CZ201225A3

CZ201225A3 - Ultrasonic flow meter

Info

Publication number: CZ201225A3
Application number: CZ20120025A
Authority: CZ
Inventors: Zácek@Milos; Morávek@Otakar
Original assignee: Zácek@Milos; Morávek@Otakar
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-05-02
Also published as: CZ303779B6

Abstract

Ultrazvukový prutokomer je tvoren alespon dvema ultrazvukovými snímaci (4) pripojenými k merícímu prvku pod úhlem .alfa.. Merící prvek je tvoren telesem (1) prutokomeru, v jehoz celech jsou umísteny alespon dva ultrazvukové snímace (4) usporádané vzájemne protilehle a sikmo k ose telesa (1), pricemz délka (L) prutokomeru se rovná maximálne trojnásobku jeho nominální svetlosti (D). Ultrazvukové snímace (4) jsou opatreny bateriovým napájením s koncovým stupnem pro buzení piezoelementu, který je opatren prvním transformátorem v horní vetvi koncového stupne a/nebo druhým transformátorem v dolní vetvi koncového stupne.The ultrasonic flowmeter is formed by at least two ultrasonic transducers (4) connected to the measuring element at an angle .alpha. body (1), wherein the length (L) of the flow meter is equal to a maximum of three times its nominal diameter (D). The ultrasonic transducers (4) are provided with a battery power supply with an end stage for energizing the piezoelement, which is provided with a first transformer in the upper branch of the final stage and / or a second transformer in the lower branch of the final stage.

Description

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká ultrazvukového průtokoměrů, který se skládá z tělesa a minimálně dvou ultrazvukových snímačů. Popsaný princip řešení může být použit pro měření průtoku tekutin tj. plynů nebo kapaliny.The invention relates to an ultrasonic flow meter comprising a body and at least two ultrasonic sensors. The described principle of solution can be used to measure the flow of fluids ie gases or liquids.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Uplatnění ultrazvukových měřidel v oblasti měření průtoku a proteklého množství plynů se postupně velmi rozšiřuje. Je známá řada konstrukčních řešení, které však mají jedno společné. Ultrazvukové snímače jsou situovány pod určitým úhlem a svrchu na měřicí trubici, která je zpravidla ukončenc(,přírubami.The application of ultrasonic meters in the area of flow measurement and gas flow has been gradually expanding. A number of design solutions are known, but they have one thing in common. The ultrasonic transducers are situated at an angle and at the top of the measuring tube, which is usually terminated by flanges.

Princip měření takového průtokoměrů spočívá v měření času vyslaného ultrazvukového signálu mezi snímači po určité dráze. Jeden ultrazvukový signál je vysílán ve směru proudění plynula je tedy urychlen vektorem rychlosti proudění plynu, a tedy čas ti je kratší. Druhý ultrazvukový signál je vysílán proti směru proudění plynu, je brzděn vektorem rychlosti proudění plynu a tedy čas t₂ je delší. Z rozdílu časů Át = t₂ - ti se potom spočítá objemový průtok. Aby měření časů ti a t₂ bylo přesnější, je výhodné, aby dráha mezi snímači byla co nejdelší. Toho lze dosáhnout zmenšením úhlu a, ale na úkor zvětšení celkové délky průtokoměrů.The principle of measuring such flowmeters is to measure the time of the transmitted ultrasonic signal between sensors over a certain path. Thus, one ultrasonic signal is transmitted in a continuous flow direction is accelerated by a gas velocity vector, and hence the time t1 is shorter. The second ultrasonic signal is transmitted upstream of the gas, is braked by the gas velocity vector, and hence the time t ₂ is longer. The volume flow is then calculated from the time difference tt = t ₂ - ti. The timing at those _two be more accurate, it is preferable that the path between the sensors as long as possible. This can be achieved by reducing the angle α, but at the expense of increasing the total length of the flow meters.

Průtokoměry plynu, tj. plynoměry, používané pro platební styk, tj. pro fakturaci spotřeby zemního plynu, mají danou standardní délku L, která je troj nominální světlosti D plynoměru, tj. L - 3D. Pokud je délka L plynoměru větší, nežli standardní, zvyšuje to podstatně montážní náklady při záměně plynoměru.Gas flow meters, ie gas meters used for payment, ie for billing natural gas consumption, have a given standard length L, which is three nominal diameters D of the gas meter, ie L - 3D. If the length L of the gas meter is larger than the standard length, this significantly increases the assembly cost when changing the gas meter.

Existující známá řešení měřící trubice jsou tvořena odlitkem nebo svařencem s venkovními nálitky nebo návarky, kde jsou umístěné ultrazvukové snímače, viz obr. 1.Existing known solutions of the measuring tube consist of a casting or weldment with outside bosses or bosses where ultrasonic sensors are located, see Fig. 1.

Nevýhodami tohoto řešení jsou především vysoká hmotnost odlitku nebo svařence a riziko netěsnosti odlitku nebo svárů. Další nevýhodou jsou volně přístupné snímače a jejich kabeláž.The disadvantages of this solution are above all the high weight of the casting or weldment and the risk of leakage of the casting or welds. Another disadvantage is the freely accessible sensors and their wiring.

« ·«·

Délka měřící trubice je větší než trojnásobek nominální světlosti plynoměru, tzv. standardní délka. Při záměně plynoměru je nutná úprava potrubí a přivaření přírub v jiné vzdálenosti.The length of the measuring tube is greater than three times the nominal diameter of the gas meter, the so-called standard length. When changing the gas meter, it is necessary to modify the piping and weld the flanges at a different distance.

Rovněž existuje řešení popsané například v US 4^4There is also a solution described, for example, in US 4-4

83^02, kdy jsou ultrazvukové i snímače vloženy do tělesa průtokoměru. Nevýhodami tohoto řešení je rovněž především j vysoká hmotnost tělesa průtokoměru. Další nevýhodou jsou buď volně přístupné snímače, a j jejich kabeláž.nebo naopak složitější provedení vývodů od ultrazvukových snímačů. Délka i , | měřicí trubice je obdobná jako u výše popsaného řešení.83 ^ 02, where both ultrasonic and transducers are inserted into the body of the flow meter. The disadvantages of this solution are also the high mass of the flow meter body. Another disadvantage is either freely accessible sensors and their wiring or, on the contrary, more complicated design of terminals from ultrasonic sensors. Length i, the measuring tube is similar to the solution described above.

J j Ve spisu JP 2001 272 261 je popisován jiný typ průtokoměru, opatřený anténou iJP 2001 272 261 describes another type of flowmeter provided with an antenna i

i s ultrazvukovými snímači. Toto řešení je založeno na jiném principu a vyžaduje další složitá ieven with ultrasonic sensors. This solution is based on a different principle and requires additional complexity as well

i vyhodnocovací zařízení, která užití takovéhoto řešení značně prodražují.and evaluation devices, which considerably increase the use of such a solution.

ΐ Podstata vynálezu iSUMMARY OF THE INVENTION i

| Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny ultrazvukovým průtokoměrem tvořeným alespoň dvěma ultrazvukovými snímači připojenými k měřícímu i| The above-mentioned deficiencies are largely eliminated by an ultrasonic flow meter consisting of at least two ultrasonic sensors connected to the measuring and measuring device.

j prvku pod určitým úhlem, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je měřící prvek tvořený j tělesem průtokoměru, v jehož čelech jsou umístěny alespoň dva ultrazvukové snímače i1 of an element at a certain angle, according to the invention. Its essence is a measuring element formed by the body of the flow meter, in whose faces are located at least two ultrasonic sensors i

! uspořádané vzájemně protilehle a šikmo k ose tělesa, přičemž délka L průtokoměru se rovná j maximálně trojnásobku nominální světlosti D.! arranged opposite to each other and obliquely to the axis of the body, the length L of the flow meter being at most three times the nominal diameter D.

Ultrazvukové snímače jsou s výhodou opatřeny bateriovým napájením s koncovým stupněm pro buzení piezoelementu, který je opatřen prvním transformátorem v horní větvi koncového stupně a/nebo druhým transformátorem v dolní větvi koncového stupně. Popřípadě jsou ultrazvukové snímače opatřeny bateriovým napájením s koncovým stupněm pro buzení piezoelementu, který je opatřen jedním transformátorem v horní větvi koncového stupně a tranzistorem v dolní větvi koncového stupně.The ultrasonic transducers are preferably provided with a battery power supply with an output stage for driving the piezoelement, which is provided with a first transformer in the upper branch of the output stage and / or a second transformer in the lower branch of the output stage. Optionally, the ultrasonic transducers are provided with a battery power supply with an output stage to drive the piezoelement, which is provided with one transformer in the upper branch of the output stage and a transistor in the lower branch of the output stage.

Na čelech tělesa jsou s výhodou vytvořeny kruhové drážky pro vedení kabeláže plynoměru. Cela tělesa plynoměru jsou ve výhodném provedení překryta deskami pro zamezení neoprávněného přístupu k ultrazvukovým snímačům a ke kabeláži. Mezi kruhovou iAdvantageously, circular grooves are provided on the housing faces for guiding the gas meter cabling. The cells of the gas meter housing are preferably covered with plates to prevent unauthorized access to the ultrasonic sensors and cabling. Between the circular i

i ii i

i i ř ·i i ř ·

drážkou a vnitřním průměrem je s výhodou vytvořeno vybráním pro docílení vyrovnání tlaků z obou stran ultrazvukového snímače.The groove and the inner diameter are preferably formed by a recess to achieve pressure equalization from both sides of the ultrasonic sensor.

Dodržení standardní délky průtokoměru L = 3D a přitom co největší vzdálenosti mezi snímači tj. dráhy 1 je možné dosáhnout jiným umístěním ultrazvukových snímačů. Místo měřící trubice je použito těleso průtokoměru, do kterého jsou ultrazvukové snímače instalovány v jeho čelech. V tělese průtokoměru^ je také vytvořena kruhová drážka, která slouží pro vedení veškeré kabeláže, tedy k propojení mezi elektronikou a bateriemi. Čela tělesa průtokoměru jsou překryta deskám^ které uzavírají přístup k ultrazvukovým snímačům. Tím je znemožněna i manipulace vedoucí k nesprávné funkci průtokoměru nebo kjeho vyřazení z provozu. Desky tvoří současně dosedací plochy pro přípojem mezi příruby potrubního rozvodu. Vybrání mezi kruhovou drážkou a vnitřním průměrem umožňuje vyrovnání tlaků z obou stran ultrazvukového snímače, čímž je umožněno, aby přetlak plynu působil na piezokrystal snímače zobou stran, tj. zepředu i zezadu, stejným tlakem, což přispívá ke kvalitě jeho funkce. Při zabudovaném měřidle - mezi přírubami, není možný přístup k ultrazvukovým snímačům^ a tím je zabráněno neoprávněné manipulaci vedoucí k nesprávné funkci průtokoměru nebo poškození kabelů s cílem vyřadit měřidlo z provozu.Maintaining the standard length of the flowmeter L = 3D and at the same time the greatest possible distance between the sensors, ie the path 1, can be achieved by another location of ultrasonic sensors. Instead of the measuring tube, a flowmeter body is used in which the ultrasonic sensors are installed in its faces. A circular groove is also formed in the body of the flow meter, which serves to guide all the cabling, i.e. the connection between the electronics and the batteries. The faces of the flow meter body are covered by plates which close access to the ultrasonic sensors. This also prevents manipulation resulting in malfunctioning of the flow meter or its decommissioning. The plates also form the bearing surfaces for the connection between the piping flanges. The recess between the annular groove and the inner diameter allows pressure equalization from both sides of the ultrasonic transducer, thereby allowing the gas overpressure to exert an equal pressure on the transducer piezocrystal on both sides, front and rear, thus contributing to the quality of its function. With the built-in meter - between the flanges, access to the ultrasonic sensors ^ is not possible, thus preventing unauthorized handling resulting in malfunction of the flow meter or damage to the cables in order to disable the meter.

V bateriově napájených ultrazvukových průtokoměrech je velký požadavek na úsporu energie. Baterie musí vydržet velmi dlouho, např. minimálně 5 let bez nutnosti výměny. To klade velmi vysoké nároky na provedení zařízení s ohledem na funkčnost. Koncový stupeň standardně spotřebovává značné množství energie, což snižuje životnost baterií. Použití budícího transformátoru v horní větvi nebo i navíc v dolní větvi umožňuje snížit spotřebu energie při buzení piezoelementu.Battery-powered ultrasonic flowmeters have a great energy-saving requirement. Batteries must last very long, eg at least 5 years without having to replace them. This places very high demands on the design of the device in terms of functionality. By default, the output stage consumes a considerable amount of power, which reduces the battery life. The use of an excitation transformer in the upper branch or even in the lower branch makes it possible to reduce the energy consumption when exciting the piezoelement.

Podstatnou výhodou řešené podle vynálezu je z hlediska ekonomiky provozu to, že použití bateriového ultrazvukového průtokoměru je výhodnější vzhledem ktomu, že po uplynutí zákonné lhůty pro opětovné ověření, která v ČR pro tuto kategorii měřidel činí 5 let, je nutné vyměnit pouze baterie. U ostatních cenově srovnatelných měřidel turbínových a rotačních/je nutné vyměnit opotřebované mechanické díly - ložiska, turbínová kola, písty atd. U axiálních turbínových průtokoměrů je potřeba neustále doplňovat mazivo.An essential advantage of the invention is that from the point of view of operation economics, the use of a battery-powered ultrasonic flow meter is more advantageous, since only batteries have to be replaced after the statutory re-verification period of 5 years in the Czech Republic. For other comparable turbine and rotary gauges / it is necessary to replace worn mechanical parts - bearings, turbine wheels, pistons, etc. For axial turbine flowmeters it is necessary to constantly replenish the lubricant.

I jI j

U bateriového ultrazvukového průtokoměru - plynoměru podle tohoto řešení odpadají nároky na kvalifikaci obslužného personálu, vzhledem k tomu, že nehrozí poškození měřidla při nesprávné instalaci jako u mechanických plynoměrů, jako je nasazení na potrubí s větším než povoleným průtokem, tlakový ráz způsobený náhlým otevřením uzávěru a podobně.The battery ultrasonic flowmeter - gas meter according to this solution eliminates the need for qualification of operating personnel, since there is no risk of damage to the meter in the case of incorrect installation as with mechanical gas meters, such as deployment on pipelines with more than permissible flow; alike.

Životnost ultrazvukového průtokoměru je dána životností elektronických komponent, která činí nejméně 15 let. Instalace je velmi rychlá, z důvodů, že plynoměr je bateriový a není třeba řešit problémy s externím napájením, konfigurací apod. Např. plynoměr DN 50 je připevněn pouze pomocí 8 šroubů. Celý design je zapouzdřený, což znamená robustnost při aplikacích měření plynného média. Uložení ultrazvukových snímačů garantuje dostatečnou délku dráhy ultrazvukového signálu pro danou dimenzi potrubí.The service life of an ultrasonic flow meter is determined by the service life of electronic components, which is at least 15 years. Installation is very fast, because the gas meter is battery and there is no need to solve problems with external power supply, configuration, etc. The DN 50 gas meter is fixed with only 8 screws. The entire design is encapsulated, which means robustness in gaseous media measurement applications. The location of the ultrasonic transducers guarantees a sufficient length of the ultrasonic signal path for a given pipe dimension.

Přehled /Objasněn/ obrázků na výkresechOverview / Clarification / Figures in the Drawings

Ultrazvukový průtokoměr podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsán na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 2 je znázorněn v řezu příkladný průtokoměr - plynoměr. Na obr. 3 je vyznačen čelní pohled. Na obr. 4 je znázorněno schéma zapojení napájení baterie plynoměru.The ultrasonic flow meter of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which: Figure 2 is a cross-sectional view of an exemplary flow meter-gas meter. FIG. 3 is a front view. Fig. 4 shows a circuit diagram of the gas meter battery power supply.

profddaníprofddaní

Příklady Uskutečněni vynálezu j Příkladný ultrazvukový průtokoměr - plynoměr je tvořen dvěma ultrazvukovými j snímači 4 připojenými k měřícímu prvku pod úhlem a. Měřící prvek je tvořen tělesem 1 j průtokoměru, v jehož čelech jsou umístěny dva ultrazvukové snímače 4 uspořádané vzájemně protilehle a šikmo kose tělesa 1, přičemž délka L průtokoměru se rovná trojnásobku nominální světlosti D. Ultrazvukové snímače 4 jsou opatřeny bateriovým napájením s koncovým stupněm pro buzení piezoelementu, který je opatřen prvním transformátorem v horní větvi koncového stupně a druhým transformátorem v dolní větvi koncového stupně.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT An exemplary ultrasonic flow meter-gas meter is formed by two ultrasonic sensors 4 connected to a measuring element at an angle α. The ultrasonic sensors 4 are provided with a battery power supply with an output stage for exciting the piezoelement, which is provided with a first transformer in the upper branch of the output stage and a second transformer in the lower branch of the output stage.

j iher

j Na čelech tělesa 1 jsou vytvořeny kruhové drážky 2 pro vedení kabeláže plynoměru.Circular grooves 2 are provided on the ends of the body 1 for guiding the gas meter cabling.

| Cela tělesa 1 plynoměru jsou překryta deskami 3 pro zamezení neoprávněného přístupu ( k ultrazvukovým snímačům 4 a ke kabeláži. Tím je znemožněna manipulace vedoucí| The cells of the gas meter body 1 are covered by plates 3 to prevent unauthorized access (to the ultrasonic sensors 4 and to the wiring).

I k nesprávné funkci plynoměru nebo k jeho vyřazení z provozu. Mezi kruhovou drážkou 2 a t β « * ) I i jEven if the gas meter is malfunctioning or decommissioned. Between circular groove 2 and t β «*) I i j

-1 |-1 |

I i vnitřním průměrem D je vytvořeno vybrání 6 pro docílení vyrovnám tlaků z obou stran ultrazvukového snímače, což přispívá ke kvalitě jeho funkce.Even with the inner diameter D, a recess 6 is formed to achieve pressure equalization from both sides of the ultrasonic sensor, which contributes to the quality of its function.

V dalším provedení jsou ultrazvukové snímače 4 opatřeny bateriovým napájením s koncovým stupněm pro buzení piezoelementu, který je opatřen jedním transformátorem v horní větvi koncového stupně a tranzistorem v dolní větvi koncového stupně.In another embodiment, the ultrasonic transducers 4 are provided with a battery power supply with an output stage for driving a piezoelement, which is provided with one transformer in the upper branch of the output stage and a transistor in the lower branch of the output stage.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Bateriový ultrazvukový průtokoměr, podle tohoto vynálezu nalezne uplatnění v plynárenských distribučních společnostech pro fakturační měření spotřeby zemního plynu a průmyslových objektech pro interní měření.The battery ultrasonic flow meter of the present invention will find application in gas distribution companies for billing metering of natural gas consumption and industrial buildings for internal metering.

Claims

PATENT CLAIMS «· ♦ · • · <«

An ultrasonic flow meter comprising at least two ultrasonic sensors connected to a measuring element at an angle (α) to the axis of the body (1), characterized in that the measuring element is formed by a flow meter body (1) having at least two ultrasonic sensors ( 4) arranged opposite each other and at an angle to the axis of the body (1), the length (L) of the flow meter being at most three times its nominal diameter (D).

Ultrasonic flow meter according to claim 1, characterized in that the ultrasonic sensors (4) are provided with a battery power supply with an output stage for exciting the piezoelement, which is provided with a first transformer in the upper branch of the output stage and / or a second transformer in the lower branch of the output stage.

Ultrasonic flowmeter according to claim 1, characterized in that the ultrasonic sensors (4) are equipped with a battery power supply with an output stage for exciting the piezoelement, which is provided with one transformer in the upper branch of the output stage and a transistor in the lower branch of the output stage.

Ultrasonic flow meter according to any one of the preceding claims, characterized in that circular grooves (2) are provided on the ends of the body (1) for routing the flow meter wiring.

Ultrasonic flow meter according to claim 4, characterized in that the faces of the flow meter body (1) are covered by plates (3) to prevent unauthorized access to the ultrasonic sensors (4) and cabling, to prevent manipulation resulting in malfunction or flowmeter decommissioning.

Ultrasonic flow meter according to any one of the preceding claims, characterized in that a recess (6) is provided between the annular groove (2) and the inner diameter (D) to achieve pressure equalization from both sides of the ultrasonic sensor.