【Schlüsselwörter】 Gleichrichter mit variablem Durchmesser 【Zusammenfassung】 Traditionelle Fluidgleichrichter haben sich durch langjährige Forschung und praktische Anwendung bewährt. Sie nutzen in der Regel Leitbleche zur Trennung der Strömungskanäle, um die Geschwindigkeitsverteilung im Rohr anzupassen und so die Gleichrichtung zu erreichen. Dieser Gleichrichtertyp wird hauptsächlich in Laboren und Durchflusskalibrierungssystemen eingesetzt. Aufgrund der Anfälligkeit für Verstopfungen durch Verunreinigungen und des erhöhten Widerstandsverlusts findet diese Methode jedoch in industriellen Rohrleitungen selten Anwendung. I. Überblick Traditionelle Fluidgleichrichter haben sich durch langjährige Forschung und praktische Anwendung bewährt. Sie nutzen in der Regel Leitbleche zur Trennung der Strömungskanäle, um die Geschwindigkeitsverteilung im Rohr anzupassen und so die Gleichrichtung zu erreichen. Dieser Gleichrichtertyp wird hauptsächlich in Laboren und Durchflusskalibrierungssystemen eingesetzt. Aufgrund der Anfälligkeit für Verstopfungen durch Verunreinigungen und des erhöhten Widerstandsverlusts findet diese Methode jedoch in industriellen Rohrleitungen selten Anwendung. Wirbeldurchflussmesser haben aufgrund ihrer einzigartigen Leistungsfähigkeit stets Beachtung gefunden und sind weit verbreitet. Zwei Probleme bereiten jedoch weiterhin Schwierigkeiten: Zum einen stören Leitbleche im Zulaufrohr das Strömungsfeld und beeinträchtigen die normale Wirbelablösung. Um diese Störungen zu kompensieren, muss vor dem Messgerät ein relativ langes, gerades Rohr (üblicherweise 15- bis 40-facher Innendurchmesser des Prozessrohrs) installiert werden, was in der Praxis schwer zu realisieren ist. Zum anderen ist eines der Hauptmerkmale von Wirbeldurchflussmessern ihr großer Messbereich von üblicherweise etwa 10:1. Ein so großer Messbereich gilt als hervorragende Leistung. In industriellen Anwendungen liegt der maximale Durchfluss jedoch oft weit unterhalb der oberen Messgrenze des Messgeräts und der minimale Durchfluss häufig unterhalb der unteren. Einige Messgeräte arbeiten häufig nahe der unteren Messgrenze, was zu einer geringeren Messgenauigkeit, einem schwächeren Signal und einer reduzierten Störfestigkeit führt. Zur Messung kleiner Durchflussmengen werden oft Reduzierrohre mit einem kegelstumpfförmigen Innenhohlraum eingesetzt. Durch die Verringerung des Durchmessers wird die Strömungsgeschwindigkeit am Messpunkt erhöht. Dies ermöglicht es dem Wirbeldurchflussmesser, im normalen Strömungsgeschwindigkeitsbereich zu arbeiten. Diese Methode mit Reduzierrohren führt jedoch zu großen Abmessungen (in der Regel das 3- bis 5-fache des Innendurchmessers des Prozessrohrs). Da das Fluid durch das Reduzierrohr strömt, entstehen am Reduzierpunkt zahlreiche rotierende Strömungscluster, die den lokalen Widerstandsverlust erhöhen und das Strömungsfeld verzerren. Daher muss zwischen Reduzierstück und Instrument zur Strömungsrichtungskorrektur ein gerades Rohr mit einer Länge von mehr als dem 15-fachen des Innendurchmessers des Prozessrohrs installiert werden, was den Reibungsverlust erhöht (siehe Abbildung 1). Diese Methode erhöht die Baukosten und erschwert die Bearbeitung und Installation. [align=center] (Abbildung 1) [/align] Das Reduzierstück mit einer speziellen Form an der Längsendfläche (nationale Patentanmeldung anhängig) erfüllt mehrere Funktionen: Strömungsrichtungskorrektur, Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und Änderung der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung. Es ist kompakt und nur ein Drittel so lang wie der Innendurchmesser des Prozessrohrs. Es kann direkt an beiden Enden des Instruments befestigt werden, wodurch nicht nur zusätzliche gerade Rohre entfallen, sondern auch die Anforderungen des Instruments an die vorgelagerten geraden Rohre reduziert werden. Experimente zeigen, dass der stromaufwärts gerichtete Widerstand des Instruments aus zwei 90°-Bögen in einer Ebene besteht. Normalerweise sollte vor dem Wirbeldurchflussmesser ein gerades Rohr mit einer Länge von mehr als dem 20-fachen Innendurchmesser installiert werden. Der Wirbeldurchflussmesser mit Reduzierstück reduziert jedoch die Anforderungen an die Länge des stromaufwärts gerichteten geraden Rohrs erheblich, und sein Widerstand ist wesentlich geringer als der eines herkömmlichen Reduzierstücks. Noch wichtiger ist, dass er die untere Grenzgeschwindigkeit auf ein Drittel ihres ursprünglichen Wertes reduzieren und das Messbereichsverhältnis auf über 15:1 erhöhen kann. II. Prinzip und Analyse Zunächst ist anzumerken, dass herkömmliche Reduzierstücke zwar durch Verringerung ihres Durchmessers und den Einsatz von Durchflussmessern mit kleinerem Durchmesser die Messung kleiner Durchflussmengen ermöglichen, das Messbereichsverhältnis des Instruments jedoch nicht erhöhen, da die Geschwindigkeitsverteilung im Rohr unverändert bleibt. Die Theorie und Herleitung von Wirbeldurchflussmessern basieren bekanntlich auf einem unendlich großen, gleichförmigen Strömungsfeld. In geschlossenen, kreisförmigen Rohren ist das Strömungsfeld jedoch inhomogen, und die Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt bildet einen parabolischen Wirbel. Obwohl eine geeignete Rohrform gewählt wird, um eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung an den bogenförmigen Oberflächen beider Rohrseiten zu erreichen, ist der Einfluss der parabolischen Geschwindigkeitsverteilung auf die Prozessleitung objektiv erkennbar. Experimente zeigen, dass dieser Einfluss bei relativ hohen Durchflussraten gering oder im akzeptablen Bereich liegt; mit sinkender Durchflussrate nimmt er jedoch zu. Aus umfangreichen Kalibrierdaten geht hervor, dass die Instrumentenkonstante mit abnehmender Durchflussrate stets ansteigt. Dies deutet darauf hin, dass die Differenz zwischen der Geschwindigkeit am Messpunkt und der mittleren Geschwindigkeit immer größer wird. Nach dem Einsatz eines Gleichrichters mit variablem Durchmesser (siehe Abbildung 2) steigt die Geschwindigkeit im verengten Abschnitt allmählich an, wobei der Anstieg an verschiedenen Punkten des Abschnitts unterschiedlich ausfällt. Der Geschwindigkeitsanstieg ist in der Mitte gering und am Rand der Verengung am größten. Sei der Druck am Gleichrichtereinlass P1, die mittlere Geschwindigkeit V1 und die Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit an einem bestimmten Punkt U1. Am Auslass seien der Druck P2, die mittlere Geschwindigkeit V2 und die Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit U2 entlang derselben Stromlinie am Einlass. Gemäß der Bernoulli-Gleichung (Gleichung 6) beeinflusst das Kontraktionsverhältnis die Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit am Auslass. Das heißt, bei einer bestimmten Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit am Einlass wird die Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit am Auslass um den Faktor n² reduziert. Dadurch nähert sich die Geschwindigkeit am Auslass einer Gleichmäßigkeit an, was der Bedingung eines gleichförmigen Strömungsfeldes gemäß der Wirbelstrommessertheorie entspricht. Dies führt nicht nur zu einer stabileren Wirbelbildung, sondern verbessert auch den Messbereich des Instruments. Darüber hinaus unterdrückt dieser Gleichrichter mit variablem Durchmesser effektiv Störungen bei der Umwandlung der kinetischen Energie des Fluids. III. Experimentelles Verifizierungsbeispiel 1: Ein Wirbelstrommesser mit 40 mm Durchmesser ist an einer Prozessleitung mit φ40 mm Durchmesser installiert. Für die Kalibrierung ist ein Bereichsverhältnis von 8:1 erforderlich, um eine Genauigkeit von 1 % zu erreichen. Bei Installation an einer Prozessleitung mit φ50 mm Durchmesser und Reduzierstücken auf beiden Seiten des Messgeräts beträgt die Genauigkeit 1,0 % innerhalb eines Bereichs von 15:1. Beispiel 2: Zwei Wirbelstrommesser, einer mit 50 mm und der andere mit 40 mm Durchmesser, sind mit Reduzierstücken versehen und zur Wasserkalibrierung an Prozessleitungen mit 80 mm Durchmesser installiert. Die experimentellen Daten sind in Tabelle 1 dargestellt.