CZ200973A3 - Cidlo pro merení teploty kapaliny ultrazvukem - Google Patents

Abstract

Cidlo podle vynálezu je urcené pro merení teploty kapaliny ultrazvukem. Kapalinu obemyká plášt (1) z pružneplastického materiálu, k jehož vnejšímu povrchu priléhají piezoelektrické menice, z nichž jeden je vysílac (P1) mechanických kmitu a druhý je prijímac (P2) mechanických kmitu. Vysílac (P1) a prijímac (P2) jsou ve stabilní poloze jak vuci plášti (1), tak vzájemne protilehle vuci sobe.

Description

V mnoha oborech, kde je nebezpečí kontaminace kapaliny, je kapalina striktně oddělena od vnějšího prostředí. Je tomu tak v medicíně, farmacii a potravinářství. Pro přepravu kapalin se používají jednak uzavřené plastové nádoby či vaky nebo soupravy plastových trubic, a to vše najedno použití, Pro různé účely je často potřeba zjistit teplotu přepravované kapaliny. Pro nebezpečí kontaminace je přímé měření vpichem měřicí sondy vyloučeno. Přiložením kontaktního čidla na vnější povrch dochází ke zkreslení naměřené hodnoty v důsledku nedefinovatelného tepelného odporu použitého materiálu, jakož z druhé strany i teploty okolí. Ze stejného důvodu není vhodné snímání teploty pomocí měření infračerveného vyzařování.

Je známé řešení v patentu US 7404671 popisující měření teploty uvnitř uzavřených nádob pomocí akustických vln. Řešení spočívá v metodě měření změn rychlosti šíření akustických vln v závislosti na teplotě povrchů uzavřených nádob, ktere jsou v kontaktu s médií, jejichž teplota se zjišťuje nebo v závislosti na teplotě médií uzavřených uvnitř nádob. Akustické vlny jsou generovaný a také přijímány blíže nespecifikovanými měniči, které přeměňují elektrické kmity na akustické vlny blíže nespecifikovaného kmitočtu, amplitudy a energie. Podle znění patentu jsou akustické měniče umístěny na vnějším povrchu nádob, ve stěně nádob nebo na jejich vnitřním povrchu. Patent řeší několik variant měření. Pomocí jednoho měniče, který- působí střídavě jako vysílač a přijímač. Pomocí dvou měničů, kde jeden působí jako vysílač a druhý jako přijímač. Dále pomocí více měničů kruhově uspořádaných, kde vzájemný poměr vysílačů a přijímačů lze zvolit libovolně. Všechny signály jdoucí do měničů a signály přijaté měniči jsou dále zpracovávány v počítačovém systému podle postupů popsaných ve vynálezu, jejichž výsledkem je pak informace o změnách teploty měřeného média. Nevýhodnost tohoto řešení spočívá v tom, že vynález neřeší prostorové rozmístění měničů s ohledem na skutečnost, že proudící médium ovlivňuje průchod akustických vln odlišně než médium v klidu,a to výrazně v případě, když osa proudění média není kolmá na osu vyzařovaných akustických vln. Rozmístěním měničů vzhledem k povrchu nádoby, ve které se zjištuje teplota média, neřeší patent vůbec, přitom tento aspekt výrazně ovlivňuje realizovatelnost měření.

V případě uspořádání měření teploty pomocí dvou měničů přiložených z vnějšku k nádobě je řešeno měření teploty vnitřního povrchu nádoby použitím akustických kmitů o různých v patentu nedefinovaných frekvencí. Zároveň však při tomto uspořádání zmiňuje patent také řešení, kdy je teplota média, v tomto případě vody, uvnitř nádoby měřena přímo. Akustické kmity procházejí pres stěnu nádoby a dále měřeným médiem uvnitř nádoby a je zjišťováno časové zpoždění akustických kmitů. Zpoždění vzniká na základě tepelných změn, které mění akustické vlastnosti měřeného média. Další nevýhodou tohoto řešení je ten fakt, že vhledem k tomu, že od akustického měniče se akustické kmity šíří všesměrově, byt s různou intenzitou, takže k výše zmiňovaným jevům dochází zásadně současně,a to tím intenzivněji, čím je vyšší hustota materiálu a čím je větší energie akustických vln, šířících se materiálem nádoby i měřeným mediem. Šíření akustických vln výrazně ovlivňuje i frekvence kmitů. Proto v řadě kombinací materiálových vlastností stěn nádoby a měřeného média, může být měření podle vynálezu výrazně zkomplikováno či dokonce znemožněno.

Řešení popsané v patentu US 7266989 popisuje vícefunkční senzor založený na principu šíření zvukových vln. Senzor sestává ze dvou částí. Otevřena část je s tekutinou v přímém kontaktu a umožňuje měřit nejméně dvě fyzikální vlastnosti tekutiny. Druha část obsahuje dvě hermeticky uzavřené komety. Jedna hermeticky uzavřená komora obsahuje referenční kapalinu o známem složeni a tlaku. Otevřená i uzavřená komora jsou jinak identické. Kazda obsahuje par akustických měničů, jeden ve funkci vysílače a druhý ve funkci přijímače, pomocí kterých se mění změny rychlosti siřeni zvukových vln v kapalině v závislosti na jej i teplotě. Druhá hermeticky uzavřená komora obsahuje rovněž pár akustických měničů, jeden ve funkci vysílače a druhý ve funkci přijímače, tentokrát uspořádaných tak, aby bylo možno provádět měřeni tlaku okolní kapaliny. Vývody vysílacích měničů jsou připojeny k elektronickým obvodům, které zajišťují generování elektrických kmitů, které se v akustických měničích mění na akustické vlny. Tyto vlny jsou s určitým časovým zpožděním v závislosti na teplotě, respektive tlaku okolní kapaliny detekovaný přijímacími měniči a převedeny na elektrické signály. Dalším · zpracováním naměřených hodnot jsou zjištěny časové rozdíly mezi vysíláním a přijetím akustických vln. Pomoci počítače jsou následně tyto informace převedeny na hodnoty teploty a tlaku. Výhodou tohoto řešení je vysoká přesnost mereni teploty i tlaku. Nevýhodou je nutnost zanořeni měřicího senzoru do měřené kapaliny, se kterou musj být měřící senzor v přímém kontaktu.

Předmětem patentu US 4^30 je ultrazvukový teploměr využívající odrazu akustického pulsu k měřeni vysokých teplot a teplotních profilů. Základem je magnetostrikční měnič, který- převádí budící elektrické signály na akustické vlny v jádře cívky, které vysílá a následně v jádře odražené akustické Vlny zpět přeměňuje na elektrický signál. Cívka je navinuta kolem již zmmeneho koš ového jádra podlouhlého tvaru. Jádro na jedné straně několikanásobně přesahuje okraj cívky. Podlouhlá část jádraje na řadě míst opatřena cirkulárním žlábkem, který vytváří na jádře diskontinuity. Pulzy generované magnetostrikčním měničem se šíří postupně celým jádrem a v místě diskontinuit a na konci jádra dochází k odrazům akustickým vln. Odražené akustické Vlny se s určitým zpožděním vrací zpět do magnetostrikčního nosiče, kde zpětně vybudí elektricky signa!, _kte, _{je dále} ^{J ZaMSle a tep,Otě P}“^dlou^ části jádra, které je v kontaktu _{s měřeným} prostredinr Merene prostředí ohřívá jádro na stejnou teplotu, jako je teplota Prostředí. Tep_{loměr podl}e vynakzu „tuši být v kontaktu s měřeným _prostMra - je v radě případu nevhodné, ale u měření teplot hutnických procesů, pro ’ ktere je teploměr určen, to není na závadu.

Jiné řešení je popsané v patentu US 4^750 a popisuje měření ohřevu pot rchu vzorku. Měřena je odchylka externě generované akustické vlny nad vzor em, kte^ je předmětem měření. Akustická vlna je směřována na povrch vzorku souhlasně s modulovaným světlým paprskem. Absorpce světelného paprs u studovaného vzorku má za následek cykhcké ohříváni jeho povrchu a je o ,z e o okol,. Vzduch v kontaktu s povrchem vzorkuje postupné ohříván produkuje penodický fázový _pOsu„ v odražené akustické víně. Tento fázový posun je detekován a dává přímé měřeni periodického ohříváni povrchu yhodou vynalezu je možnost bezkontaktního měření povrchu vzorku v velkou prostorovou přesností. Zákíadni nevýhodou je, že je měřena pouze tepiota na povrchu vzorku, zatímco měřit teplotu uvnitř vzorku metoda neumožňuje.

Podstata vynálezu

.. Idlo podle vynálezu určené pro měření teploty kapaliny ultrazvukem spoctva v tom, že kapalinu především obemyká plášť z pružněpiastického

Takový materiál vede zvuk minimálně a proto nezkresiuje měření K ”7“ povrchu pláště pňHehají piezoelektrické ultrazvukové měniče. Jeden je vy st ac ultrazvukových mechanických kmitu a druhý je přijímač mechanických ’ ^ΡΠί™^{Ζ VyS,}'^{W 3} «J- 'e stabilní polozejak vůči plášti tak' ^ť” * ^ních pioch piezoelektrických memcu k povrchu pláště, jakož i jejich přesně definovaným vzájemným ustavením je vyloučeno zkreslení hodnot získaných měřením aniž by došlo ke '

kontaktu s kapalinou, jejíž teplota je měřena. K přesnosti měření přispívá i pružněplastický materiál pláště, který způsobuje, že se ultrazvukové kmitv šíří do blízkého okolí jen na velmi krátkou vzdálenost. Tím je zajištěno, že ultrazvukové kmity projdou sice kolmo skrz plášť do měřené kapaliny a z kapalíny pak opět skrz plást do protilehlého čidla, ale zároveň se nemůže šířit pláštěm od jednoho čidla k druhému a tím zkreslit měření.

Podmínkou pro vyloučení zkreslení naměřených hodnot je také to, že nesmí vysílač a přijímač svojí šíří přesahovat vnitřní rozměr pláště. Tím je zaručeno, že všechny ultrazvukové mechanické kmity přenášené z vysílače do přijímače mechanických kmitů procházejí přes kapalinu a jsou ovlivněny její teplotou.

Pro minimalizaci vlivu teploty vnějšího prostředí na měření je vhodné, když vysílač a přijímač jsou opatřeny na vnějším povrchu tepelnou či zvukovou izolací.

Měřenou teplotu lze dále zpřesnit, když i plášť je v místě měření opatřen na vnějším povrchu tepelnou izolací a vliv teploty vnějšího prostředí je tímto opatřením rovněž minimalizováni.

Jako záruka dokonalého přilnutí vysílače a přijímače k vnějšímu povrchu pláště je vhodné, když jsou na plochách přilehajících k povrchu pláště vysílač a přijímač opatřeny imerzním gelem.

Čidlo podle vynálezu lze uplatnit jak pro měření teploty kapaliny v klidu umístěné v nádobě či vaku, tak i proudící kapaliny v hadici, jejichž stěny jsou zhotoveny z pružněplastického materiálu,

Popis/obrázků na vvkrese ;

Rozevřené dvojdílné pouzdro opatřené piezoelektrickými měniči a s vloženým pláštěm tvořeným hadicí znázorňuje v příčném řezu obr. 1, sevřené pouzdro s piezoelektrickými měniči přiléhajícími k hadici znázorňuje v příčném řezu obr.2 a v podélném řezu obr.3.

5'

Popis; přikladtiého. provedení ' ·

Plást 1 je tvořeny stěnou hadice zhotovené z pružněplastického materiálu, k jehož vnějšímu povrchu přilehají piezoelektrické měniče. Jeden je vysílač PÍ mechanických kmitů a druhý je přijímač P2 mechanických kmitů. Vysílač Pl a přijímač P2 jsou upe\ něn\ v sedlech k tomu účelu vytvořených ve dvojdílném pouzdře 3 a vodiči 4 napojeny na vyhodnocovací zapojení, které není znázorněno. Obě části dvojdílného pouzdra 3 jsou spolu spojeny pantem 31 a na protilehlé straně šroubovým spojem 32. Vysílač Pl a přijímač P2 jsou ve stabilní poloze jak vůči plášti 1, tak vzájemně protilehle vůči sobě. Vysílač Pl a přijímač P2 svojí šíří s nepřesahují vnitřní rozměr pláště 1. Vysílač Pl a přijímač P2 jsou opatřeny na vnějším povrchu tepelnou Či zvukovou izolací 2, která dále zasahuje i na povrch pláště 1, Pro lepši kontakt vysílače P1 b přijímač P2 s povrchem pláště 1. jsou vysílač P[ a přijímač P2 na plochách přilehajících k povrchu pláště 1 opatřeny imerzním gelem.

Na zvolené místo pláště 1 pružné hadice se umístí rozevřené dvojdílné pouzdro 3, které se následně sevře pootočením kolem pantu 31 a zajistí šroubovým spojem 32. Hadice jednak sevřením dvojdílného pouzdra 3 a dále tlakem kapaliny v hadici přilne k vysílači H a přijímači P2 k plášti 1 hadice. Vzájemná vzdálenost vysílače Pl a přijímače P2 předurčuje pro jaký průměr hadice jsou určeny. Je výhodné, když vysílač Pl a přijímač P2 jsou schopny generovat pulzy o delce 0.04 až 0.2 ns o energii do 300 gJ. Před prvním použitím je vhodné, když vzájemná součinnost vysílače Pl a přijímače P2 se při známé teplotě kapaliny ocejchuje. Pokud pak při příštím měření je použita hadice se shodným pláštěm 1 a to jak shodné tloušťky a shodného pružněplastického materiálu a je měřena teplota shodné kapaliny, není potřeba cejchováni opakovat. Vysílač P1 a přijímač P2 jsou vodiči 4 napojeny na vyhodnocovací zařízeni, které není znázorněno a ani není předmětem tohoto vynalezu. Zařízení určuje energii a frekvenci ultrazvukových mechanických přijímače P2. Elektrický signál na přijímači vzniká přeměnou mechanických kmitů, které byly vyslána vysílačem Pl. Zařízení pak vyhodnotí časový rozdíl mezi okamžikem vyslání kmitů vysílačem Pl a jejich přijetím přijímačem P2. Ze zjištěného rozdílu pak stanovuje pro konkrétní měřenou kapalinu její teplotu.

Průmyslová využitelnost

Vynález je průmyslově využitelný v oborech, kde je potřeba měřit teplotu kapalin při jejich důsledném oddělení od měřicích čideŘa to jednak u kapalin jak i proudících^tak v klidovém stavu.

7'

Patentové nároky

Claims (6)

1. Patentové nároky

   1. Čidlo pro měření teploty kapaliny ultrazvukem .vyznačující se tím, že kapalinu obemyká plást (l) z pružněplastického materiálu, k jehož vnějšímu povrchu přilehají piezoelektrické měniče, z nichž jeden je vysílač (PI) mechanických kmitů a druhý je přijímač (P2) mechanických kmitů, přičemž vysílač (Pl) a přijímač (P2) jsou ve stabilní poloze jak vůči plášti (1), tak vzájemně protilehle vůči sobě.
2. 2. Čidlo podle nároku ^vyznačující se tím, že vysílač (Pl) a přijímač (Pl) svojí šíři nepřesahuje vnitřní rozměr pláště (l).
3. 3. Čidlo podle nároku 1 nebo 2,vyznačující se tím, že vysílač (Pl) a přijímač (P2) jsou opatřeny na vnějším povrchu izolací (2).
4. 4. Čidlo podle nároku 3_; vyznačující se tím, že izolace (2) je tepelná izolace.

   y Čidlo podle nároku 3_;vyznačující se tím, že izolace (2) je akustická izolace.
5. 6. Čidlo podle nároku 1,2, 3 nebo 4. vyznačující se tím, že vysílač (P1) a přijímač (P2) jsou na plochách přilehajících k povrchu pláště (l) Jsot^opatřeny imerzním gelem.

   7, Čidlo podle nároku 1,2.3,4 nebo 5 vyznačující se tím, že pláštěm (1) je stěna nádoby či vaku.
6. 8. Čidlo podle nároku 1. 2, 3, 5 nebo 6,vyznačující se tím, že pláštěm (1) je stěna hadice.