach einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung wird die Wiederholfrequenz, mit der die Wirbel erzeugt werden, anhand wenigstens eines der erfaßten Drücke ermittelt.

Nach einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist wenigstens einer der Meßpunkte am Staukörper oder innerhalb desselben angeordnet.

Nach einer dritten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung wird zum Erzeugen des Druckmeßwerts eine Druckdifferenz zwischen den beiden örtlich erfaßten Drücken ermittelt.

Nach einer vierten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung wird zum Ermitteln der Druckdifferenz ein, insb. innerhalb des Staukörpers angeordneter, Druckdifferenzsensor, insb. simultan, mit dem ersten und dem zweiten Druck beaufschlagt.

Nach einer fünften Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung wird abgeleitet von den örtlich erfaßten Drücken ein die Druckdifferenz repräsentierendes Druckdifferenzsignal erzeugt.

Nach einer sechsten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung wird zur Erzeugung des Druckmeßwerts das Druckdifferenzsignal tiefpaßgefiltert.

Nach einer siebenten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung wird zur Erzeugung des Druckmeßwerts das Druckdifferenzsignal digitalisiert.

Nach einer achten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung werden der Druckmeßwert und/oder Strömungsmeßwert anhand einer Spektralanalyse des Druckdifferenzsignals ermittelt.

Nach einer neunten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist der erste örtlich erfaßte Druck ein in Strömungsrichtung wirkender totaler Druck.

Nach einer zehnten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist der zweite örtlich erfaßte Druck ein im Fluid wirkender statischer Druck.

Nach einer elften Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung wird zur Ermittlung der Druckdifferenz ein innerhalb oder stromabwärts des Staukörpers angeordentes, als Schwingkörper ausgebildetes Sensorelement verwendet.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den für die Massendurchflußmessung erforderlichen dynamischen Druck zum einen anhand eines innerhalb des Meßrohrlumens punktuell erfaßten Druckverlaufs zu bestimmen, der sich zumindest teilweise über einen Wirkbereich der am Staukörper erzeugten Wirbel erstreckt, und zum anderen die so erfaßten

Drücke nicht nur von allfällig überlagerten Störungen zu befreien, sondern zeitlich zu mitteln und somit einen Gleichanteil des veränderlichen Druckverlaufs zu bestimmen.

Die Erfindung beruht insb. auch auf der Erkenntnis, daß zum einen ein zeitlicher Mittelwert des im wesentlichen periodisch veränderlichen Druckverlaufs die für die Massendurchflußmessung erforderliche Information trägt und daß zum anderen der vorgenannte Druckverlauf in vorteilhafter Weise bereits anhand zweier Drücke hinreichend genau geschätzt werden kann, die im Fluid stromabwärts der Abreißkanten des Staukörpers an voneinander in Strömungsrichtung beabstandeten, jedoch ansonstens praktisch beliebig anordenbaren Meßpunkten erfaßt worden sind.

Dies hat u. a. auch den Vorteil, daß sämtliche für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen Meßpunkte für die zu erfassenden Drücke direkt am Staukörper angeordnet sein können. Somit können z. B. auch innerhalb des Staukörpers angeordnete, druckempfindliche Sensorelemente zum Erfassen der Drücke dienen. Zudem kann so auch die für die Volumendurchflußmessung erforderliche Wirbel-Wiederholfrequenz, mittels herkömmlicher, beispielsweise innerhalb oder außerhalb des Staukörpers angeordneten, Sensorelemente detektiert werden. Infolgedessen sind im Vergleich zu herkömmlichen Wirbel- Strömungsmeßaufnehmern nur geringe bauliche Veränderungen erforderlich, um das erfindungsgemäße Verfahren realisieren zu können.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Im einzelnen zeigen Fig. 1 teilweise aufgeschnitten in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel für einen Wirbelaufnehmer,

Fig. 2 einen Querschnitt eines Wirbel-Durchflußmeßgerät mit einem Wirbelaufnehmer gemäß Fig. 1, Fig. 3a, b schematisch in zwei verschiedenen Querschnitten eine Sensoranordnung für einen Wirbelaufnehmer gemäß Fig. 1, Fig. 4a ; 5a ; 6a jeweils ein Ausführungsbeispiel für einen Staukörper eines Wirbelaufnehmers gemäß Fig. 1, Fig. 4b, c ; 5b, c ; 6b, c im Betrieb mittels des Wirbel-Durchflußmeßgeräts von Fig. 2 ermittelte zeitliche Druckverläufe, Fig. 4d ; 5d ; 6d zeitliche Verläufe von im Betrieb mittels des Wirbel-Durchflußmeßgeräts von Fig. 2 von den zeitlichen Druckverläufen gemäß den Fig. 4b, c, Fig. 5b, c oder Fig. 6b, c abgeleitete Meßsignale, Fig. 7a, b in zwei verschiedenen Ansichten ein Ausführungsbeispiel für eine Weiterbildung eines Wirbelaufnehmers gemäß Fig. 1, Fig. 8a, b in zwei verschiedenen Ansichten ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Weiterbildung eines Wirbelaufnehmers gemäß Fig. 1, Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel für eine elektronische Meßwandlerschaltung für ein Wirbel-Durchflußmeßgerät gemäß Fig. 2, Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine elektronische Meßwandlerschaltung für ein Wirbel-Durchflußmeßgerät gemäß Fig. 2 und

Fig. 11 a, b im Betrieb mittels des Wirbel-Durchflußmeßgeräts von Fig. 2 ermittelte zeitliche Druckverläufe.

In den Fig. 1 und 2 ist der Aufbau eines für das Verfahren der Erfindung geeigneten Wirbelaufnehmers 1 schematisch dargestellt.

Der Wirbelaufnehmer 1 umfaßt ein Meßrohr 11, das, in eine fluidführende Rohrleitung eingefügt, im Betrieb von einem zu messenden Fluid, beispielsweise einer Flüssigkeit, einem Gas oder einem Dampf, durchströmt wird. Das Meßrohr 11 besteht üblicherweise aus Metall, wie z. B. Edelstahl oder Gußeisen ; es kann aber z. B. auch ein geeigneter Hart-Kunststoff als Material für das Meßrohr 11 dienen.

Das Meßrohr 11 hat eine Längsachse, eine Innenfläche, ein Einlaufende 11+ und ein Auslaufende 11#. Somit ist die Strömungsrichtung des Fluids festgelegt ; in der Darstellung von Fig. 2 verlaufen Längsachse sowie Strömungsrichtung senkrecht zur Zeichenebene durch jenen vom Meßrohr 11 gebildeten Strömungskanal 12.

Das Meßrohr 11 hat ferner eine lichte Weite und eine dazu passende Stärke seiner Wand. Diese beiden Werte sind von der Nennweite und dem zulässigen Druck des Fluids der produzierten Wirbelaufnehmer abhängig. Wenn das Meßrohr 11, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, einen kreisförmigen Querschnitt hat, ist die lichte Weite der Durchmesser des Lumens des Meßrohrs 11. Mit dem Lumen bildet das Einlaufende 11+ eine Umrißlinie ; diese ist üblicherweise ein Kreis, da das Einlaufende 11+ eben ist und in einer Ebene senkrecht zur Längsachse liegt.

An der in Fig. 1 oben liegenden Seite des Meßrohres 11 ist eine Abflachung 13 gebildet, von der eine radiale Bohrung 14 in das Innere des Meßrohres geführt ist. Auf der Abflachung 13 ist eine rohrförmige Gehäusestütze 15 befestigt, die

an dem dem Meßrohr 11 entgegengesetzten Ende ein Elektronikgehäuse 16 trägt, in dem eine elektronische Meßwandlerschaltung des Wirbelströmungsmessers untergebracht ist.

Im Innern des Meßrohres 11 ist ein Staukörper 20 angeordnet, der sich diametral über einen Durchmesser des Strömungskanals 12 erstreckt und, wie in der Fig. 1 und 2 dargestellt, dabei entlang einer ersten Fixierungszone 71 und einer zweiten Fixierungszone 72 mit der Innenfläche der Wand des Meßrohrs 11 jeweils mechanisch fest verbunden ist. Diese mechanisch feste Verbindung wird bei den gängigen Metall-Meßrohren üblicherweise durch Schweissen hergestellt.

Der Staukörper 20 ist so ausgebildet, daß er in dem Strömungsmedium Karman'sche Wirbel erzeugt.

Dementsprechend ist der Staukörper 20, wie bei derartigen Wirbelaufnehmern üblich, als ein gerades Prisma mit einer Prismaachse und einer Querschnittsfläche ausgebildet, die eine vom Hersteller zu wählende geometrische Form aufweist und senkrecht zur Prismaachse ist. In den Fig. 1 und 2 ist diese geometrische Form der Querschnittsfläche im wesentlichen ein gleichschenkliges Dreieck oder Trapez. Anstatt eines geraden Prismas können aber z. B. auch gerade Voll-oder Teilzylinder oder z. B. auch Stäbe mit T- förmigen Querschnittsfläche als Staukörper verwendet werden.

Der Staukörper 20 ist so innerhalb des Meßrohrs 11 angeordnet, daß eine als Anströmfläche 73 dienende Grundfläche im wesentlichen quer zur Fluidströmung ausgerichtet ist, wobei Anströmfläche 73 seitlich unter Bildung einer ersten und einer zweiten Abreisskante 74,75 abgeschlossen ist.

Im Betrieb, wenn das zu messende Fluid gegen die Anströmfläche 73 des Staukörpers 20 strömen gelassen wird, werden an den beiden Abreisskanten

74,75 wiederholt Wirbel erzeugt, deren zeitbezogene Abriss-Häufigkeit oder auch Wiederholfrequenz in der bekannten Weise über die momentane Strouhal- Zahl, die wiederum über einen großen Reynolds-Zahlenbereich nahezu konstant ist, mit dem momentanen Volumendurchfluß korreliert ist. Dadurch, daß an jeder Abrisskante abwechselnd Wirbel abreißen und vom strömenden Fluid mitgenommen werden, kann sich überdies stromabwärts vom Staukörper 20 eine Kärmän'sche Wirbelstrasse oder zwei parallele Wirbelstraßen, wobei die Wirbel der einen Wirbelstraße gegen die Wirbel der anderen Wirbelstraße versetzt sind, im Fluid ausbilden.

Aufgrund der am Staukörper 20 erzeugten Wirbel können im Bereich, insb.

Nahbereich, des Staukörpers 20, ggf. auch stromaufwärst desselben, lokal jeweils, insb. totale, statische oder dynamische, Drücke an verschiedenen Meßpunkten im Fluid örtlich erfaßt werden, die sich mit der Wiederholfrequenz der Wirbel ändern.

Zum örtlichen Erfassen von im strömenden Fluid wirkenden Drücken, jedenfalls aber zum örtlichen Erfassen eines im Bereich des Staukörpers 20 wirkenden, zeitlich veränderlichen ersten und zweiten Drucks, umfaßt der Wirbelaufnehmer 1 eine druckempfindliche Sensoranordnung 8. Mit der Sensoranordnung 8 können bevorzugt gleichzeitig auch die von den Wirbeln lokal erzeugten Druckschwankungen im Fluid erfaßt und in entsprechender Weise in wenigstens ein elektrisches Meßsignal umgeformt werden, das sowohl eine Signalamplitude aufweist, die mit einem in Strömungsrichtung wirkenden dynamischen Druck korrespondiert als auch eine Signalfrequenz, die der Wiederholfrequenz der Wirbel entspricht.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Sensoranordnung 8 zumindest teilweise direkt innerhalb des Staukörpers 20 angeordnet. Zur Aufnahme von Teilen der Sensoranordnung ist in dem Staukörper 20 ein axialer Hohlraum 21 ausgebildet, der sich von dem in Fig. 1 oben liegenden Ende des Staukörpers

über den größeren Teil von dessen Länge erstreckt. Innerhalb des Staukörpers 20 ist der Hohlraum 21 so angelegt, daß er im wesentlichen koaxial zu der Bohrung 14 verläuft.

Der Hohlraum 21 ist vorzugsweise zylindrisch und hat den gleichen Innenduchmesser wie die Bohrung 14. Darüberhinaus steht der Hohlraum 21 mit dem Strömungskanal 12 des Meßrohres 11 über wenigstens ein Paar Durchlässe 22,23 in Verbindung.

Im in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchlaß 22 quer zur Strömungsrichtung durch den Staukörper 20 geführt, so daß ein mit dessen lumenseitigen Austrittsöffnung definierter erster Meßpunkt Mi stromabwärts der Abreißkante 74 gebildet ist. Dementsprechend wirkt dann auf diesen ersten Meßpunkt Mi ein erster Druck P1, der zumindest anteilig von einem dort herrschenden statischen Druck abhängig ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung verläuft der Durchlaß 23, wie in der Fig. 4a oder Fig. 5a schematisch dargestellt, so im Staukörper 20, daß ein mit dessen lumenseitiger Austrittsöffnung definierter zweiter Meßpunkt M2 innerhalb der Anströmfläche 73 ausgebildet ist. Dadurch wirkt auf diesen zweiten Meßpunkt M2 ein zweiter Druck P2, der sowohl von einem dort herrschendem statischen Druck als auch von einem dort in Strömungsrichtung wirkenden dynamischen abhängig ist und somit praktisch einem Gesamt-oder totalem Druck am Meßpunkt M2 entspricht. In beiden Ausgestaltungen ist also einer der beiden Meßpunkte, hier der Meßpunkt M2, bezüglich der Strömungsrichtung neben den beiden Abreißkanten 74,75 oder zumindest auf deren Niveau angeordnet.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung verläuft der Durchlaß 23, wie in der Fig. 6a schematisch dargestellt, so im Staukörper 20, daß der mit dessen lumenseitigen Austrittsöffnung definierte zweite Meßpunkt M2 ebenfalls

stromabwärts der Abreißkante 74, und zwar in Strömungsrichtung gesehen vom ersten Meßpunkt entfernt ausgebildet ist.

Es sei noch erwähnt, daß die Durchlässe 22,23 vorzugsweise etwa auf gleicher Höhe liegen, z. B. auf der halben Höhe des Staukörpers 20 ; falls erforderlich, können die wenigstens zwei Durchlässe 22,23 aber auch in der Höhe, hier also entlang des Staukörpers 20, gegeneinander versetzt angeordnet sein.

Außerdem können neben den beiden Durchlässen 22,23 z. B. auch weitere Durchlässe im Staukörper 20 eingelassen sein, beispielsweise am oberen Ende des Staukörpers 20 unmittelbar an der Wand des Meßrohres 11 oder am unteren Ende des Hohlraums 21.

Im in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt die Sensoranordnung ein druckempfindliches bzw. auf Druckschwankungen reagierendes Sensorelement 30, daß durch die Bohrung 14 in den Hohlraum 21 ragt, wo er sich fast bis zu der Trennwand 29 erstreckt. Das Sensorelement 30 wird von einem Flansch 31 getragen, der mittels Schrauben 32 auf der Abflachung 13 befestigt ist.

In Fig. 3a, 3b sind näheren Einzelheiten des Sensorelements 30 jeweils in Schnittansicht dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus zwei Bauteilen. Das erste Bauteil ist eine rohrförmige Sensorhülse 33, die am einen Ende mit dem Flansch 31 verbunden ist und an dem entgegengesetzten Ende durch eine Stirnwand 34 dicht verschlossen ist. Der Flansch 31 hat eine Mittelöffnung 35, die koaxial zu der Sensorhülse 33 liegt und deren Durchmesser gleich dem Innendurchmesser der Sensorhülse 33 ist. Ferner hat der Flansch 31 mehrere um den Umfang verteilte Bohrungen 36 für die Durchführung der Schrauben 32, mit denen er auf der Abflachung 13 (Fig. 2) befestigt wird. Die Sensorhülse 33 kann zusammen mit der Stirnwand 34 in einem Stück mit dem Flansch 31 aus dem gleichen Material geformt sein, beispielsweise aus Stahl.

Das zweite Bauteil des Sensorelements 30 ist ein Elektrodenhalter 40, der durch die Mittelöffnung 35 des Flansches 31 in das Innere der Sensorhülse 33 ragt. Der Elektrodenhalter 40 besteht aus einem Rohr 41, das mit einem zweiten Flansch 42 verbunden ist und vorzugsweise in einem Stück mit dem Flansch 42 hergestellt ist, beispielsweise gleichfalls aus Stahl. Der Flansch 42 ist mittels Schrauben 43 auf der Oberseite des Flansches 31 befestigt, so daß der Elektrodenhalter 34 durch die Mittelöffnung 35 in das Innere der Sensorhülse 33 ragt, wo er sich bis nahe zu der Stirnwand 34 erstreckt.

Das Rohr 41 des Elektrodenhalters 34 hat drei Abschnitte unterschiedlichen Durchmessers. Ein erster Abschnitt 41 a, der in der Mittelöffnung 35 des Flansches 31 sitzt, hat einen Außendurchmesser, der gleich dem Durchmesser der Mittelöffnung 35 ist, wodurch ein fester Sitz und eine genaue Positionierung des Elektrodenhalters gewährleistet ist. Der Außendurchmesser eines zweiten Abschnitts 41 b, der den größten Teil der Länge des Elektrodenhalters ausmacht, ist etwas kleiner als der Innendurchmesser der Sensorhülse 33, so daß rings um den Umfang ein schmaler ringförmiger Spalt zwischen dem Abschnitt 41 b und der Sensorhülse 33 besteht. Der Endabschnitt 41 c des Rohres 41 schließt sich über eine nach innen einspringende Schulter 44 an den mittleren Abschnitt 41 b an und hat einen wesentlich kleineren Durchmesser.

Dieser Endabschnitt 41 c trägt eine Isolierhülse 45, deren Außendurchmesser etwas kleiner als der Außendurchmesser des mittleren Abschnitts 41 b ist. Die Isolierhülse 45 kann beispielsweise aus Keramik bestehen. Auf der Isolierhülse 45 sind zwei Kondensatorelektroden 46 und 47 angebracht, die den größten Teil der Umfangsfläche und der unteren Stirnfläche der Isolierhülse 45 bedecken, aber an zwei einander diametral gegenüberliegenden Steilen durch Spalte 48,49 mechanisch und elektrisch voneinander getrennt sind, wie die untere Stirnansicht von Fig. 3b zeigt. Die Kondensatorelektroden 46,47 können durch eine auf die Isolierhülse 45 aufgebrachte Metallisierung oder aus aufgeklebten Metallfolien gebildet sein. Die Dicken der Isolierhülse 45 und der Kondensatorelektroden 46,47 sind so bemessen, daß zwischen den

Kondensatorelektroden 46,47 und der Innenfläche der Sensorhülse 33 rings um den Umfang ein ringförmiger Spalt 50 von geringer Spaltbreite besteht.

Jede Kondensatorelektrode 46, 47 bildet mit dem gegenüberliegenden, als Gegenelektrode wirkenden Abschnitt der Sensorhülse 33 einen Kondensator, dessen Dielektrikum Luft ist. Die Kapazität jedes dieser Kondensatoren ist zu der Flächenausdehnung der Kondensatorelektrode proportional und zu der Spaltbreite zwischen der Kondensatorelektrode und der Sensorhülse umgekehrt proportional.

An den die untere Stirnfläche der Isolierhülse 45 bedeckenden Abschnitten der Kondensatorelektroden 46 und 47 sind die Innenleiter von zwei abgeschirmten Kabeln 51,52 angelötet, die durch das hohle Innere des Elektrodenhalters 40 und durch die rohrförmige Gehäusestütze 15 geführt sind und die Kondensatorelektroden 46,47 mit der im Schaltungsgehäuse 16 untergebrachten elektronischen Auswerteschaltung des Wirbelströmungsmessers verbinden.

Wie Fig. 2 zeigt, ist der Außendurchmesser der Sensorhülse 33 des Sensorelements 30 etwas kleiner als der Innendurchmesser des Hohlraums 21 im Staukörper 20, so daß die Sensorhülse 33 allseitig im Abstand von der Wand des Hohlraums 21 liegt. Es besteht somit in dem Hohlraum 21 rings um die Sensorhülse 33 ein freier Raum, der über die Durchlässe 22 und 27 mit dem Strömungsmedium gefüllt ist, das durch den Strömungskanal 12 des Meßrohres 11 fließt. Das Sensorelement 30 ist so in dem Staukörper 20 eingebaut, daß die Kondensatorelektroden 46,47 symmetrisch in Bezug auf die axiale Mittelebene liegen, die die Achsen des Meßrohres 11 und des Staukörpers 20 enthält und in Fig. 3b durch die Linie X-X angedeutet ist.

Der beschriebene Aufbau des Wirbelströmungsmessers 10 ergibt die folgende Funktionsweise :

Jeder der beiden Bestandteile des Sensorelements 30, nämlich die Sensorhülse 33 und der Elektrodenhalter 40, stellt einen langgestreckten Schwingkörper dar, der am einen Ende gehalten ist und dessen freies Ende durch die Einwirkung äußerer Kräfte aus der in Fig. 2 oder 3a dargestellten Ruhestellung quer zu seiner Längsrichtung ausgelenkt werden kann.

Wenn durch das Meßrohr 11 ein Strömungsmedium fließt und sich die beiden Karman'schen Wirbelstraßen am Staukörper 20 bilden, entstehen seitlich des Staukörpers periodische, zueinander außerphasige Druckschwankungen, die durch die Durchlässe 22 und 23 in den Hohlraum 21 übertragen werden und auf die Sensorhülse 33 einwirken. Unter dem Einfluß der von diesen Wirbel- Druckschwankungen ausgeübten Kräfte wird die Sensorhülse 33 quer zu ihrer Längsrichtung und quer zur Strömungsrichtung abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen ausgelenkt. Da die Sensorhülse 33 am oberen Ende fest eingespannt ist, besteht die Auslenkung in einer Abbiegung, so daß die Sensorhülse unter der Einwirkung der Wirbel-Druckschwankungen Biegeschwingungen ausführt, deren Frequenz gleich der Frequenz der Druckschwankungen ist. Die Biegeschwingungs-Eigenresonanzfrequenz der Sensorhülse 33 ist sehr viel höher als die höchste vorkommende Frequenz der Wirbel-Druckschwankungen, so daß die Biegeschwingungen der Sensorhülse 33 unterkritisch angeregt werden und nach Frequenz und Phase genau den Wirbel-Druckschwankungen folgen. Die Amplituden der Biegeschwingungen sind sehr klein, und die Bestandteile des Sensorelements 30 sind so ausgebildet und bemessen, daß die Sensorhülse 33 bei den größten vorkommenden Schwingungsamplituden weder an der Wand des Hohlraums 21 noch am Elektrodenhalter 40 anschlägt.

Die oberen Durchlässe 24,25 und die unteren Durchlässe 26,27 im Staukörper 20 erlauben eine freie Zirkulation des Strömungsmediums zwischen dem Hohlraum 21 und dem Strömungskanal 12, so daß das Strömungsmedium ungehindert den Biegeschwingungen der Sensorhülse 33 ausweichen und

folgen kann. Die Trennwand 29 zwischen den unteren Durchlässen 26 und 27 verhindert einen direkten Druckausgleich um das untere Ende der Sensorhülse herum.

Der im Innern der dicht verschlossenen Sensorhülse 33 angeordnete Elektrodenhalter 40 steht mit dem Strömungsmedium nicht in Kontakt und ist daher von dessen Druckschwankungen vollständig entkoppelt. Der Elektrodenhalter 40 wird daher durch die Wirbel-Druckschwankungen nicht in Biegeschwingungen versetzt, sondern bleibt in Ruhe. Demzufolge bewegt sich das freie Ende der Sensorhülse 33 unter dem Einfluß der Wirbel- Druckschwankungen relativ zu dem feststehenden freien Ende des Elektrodenhalters, wie in Fig. 3a durch den Doppelpfeil F angedeutet ist. Bei dieser Relativbewegung verändert sich die Breite des Luftspalts 50 zwischen den Elektroden 46,47 und der gegenüberliegenden Wand der Sensorhülse 33 gegensinnig : Wenn der Abstand zwischen der Sensorhülse 33 und der Elektrode 46 abnimmt, wird gleichzeitig der Abstand zwischen der Sensorhülse 33 und der Elektrode 47 größer, und umgekehrt. Demzufolge ändern sich auch die Kapazitätswerte der von den beiden Elektroden 46,47 und der Sensorhülse 33 gebildeten Kondensatoren gegensinnig mit der Frequenz der Wirbel- Druckschwankungen.

Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, daß die Sensoranordnung anstelle des hier gezeigten Sensorelements 30, z. B. auch mit den beiden Meßpunkten kommunizierende Druckmeßzellen umfassen kann. Insbesondere bei Verwendung solcher Druckmeßzellen können die Meßpunkte aber z. B. auch an der Rohrwand angeordnet sein, d. h. die Druckmeßzellen können voneinander beabstandet von außen an das Meßrohr angesetzt werden. Darüberhinaus kann zur Ermittlung wenigstens eines der zu erfassenden Drücke und/oder der Wirbelfrequenz z. B. auch ein paddelförmiger Schwingkörper verwendet werden, die in der dem Fachmann bekannten Weise innerhalb der Wirbelstraße, also stromabwärts des Staukörpers 20, angeordnet sind.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist, wie in Fig. 7a, 7b gezeigt, stromabwärts des Staukörpers 20 ein in das Fluid eintauchendes zweites Sensorelement 40 zur Erfassung des zweiten Druckes p2 sowie eines dritten Drucks p3 vorgesehen. Das Sensorelement 40 ist, wie bei derartigen Durchflußmessern durchaus üblich, als ein paddelförmiger Schwingkörper ausgebildet, der von den Karman'schen Wirbeln zu Schwingungen mit der Wiederholfrequenz der Wirbel angeregt wird.

Bei der Verwendung eines stromab des Staukörpers 20 angeordneten paddelförmigen Schwingkörpers, bei dem der zweite Meßpunkt M2 praktisch auf der einen Seite des Schwingkörpers liegt, wird also zusätzlich zu den beiden Meßpunkten Mi, M2 ein dritter Meßpunkt geschaffen, an dem der dritte Druck p3 erfaßt werden kann, nämlich auf der dem Meßpunkt M2 abgewandten Seite des Schwingkörpers. Zumindest kann mit einem solchen, beidseits vom Fluid umströmten paddelförmigen Schwinkörper eine Druckdifferenz zwischen den beiden Drücken P2, p3 direkt erfaßt werden. Es sei an dieser Stelle vermerkt, daß es sich bei der Verwendung eines solchen, vom Fluid umströmten Schwingkörpers als Sensorelement 30 beim jeweils erfaßten Druck P2 bzw. p3 tatsächlich um einen über die jeweilige Seite des Schwingkörpers gemittelten mittleren Druck P2, p3 handelt und insoweit auch bei der so erfaßten Druckdifferenz um eine mittlere Druckdifferenz.

Gemäß einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung ist, wie in den Fig. 8a, 8b schematisch dargestellt, das Sensorelment 40 so im Meßrohr 11 angeordnet, daß, wie beispielsweise auch in der WO-A 95/16186 beschrieben, wenigstens eine Seitenfläche so bezüglich der Längsachse des Meßrohrs 11 ausgerichtet ist, daß eine Flächennormale dieser Seitenfläche mit der Längsachse einen Winkel einschließt der größer ist als 0° und kleiner als 90°, beispielsweise etwa zwischen 20° und 60°. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei den beiden erfaßten Drücken P2, p3 somit um

solche Drücke, die sowohl einen dynamischen als auch einen statischen Druckanteil aufweisen.

Die im Elektronikgehäuse 16 untergebrachte elektronische Meßwandlerschaltung des Wirbelströmungsmessers kann aufgrund der durch die Wirbel hervorgerufenen Kapazitätsänderungen der Meßkapazitäten CM1, CM2 elektrische, insb. sich periodisch ändernde, Meßsignale erzeugen, die zum einen für die Frequenz der Wirbel-Druckschwankungen und somit auch für die Strömungsgeschwindigkeit im Meßrohr 11 und/oder zum anderen für den dynamischen Druck bzw. dessen zeitliche Änderung kennzeichnend sind, vgl. hierzu die Fig. 4b, 4c, 5b, 5c oder 6b, 6c.

Die elektronische Meßwandlerschaltung ist in den Fig. 9 oder 10 gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils so ausgebildet, daß sie ein Meßsignal UD erzeugt, das von der Differenz der beiden Meßkapazitäten CM1, CM2 des Wirbelsensors abhängt und somit als ein die Differenz pop2 zwischen den an den Meßpunkten 22,23 erfaßten Drücken P1, P2 repräsentierendes Differenzdrucksignal dienen kann, vgl. hierzu die Fig. 4d, 5d oder 6d. Zum Zwecke einer Weiterverarbeitung wird das so erzeugte, von der Druckdifferenz pop2 abhängige Meßsignal UD anschließend über eine Tiefpaß-Schaltung TP geführt.

Da sich die beiden Kapazitäten gegensinnig ändern, entspricht das Meßsignal dem doppelten Wert der Kapazitätsänderung, während die gleich großen Grundkapazitäten aus dem Meßsignal herausfallen. Dies ermöglicht einerseits eine sehr genaue und empfindliche Detektion der Kapazitätsänderungen und andererseits die Eliminierung des Einflusses weiterer Störgrößen, die die Funktion des Wirbelströmungsmessers beeinträchtigen können. Dies gilt insbesondere für die Temperatur des Fluids.

Der Wirbelströmungsmesser kann unter sehr verschiedenen Temperaturverhältnissen zum Einsatz kommen, und auch innerhalb des gleichen Einsatzgebietes kann sich die Temperatur des Fluids in weiten Bereichen ändern. Temperaturänderungen wirken sich infolge der Wärmeausdehnungskoeffizienten der für die verschiedenen Bestandteile verwendeten Materialien auf die Abmessungen der Bestandteile des Wirbelsensors aus. Wenn die Bestandteile gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, ändern sich ihre Abmessungen im gleichen Verhältnis, so daß sich für die beiden Kapazitäten keine Änderungen ergeben. Bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bestandteile haben unterschiedliche Längenänderungen der Sensorhülse des Elektrodenhalters keinen Einfluß auf die beiden Kapazitäten. Unterschiedliche Durchmesseränderungen dieser Teile können zwar zu Änderungen der Grundkapazitäten führen, doch ist dies für die Signalauswertung ohne Bedeutung, weil die Grundkapazitäten bei der Bildung des Differenzsignals herausfallen ; die allein erfaßte Kapazitätsdifferenz bleibt von temperaturbedingten Änderungen unbeeinflußt.

In diesem Zusammenhang ist auch hervorzuheben, daß das beschriebene Ausführungsbeispiel des Wirbelsensors wegen der zylindrischen Form der Sensorhülse eine besonders gute Druckfestigkeit aufweist und sich daher für Anwendungen eignet, bei denen hohe Betriebsdrücke oder große Betriebsdruckschwankungen auftreten.

Die Fig. 9 und 10 zeigen jeweils eine Kapazitätsmeßschaltung, die sich besonders gut als Eingangsstufe der elektronischen Auswerteschaltung des beschriebenen Wirbelströmungsmesser eignet. Diese Kapazitätsmeßschaltung ist nach dem bekannten Prinzip der"geschalteten Kondensatoren" (switched capacitors) ausgebildet und kann z. B. in der in der US-A 47 16 770 beschriebenen Weise betrieben werden. Sie ermöglicht eine sehr empfindliche und genaue Messung von Kapazitätsänderungen, auch wenn diese sehr klein

sind. Zusätzlich ist die Kapazitätsmeßschaltung von Fig. 9 oder 10 so ausgebildet, daß sie auf sehr einfache Weise eine aktive Schirmung ermöglicht.

Wie bereits erwähnt, werden die von der Sensoranordnung 8 erzeugten elektrischen Signale von der Auswerte-Elektronik verarbeitet und in üblicher Weise angezeigt und/oder weitergeleitet. Dies kann in vorteilhafter Weise z. B. durch Digitalisierung der von der Meßwandlerschaltung gelieferten elektrischen Signale und eine Weiterverarbeitung mittels eines im Elektronikgehäuse 16 untergebrachten Mikrocomputers pP erfolgen. Dazu ist das tiefpaß-gefilterte Meßsignal UD an einen Eingang eines ersten Analog-zu-digital-Wandlers AD1 gelegt, wobei die bereits erwähnte Tiefpaß-Schaltung TP hierbei auch als Anti- Alaising-Filter dienen kann.

Die Ermittlung des Massendurchflusses des strömenden Fluids erfolgt nunmehr dadurch, daß ein im Fluid wirkender dynamischer Druck ermittelt und auf einen Volumenstrom oder eine Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Fluids normiert wird.

Erfindungsgemäß wird zur Ermittlung des Massendurchflusses unter Verwendung des Meßsignals Up ein Druckmeßwert Xp gebildet, der einen im zeitlichen Mittel in Strömungsrichtung wirkenden mittleren dynamischen Druck repräsentiert, vgl. hierzu auch Fig. 11 a. Darüberhinaus wird, basierend auf der bereits erwähnten Strouhal-Funktion, anhand der gemessenen Wiederholfrequenz und einem entsprechenden Kalibrierfaktor Kv in der dem Fachmann bekannter Weise ein Strömungsmeßwert Xv ermittelt. In vorteilhafter Weise kann die Wiederholfrequenz ebenfalls direkt vom Meßsignal UD abgeleitet werden. Der faktisch anhand des erfaßten ersten Drucks pi und des erfaßten zweiten Drucks p2 ermittelte Druckmeßwert Xp wird nunmehr auf den Strömungsmeßwert Xv normiert, also durch diesen dividiert. Es gilt also : Xm = Km'Xv/Xp (1),

wobei Km ein durch entsprechende Kalibriermessungen zu ermittelnder Kalibrierfaktor für die Berechnung des Massendurchflusses ist.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur Erzeugung des Druckmeßwert Xp eine Grenzfrequenz der Tiefpaß-Schaltung TP so eingestellt ist, daß die niedrigste zu erwartende Wirbelfrequenz und auch ggf. zu erwartende Störsignalfrequenzen aus dem zugeführten Meßsignal herausgefiltert werden können und somit ausgangs der Tiefpaß-Schaltung TP ein dem Verlauf des zeitlichen Mittelwert des Meßsignals im wesentlichen folgendes Drucksignal abgreifbar ist.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß als Druckmeßwert Xp beispielsweise ein vom digitalisierten Meßsignal abgeleiteter Meßwert oder auch eine, insb. abgetaste, Signalamplitude des analogen Drucksignals dienen kann. In entsprechender Weise kann der Strömungsmeßwert Xv z. B. auch ein von einem zuvor gebildeten, sich mit der Wiederholfrequenz ändernden Frequenzmeßsignal abgeleiteter Meßwert sein.

Zum Erzeugen eines entsprechenden Frequenzmeßsignals ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ferner vorgesehen, die beiden Meßkapazitäten CM1, CM2 repräsentierende Meßspannungen Uci, Uc2 zu erzeugen und diese zumeist zueinander phasenverschobenen Meßspannungen Uc1, Uc2, wie auch in Fig. 10 gezeigt, mittels entsprechende Bandpässe BP1 bzw. BP2 zu filtern. Die Bandpässe BP1, BP2 können beispielsweise, wie auch die Tiefpaß-Schaltung TP, ebenfalls nach dem Prinzip der geschalteten Kondensatoren (switched capacitors) ausgebildet sein.

Die gefilterten Meßspannungen sind schließlich einem Komparator COMP eingangs so angelegt, daß dieser ausgangs eine binäre Rechteckspannung mit einer der Wiederholfrequenz entsprechenden Signalfrequenz liefert. Die

Rechteckspannung ist wiederum dem Mikrocomputers pP zugeführt und kann dort zur Ermittlung der Wiederholfrequenz weiterverarbeitet werden.

Insbesondere bei Verwendung des oben erwähnten Mikrocomputers pP können der Druckmeßwert oder auch Strömungsmeßwert in vorteilhafter Weise auch anhand einer Spektralanalyse des Druckdifferenzsignals, z. B. einer diskreten Fouriertransformation, ermittelt werden, wobei im Frequenzspektrum der Druckmeßwert dann einer Amplitude bei einer Frequenz Null entspricht.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen unter Verwendung des Meßsignals UD, insb. unter Verwendung des vom Meßsignal Do abgeleiteten Druckmeßwerts Xp, auch einen eine Viskosität des im Meßrohr 11 strömenden Fluids repräsentierenden Viskositäts-Meßwert Xn zu erzeugen.

Darüberhinaus wird der Viskositäts-Meßwert Xll anhand eines Auslenkungs- Meßwerts X3o ermittelt, der eine momentane oder maximale Auslenkung einer Schwingungsbewegung des als Schwingkörper ausgebildeten Sensorelements 30 repräsentiert. In vorteilhafter Weise kann die Schwingungsbewegung und somit auch der Auslenkungs-Meßwert X3o ebenfalls direkt vom Meßsignal Do abgeleitet werden, vgl. hierzu auch die Fig. 11 b. Zur Erzeugung des Viskositäts- Meßwerts wird der Druckmeßwert Xp bei dieser Ausgestaltung der Erfindung auf den Auslenkungs-Meßwerts X3o normiert, also durch diesen dividiert. Es gilt also : X,, = Kn X30/Xp (2), wobei Kr, ein durch entsprechende Kalibriermessungen zu ermittelnder Kalibrierfaktor für die Berechnung der Viskosität ist.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Erzeugung des Viskositäts- Meßwert xi das Meßsignals Uo einer dritten Tiefpaß-Schaltung BP3 zugeführt,

von der eine Mittenfrequenz so eingestellt ist, daß im Betrieb ein Signalanteil mit einer der Wiederholfrequenz entsprechenden Signalfrequenz passieren gelassen wird. Zur digitalen Weiterverarbeitung des so erzeugten Wechselsignals wird dieses mittels eines zweiten Analog-zu-digital-Wandlers AD2 digitalisiert und anschließend wiederum dem Mikrocomputer uP zugeführt.